À medida que o Grande Colisor de Hádrons (LHC) esmaga prótons em uma energia de centro de massa de 13 TeV, ele cria um rico sortimento de partículas que são identificadas por meio da assinatura de suas interações com o detector ATLAS. Mas e se o colisor produzir partículas que viajam pelo ATLAS sem interagir? Essas "partículas invisíveis" podem fornecer as respostas para alguns dos maiores mistérios da física.

Um exemplo é a matéria escura, que parece representar 85 por cento da massa do universo, mas ainda não foi identificado de forma conclusiva. Os cientistas inferem sua existência por meio de observações astrofísicas, incluindo a formação de galáxias e lentes gravitacionais. Contudo, eles sabem mais sobre o que não é do que o que é. Não existe uma teoria única da matéria escura; diferentes previsões têm diferentes implicações para suas propriedades e como ele interage.

As partículas invisíveis produzidas em colisões de LHC carregam energia, resultando em um aparente desequilíbrio na energia / momento das partículas visíveis observadas. As teorias preveem que se as partículas invisíveis existem, mais eventos com grande desequilíbrio e outros padrões distintos de partículas visíveis puderam ser detectados pelo Experimento ATLAS. Comparar o número de tais eventos previstos pela teoria com o número de eventos observados no detector é uma forma de procurar por partículas invisíveis indiretamente.

Embora seja uma abordagem bem-sucedida, existem limitações. E se os modelos teóricos da matéria escura estiverem errados? E se um fenômeno totalmente diferente for a causa das partículas invisíveis? Atualmente, quando os modelos teóricos se mostram incorretos, pode ser difícil e demorado reutilizar os dados para testar novos modelos. Para fazer isso, é necessário compreender como essas partículas foram registradas nos detectores, como os eventos foram selecionados, e como os processos do modelo padrão que imitam esses padrões de partículas foram modelados.

Os físicos do ATLAS desenvolveram uma nova abordagem baseada na medição, que é projetado para ser independente do detector e permite uma fácil reinterpretação dos dados no futuro. Nesta abordagem, uma quantidade R ^senhorita é definido, que é sensível à taxa de produção e às propriedades de qualquer partícula (s) invisível (s). Essa quantidade é medida em relação às várias propriedades dos eventos de colisão, incluindo a quantidade de desequilíbrio de momento e a energia / momentos das partículas visíveis. O valor dessa quantidade, juntamente com as mudanças nessas propriedades medidas, fornece sensibilidade a partículas invisíveis. Decaimentos conhecidos de bósons Z produzidos em colisões do LHC em neutrinos invisíveis significam que esta quantidade é diferente de zero, mesmo na ausência de um novo fenômeno invisível. Esta quantidade é cuidadosamente corrigida para ineficiências do detector, deixando uma medição livre de viés experimental e independente de qualquer nova hipótese física (Figura 1). Qualquer físico pode então comparar facilmente as previsões de seu modelo com essa medição.

Para demonstrar a nova abordagem, a medição é usada para testar três modelos teóricos distintos de matéria escura, onde é produzido ou (1) por meio da força forte, (2) através dos decaimentos dos bósons de Higgs, ou (3) por meio da força eletrofraca. Nenhuma evidência de matéria escura é observada e, portanto, o ATLAS é capaz de colocar restrições rigorosas sobre essas teorias (Figura 2). As restrições são competitivas com as abordagens existentes que visam testar essas teorias específicas e complementares às medições de experimentos de detecção indireta baseados no espaço.