A atualização de alta luminosidade do Large Hadron Collider (HL-LHC) está programada para começar a colidir prótons em 2026. Esta grande melhoria no acelerador carro-chefe do CERN aumentará o número total de colisões no experimento ATLAS em um fator de 10. Para lidar com com este aumento, ATLAS está preparando uma série complexa de atualizações, incluindo a instalação de novos detectores usando tecnologia de ponta, a substituição de eletrônicos antigos, e a atualização de seu sistema de gatilho e aquisição de dados.

Que oportunidades de descoberta estarão ao alcance do ATLAS com a atualização do HL-LHC? Com que precisão os físicos serão capazes de medir as propriedades do bóson de Higgs? Até que ponto eles serão capazes de sondar os processos do Modelo Padrão em busca de sinais de nova física? A ATLAS Collaboration realizou e divulgou dezenas de estudos para responder a essas perguntas, cujos resultados foram valiosos contributos para as discussões realizada esta semana no Simpósio sobre a Estratégia Europeia para a Física de Partículas, em Granada, Espanha.

"Estudar o potencial de descoberta do HL-LHC foi uma tarefa fascinante associada às atualizações do ATLAS, "diz Simone Pagan Griso, Co-convocador do ATLAS Upgrade Physics Group. "Os resultados são informativos não apenas para a Colaboração ATLAS, mas para toda a comunidade global de física de partículas, à medida que reavaliam as oportunidades e os desafios que temos pela frente. "De fato, esses estudos estabeleceram referências importantes para as próximas gerações de experimentos de física de partículas.

Pagan Griso trabalhou com Leandro Nisati, o representante da ATLAS no comitê diretor do "Yellow Report" do Potencial de Física do HL-LHC, e co-convocador do ATLAS Upgrade Physics Group, Sarah Demers, para coordenar esses estudos para a colaboração. "Um Relatório Amarelo do CERN, com publicação em sua forma final em breve, irá combinar os resultados do ATLAS com os de outros experimentos do LHC, bem como contribuições de físicos teóricos, "diz Nisati.

Estimando o desempenho de uma máquina que ainda não foi construída, que funcionará em circunstâncias que nunca foram confrontadas, foi uma tarefa complexa para a equipe ATLAS. "Adotamos duas abordagens paralelas, "explica Demers." Para um conjunto de projeções de análise, começamos com simulações das condições experimentais desafiadoras do HL-LHC. Esses eventos de física simulados foram então passados ​​por um software personalizado para nos mostrar como as partículas interagiriam com um detector ATLAS atualizado. Em seguida, desenvolvemos novos algoritmos para tentar pegar os sinais físicos da quantidade desafiadora de eventos de fundo. ”Lidar com fundo abundante será uma complicação comum para a operação do HL-LHC.

Seguindo essa abordagem, a equipe descobriu que o conjunto de dados HL-LHC permitirá que o ATLAS busque novos bósons Z massivos (denotados Z ') tão pesados ​​quanto 6,5 TeV, e pesquise novos bósons W 'de até 7,9 TeV de massa. "Este método foi útil porque nos ensinou sobre o alcance potencial da física do detector ATLAS atualizado, mas também tinha suas limitações, "diz Demers." Nossa experiência provou que, à medida que ganhamos familiaridade com a operação do detector e acelerador, somos capazes de aprimorar nossas técnicas de obtenção de dados e ter novas idéias para análises físicas. É difícil quantificar quanta melhoria uma década de pensamento e trabalho duro trará! "

A segunda abordagem usada nas projeções de física do HL-LHC utilizou os melhores resultados de física atuais do ATLAS. A equipe considerou quais componentes das análises deveriam melhorar, degradar ou permanecer o mesmo sob as novas condições HL-LHC. O rico panorama da física do bóson de Higgs teve um foco significativo, já que seu estudo está entre os alvos principais da atualização do HL-LHC. O grande conjunto de dados esperado do HL-LHC será essencial para descobrir muitas das incógnitas do bóson de Higgs.

"Utilizando os resultados atuais da física do ATLAS, projetamos incertezas abaixo de 5% nas medições das taxas de cinco tipos de decaimentos do bóson de Higgs:quarks para b, para taus, para bósons W, para bósons Z e fótons, "diz Pagan Griso." De acordo com essas projeções, também seremos altamente sensíveis a raros decaimentos do bóson de Higgs, como sua decadência em múons. "

Este segundo método se beneficiou da total sofisticação e otimização das análises atuais do ATLAS. Contudo, ao contrário da primeira abordagem, ele não poderia considerar diretamente as melhorias que o detector ATLAS atualizado trará. Nem pode estimar totalmente o quão mais difícil a análise da física se tornará sob as condições extremas do HL-LHC. Como tal, uma combinação das duas abordagens fornece a melhor previsão possível do potencial físico do ATLAS no HL-LHC.

Ao longo deste estudo, ATLAS publicou mais de 40 notas públicas documentando resultados de mais de 80 canais de análise. Esses resultados estão todos disponíveis publicamente e informarão as estratégias de priorização para físicos em todo o mundo. "Esses estudos representam nossa melhor compreensão do tremendo potencial da física que aguarda o ATLAS, "conclui Demers." É emocionante ter essas oportunidades à nossa frente, à medida que continuamos a aprender com o conjunto de dados atual do LHC e trabalhamos para maximizar as informações sobre o nosso Universo que o ATLAS pode fornecer. "