A eficiência de reconstruir um leptão a partir da decomposição de uma partícula de vida longa, medido em eventos simulados, mostrado como uma função da distância entre a pista do leptão e o ponto de colisão (d0). Os círculos azuis sólidos mostram a eficiência usando técnicas de reconstrução ATLAS padrão. Os quadrados roxos sólidos indicam a eficiência usando rastreamento adicional para partículas deslocadas e critérios de identificação especiais desenvolvidos para esta pesquisa. Crédito:ATLAS Collaboration / CERN
Apesar de suas décadas de sucesso preditivo, existem fenômenos importantes que não foram explicados pelo Modelo Padrão da física de partículas. Devem existir teorias adicionais que possam descrever completamente o universo, embora assinaturas definitivas de partículas além do Modelo Padrão ainda não tenham aparecido.
Os pesquisadores do experimento ATLAS no CERN estão ampliando seu extenso programa de pesquisa para procurar assinaturas mais incomuns de física desconhecida, como partículas de vida longa. Essas novas partículas teriam vidas úteis de 0,01 a 10 ns; para comparação, o bóson de Higgs tem uma vida de 10
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ns. Uma teoria que motiva naturalmente as partículas de vida longa é a supersimetria (SUSY). SUSY prevê que existem partículas "superparceiras" correspondentes às partículas do Modelo Padrão com diferentes propriedades de spin.
Uma nova pesquisa da Colaboração ATLAS procura os superparceiros do elétron, muon e tau lepton, chamados de "sleptons" ("selectron", "smuon", e "stau", respectivamente). A pesquisa considera cenários em que os sleptons seriam produzidos em pares e se acoplariam fracamente aos seus produtos de decomposição e, assim, teriam vida longa. Neste modelo, cada trenó de vida longa viajaria alguma distância (dependendo de sua vida média) através do detector antes de decair para um leptão do Modelo Padrão e uma partícula leve indetectável. Os físicos observariam, portanto, dois léptons que parecem vir de locais diferentes de onde ocorreu a colisão próton-próton.
Limites superiores estabelecidos pela análise da vida útil de possíveis sleptons em função da massa do slepton. As linhas sólidas indicam o limite observado, as linhas pontilhadas mostram o limite esperado no caso de nenhuma flutuação estatística, e as regiões coloridas são excluídas do resultado da análise. A área excluída é menor para staus do que para selétrons e smuons porque depende do modelo padrão produzido taus decaindo para elétrons ou múons. A dependência dos limites na massa do slepton deriva principalmente da seção transversal de produção do par de slepton que diminui fortemente com a massa. Crédito:ATLAS Collaboration / CERN
Essa assinatura única representou um desafio para os físicos. Embora muitas teorias prevejam partículas que podem viajar no detector ATLAS por algum tempo antes de decair, a reconstrução e análise típicas de dados são orientadas para novas partículas que decaem instantaneamente, da mesma forma que as partículas pesadas do Modelo Padrão. Os físicos do ATLAS, portanto, tiveram que desenvolver novos métodos de identificação de partículas para aumentar a probabilidade de reconstruir esses léptons "deslocados". Apenas elétrons e múons deslocados foram estudados nesta análise, mas os resultados também podem ser aplicados a taus, já que o taus decai prontamente em um elétron ou um múon em cerca de um terço dos casos.
Como as partículas criadas pela decomposição de uma partícula de vida longa apareceriam longe da colisão, podem surgir fontes de fundo incomuns:fótons identificados incorretamente como elétrons, múons que são medidos incorretamente, e múons de raios cósmicos mal medidos. Os múons de raios cósmicos vêm de partículas de alta energia que colidem com nossa atmosfera e podem atravessar o detector ATLAS. Uma vez que eles não passam necessariamente pelo detector perto do ponto de colisão, eles podem aparecer como se originados de um decaimento de partículas de longa duração. Os físicos do ATLAS desenvolveram técnicas não apenas para reduzir as contribuições dessas fontes, mas também para estimar o quanto cada uma contribui para a pesquisa.
A análise não encontrou nenhum evento de colisão com léptons deslocados que passaram nos requisitos de seleção, um resultado que é consistente com a baixa abundância de fundo esperada. Usando esses resultados, os físicos estabelecem limites para a massa e o tempo de vida do trenó. Para o tempo de vida do slepton ao qual essa pesquisa é mais sensível (cerca de 0,1 nanossegundos), o ATLAS foi capaz de excluir selétrons e smuons até uma massa de cerca de 700 GeV, e staus até cerca de 350 GeV. Os melhores limites anteriores sobre essas partículas de vida longa eram em torno de 90 GeV e vieram dos experimentos no Large Electron-Positron Collider (LEP), Predecessor do CERN para o LHC. Este novo resultado é o primeiro a fazer uma declaração sobre este modelo usando dados do LHC.
