O número de dados e eventos de fundo estimados na região de sinal das categorias mais sensíveis. A incerteza na estimativa de base é mostrada como faixa sombreada. O lado esquerdo mostra as diferentes categorias da pesquisa ALP de longa duração, enquanto o lado direito exibe o 4?? categoria da busca imediata por hipóteses de massa crescentes. Os números entre parênteses nos rótulos do eixo x correspondem à hipótese de massa ALP sondada em GeV. O SM? → ?? o fundo só é considerável nos três primeiros compartimentos, correspondendo às categorias de dois fótons. Crédito:arXiv (2023). DOI:10.48550/arxiv.2312.03306 O grupo de pesquisa do professor Matthias Schott do PRISMA+ Cluster of Excellence da Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) publicou os resultados de uma extensa série de medições no detector ATLAS do Large Hadron Collider (LHC) no arXiv servidor de pré-impressão. Os dados foram registrados durante a segunda execução do LHC entre 2015 e 2018.
O objetivo do programa de medição experimentalmente desafiador é procurar partículas semelhantes a áxions que poderiam ser produzidas em certos decaimentos da partícula de Higgs - e como novas partículas poderiam explicar o desvio do momento magnético anômalo do múon determinado experimentalmente em relação à sua previsão teórica. .
O trabalho representa o teste experimental de um modelo de áxion desenvolvido pelo Prof. Matthias Neubert, físico teórico e porta-voz do PRISMA+, e é, portanto, um exemplo ideal da valiosa interação entre teoria e experimento no local de Mainz.
Axions são partículas elementares hipotéticas que foram inicialmente postuladas para resolver uma deficiência teórica da interação forte, o chamado problema de CP forte. Durante muitos anos, os áxions ou partículas semelhantes a axions (ALPs) também foram considerados candidatos promissores para a matéria escura.
“Neste contexto, os físicos desenvolveram numerosos experimentos para procurar, em particular, ALPs muito leves”, explica Schott. "Pela primeira vez, propusemos e implementámos um programa de investigação detalhado na experiência ATLAS do LHC, com o qual procuramos especificamente ALPs relativamente pesados - estes, por sua vez, poderiam explicar o enigma do momento magnético anómalo do múon, como Matthias Neubert mostrou em um modelo desenvolvido há alguns anos."
Juntamente com Martin Bauer e Andrea Thamm, Neubert postulou em 2017 que o ATLAS poderia ser usado para pesquisar uma gama muito grande de massas de áxions adequadas com sensibilidade muito alta. Para Schott, este foi o ponto de partida para a candidatura bem-sucedida à subvenção ERC. "Testei agora uma grande parte do espaço de parâmetros do modelo de Neubert com o meu grupo como parte desta subvenção do ERC e estamos muito satisfeitos por podermos agora publicar os primeiros resultados."
Neubert, por sua vez, esclareceu o efeito esperado dos ALPs no momento do múon em um artigo recente publicado no Journal of High Energy Physics. com Ana Galda.
Uma conquista experimental inovadora
A série de medições baseia-se na ideia de que os potenciais ALPs devem acoplar-se tanto ao múon quanto aos fótons para explicar a anomalia no momento magnético do múon. Especificamente, os pesquisadores investigaram uma cadeia de decaimento teoricamente postulada na qual uma partícula de Higgs primeiro decai em dois ALPs, e estes, por sua vez, em dois fótons cada (H à aa à 4ƴ). O objetivo era detectar o acoplamento dos ALPs aos fótons desta cadeia.
“Não encontramos nenhum sinal evidente que pudesse indicar ALPs correspondentes”, explica Schott. "Na área investigada, podemos, portanto, descartar o acoplamento áxion-fóton com a máxima probabilidade." No entanto, como o grupo de investigação conseguiu pesquisar pela primeira vez uma gama de parâmetros muito grande e foi seis ordens de grandeza mais sensível do que medições anteriores, particularmente no que diz respeito à força de acoplamento, conseguiu estabelecer os limites de exclusão mais rigorosos até à data. para a massa e força de acoplamento dos ALPs.
Neubert diz:"O que há de especial nesta medição é que os ALPs podem ser potencialmente detectados através da física de Higgs. Estamos na faixa de alta energia da física de partículas e podemos, portanto, rastrear a discrepância no momento do múon magnético anômalo através da conversão de alta energia -partículas de energia. Esta é uma abordagem complementar à medição direta das propriedades do múon na faixa de baixa energia como parte do experimento do múon g-2, que é exatamente o que o torna tão emocionante."
Novos algoritmos de análise baseados em inteligência artificial
O processo de decaimento investigado pelo grupo de Schott é experimentalmente muito desafiador, principalmente porque os fótons a serem detectados no decaimento do ALP não são produzidos no ponto de colisão do detector. "Em colisões normais de partículas, as partículas sempre se encontram exatamente no meio do detector. E quaisquer novas partículas criadas nesta colisão, normalmente assumimos que sua jornada começa exatamente no ponto de colisão. Os algoritmos e calibrações normais que temos são baseado precisamente nesta hipótese", explica Schott.
"No entanto, se forem criadas novas partículas que 'vivem' o suficiente, então essas partículas primeiro voam uma curta distância antes de decaírem. Isto significa que a nossa suposição original não se aplica mais e temos que desenvolver abordagens completamente novas para ver também as partículas no detector que não se originam do ponto de colisão."
Especificamente, no modelo de Neubert, a partícula de Higgs primeiro decai em dois ALPs imediatamente no ponto da colisão da partícula. No entanto, os ALPs voam durante algum tempo antes de cada um decair em dois fotões, de modo que estes fotões são produzidos longe do ponto de colisão. "Chamamos esses eventos de vértice deslocado - um ponto de colisão deslocado, por assim dizer. Conseguimos agora fazer tal medição com fótons pela primeira vez."
Além disso, há outro desafio:se os ALPs forem comparativamente leves, os fótons nos quais eles decaem estarão muito próximos. O detector percebe os dois fótons como um único fóton – a menos que haja um novo algoritmo treinado para fazer exatamente isso:isto é, que possa reconhecer fótons que foram realmente reconstruídos como um fóton como dois fótons. "Fomos capazes de desenvolver tal algoritmo usando inteligência artificial na forma de redes neurais e, assim, resolver com sucesso sinais de fótons altamente colineares."
Mas há mais. Mesmo com algoritmos especialmente desenvolvidos, com os quais os pesquisadores podem cobrir uma área de pesquisa muito grande, eles não conseguem “capturar” todos os ALPs que desejam atingir. Para colmatar também esta lacuna, pretendem utilizar a experiência FASER, que entrou agora em operação num túnel lateral do LHC, a cerca de 480 metros atrás da experiência ATLAS.
O múon como laboratório de testes para uma nova física
Recentemente, a colaboração muon g-2 no Fermilab anunciou um novo valor de medição para o momento magnético anômalo que é duas vezes mais preciso que o anterior. O grupo de trabalho PRISMA+ liderado pelo Prof. Martin Fertl é o único na Alemanha que está envolvido com contribuições experimentais. A contrapartida é a iniciativa da teoria do múon g-2, uma associação mundial de mais de 130 físicos que lida com previsões teóricas no âmbito do modelo padrão.
Aqui, também, os grupos de trabalho de Mainz do Prof. cálculo de alta precisão das contribuições da interação forte usando os métodos de cromodinâmica quântica de rede no computador mainframe MOGON-II de Mainz.
Com base nos cálculos mais recentes, ainda não está claro se existe uma discrepância genuína entre a teoria e a experiência e, em caso afirmativo, que abordagens teóricas poderiam ser utilizadas para explicá-la. No entanto, demonstra mais uma vez a grande experiência do cluster PRISMA+ em Mainz na procura de uma nova física – e aqui em particular na interação entre teoria e experiência e na utilização de métodos complementares para responder às grandes questões da física moderna.
“Nosso trabalho publicado hoje é uma contribuição importante aqui, embora mostre que o espaço para modelos da nova física que podemos testar experimentalmente está cada vez menor”, diz Schott, categorizando o resultado. "No que diz respeito aos ALPs, estes ainda são candidatos promissores para a matéria escura, mas podemos muito provavelmente descartá-los como a causa de uma discrepância no momento magnético do múon."
Mais informações: Procure por partículas semelhantes a áxions de vida curta e longa em decaimentos H → aa → 4γ com o experimento ATLAS no LHC, arXiv (2023). DOI:10.48550/arxiv.2312.03306 Anne Mareike Galda et al, ALP-LEFT Interference and the Muon (g − 2), Journal of High Energy Physics (2023). DOI:10.1007/JHEP11(2023)015. No arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2308.01338
