Visualizzazione di un evento candidato per nuove particelle pesanti che decadono in due elettroni nell'esperimento ATLAS. Credito:Collaborazione ATLAS/CERN
Potrebbe una Teoria della Grande Unificazione risolvere i restanti misteri del Modello Standard? Se verificato, fornirebbe un'elegante descrizione dell'unificazione delle forze del Modello Standard ad energie molto elevate, e potrebbe anche spiegare l'esistenza della materia oscura e delle masse di neutrini. I fisici dell'esperimento ATLAS del CERN stanno cercando prove di nuove particelle pesanti previste da tali teorie, compreso un bosone di gauge Z' neutro.
La collaborazione ATLAS ha rilasciato il suo primissimo risultato utilizzando il suo intero set di dati Large Hadron Collider (LHC) Run 2, raccolti tra il 2015 e il 2018. Questa analisi ricerca nuove particelle pesanti che decadono in stati finali dileptonici, dove i leptoni sono due elettroni o due muoni. Questo è uno dei decadimenti più sensibili per la ricerca di nuova fisica, grazie all'eccellente risoluzione di energia e momento del rivelatore ATLAS per i leptoni e alla forte differenziazione segnale-sfondo come risultato della semplice firma a due leptoni.
Il nuovo risultato di ATLAS impiega anche un nuovo approccio basato sui dati per stimare lo sfondo del modello standard. Mentre l'analisi precedente utilizzava prevalentemente simulazioni per la previsione del background ed era condotta con una frazione dei dati, questa nuova analisi sfrutta il vasto set di dati di Run 2 adattando i dati osservati a una forma funzionale motivata e convalidata dalla nostra comprensione dei processi del modello standard che contribuiscono a questi eventi. Se presente, le nuove particelle apparirebbero come protuberanze sopra una forma di sfondo che cade dolcemente, rendendoli facili da identificare (vedi Figura 2). Questo è simile a uno dei modi in cui il bosone di Higgs è stato scoperto nel 2012, attraverso il suo decadimento a due fotoni.
Distribuzione della massa di elettroni misurata per i dati (punti neri), insieme al risultato dell'adattamento totale dello sfondo viene mostrato (linea continua rossa), con varie possibili distribuzioni del segnale Z' sovrapposte (linea rossa tratteggiata). Il pannello secondario mostra il significato della deviazione tra i dati osservati e la previsione di fondo in ogni bin della distribuzione. Credito:Collaborazione ATLAS/CERN
Oltre a sondare territori inesplorati alla ricerca di nuova fisica, una grande quantità di lavoro in questa analisi è stata dedicata alla comprensione del rivelatore ATLAS e alla collaborazione con i vari gruppi di prestazioni del rivelatore per migliorare l'identificazione di elettroni e muoni ad altissima energia. Ciò includeva la contabilizzazione della molteplicità di tracce nella parte interna del rivelatore, poiché è aumentato continuamente a causa dell'aumento del numero medio di collisioni protone-protone per incrocio di grappoli durante la corsa 2.
Finora non è stato osservato alcun segno significativo di nuova fisica. Il risultato stabilisce vincoli rigorosi sulla velocità di produzione di vari tipi di ipotetiche particelle Z'. Oltre a fissare limiti di esclusione su specifici modelli teorici, il risultato è stato fornito anche in un formato generico che consente ai fisici di reinterpretare i dati sotto diverse ipotesi teoriche. Questo studio ha approfondito l'esplorazione della fisica alla frontiera energetica; I fisici di ATLAS sono entusiasti di analizzare ulteriormente l'ampio set di dati di Run 2.
