Mentre il Large Hadron Collider (LHC) rompe i protoni a un'energia del centro di massa di 13 TeV, crea un ricco assortimento di particelle che vengono identificate attraverso la firma delle loro interazioni con il rivelatore ATLAS. Ma cosa succede se il collisore produce particelle che viaggiano attraverso ATLAS senza interagire? Queste "particelle invisibili" possono fornire le risposte ad alcuni dei più grandi misteri della fisica.

Un esempio è la materia oscura, che sembra costituire l'85 percento della massa dell'universo, ma non è stato ancora identificato in modo definitivo. Gli scienziati ne deducono l'esistenza attraverso osservazioni astrofisiche, compresa la formazione di galassie e la lente gravitazionale. Però, sanno di più su ciò che non è che su ciò che è. Non esiste un'unica teoria della materia oscura; previsioni diverse hanno implicazioni diverse per le sue proprietà e il modo in cui interagisce.

Le particelle invisibili prodotte nelle collisioni di LHC portano via energia, risultante in un apparente squilibrio nell'energia/momento delle particelle visibili osservate. Le teorie prevedono che se le particelle invisibili esistono, più eventi con grande squilibrio e altri modelli distintivi di particelle visibili potrebbero essere rilevati dall'esperimento ATLAS. Confrontare il numero di tali eventi previsti dalla teoria con il numero di eventi osservati nel rivelatore è un modo per cercare indirettamente particelle invisibili.

Sebbene si sia dimostrato un approccio di successo, ci sono limitazioni. E se i modelli teorici della materia oscura fossero sbagliati? E se un fenomeno completamente diverso fosse la causa delle particelle invisibili? Attualmente, quando i modelli teorici si rivelano errati, può essere difficile e richiedere molto tempo riutilizzare i dati per testare nuovi modelli. Per fare ciò è necessaria la comprensione di come queste particelle sono state registrate nei rivelatori, come sono stati selezionati gli eventi, e come sono stati modellati i processi del Modello Standard che imitano questi modelli di particelle.

I fisici di ATLAS hanno sviluppato un nuovo approccio basato sulla misurazione, che è progettato per essere indipendente dal rilevatore e consente una facile reinterpretazione dei dati in futuro. In questo approccio, una quantità R ^Perdere è definito, che è sensibile alla velocità di produzione e alle proprietà di qualsiasi particella invisibile. Questa quantità viene misurata rispetto a varie proprietà degli eventi di collisione, compresa la quantità di squilibrio del momento e l'energia/momento delle particelle visibili. Il valore di questa quantità insieme ai cambiamenti in queste proprietà misurate si trova a fornire sensibilità alle particelle invisibili. I decadimenti noti dei bosoni Z prodotti nelle collisioni di LHC in neutrini invisibili indicano che questa quantità è diversa da zero, anche in assenza di un nuovo fenomeno invisibile. Questa quantità viene accuratamente corretta per le inefficienze del rivelatore, lasciando una misurazione libera da bias sperimentali e indipendente da qualsiasi nuova ipotesi fisica (Figura 1). Qualsiasi fisico può quindi confrontare facilmente le previsioni del proprio modello con questa misurazione.

Per dimostrare il nuovo approccio, la misurazione viene utilizzata per testare tre modelli teorici della materia oscura nettamente diversi, dove è prodotto o (1) tramite la forza forte, (2) attraverso i decadimenti dei bosoni di Higgs, o (3) tramite la forza elettrodebole. Non si osservano prove di materia oscura e quindi ATLAS è in grado di porre vincoli rigorosi a queste teorie (Figura 2). I vincoli sono competitivi con gli approcci esistenti che mirano a testare queste teorie specifiche e complementari alle misurazioni da esperimenti di rilevamento indiretto basati sullo spazio.