L'aggiornamento ad alta luminosità del Large Hadron Collider (HL-LHC) dovrebbe iniziare a far collidere protoni nel 2026. Questo importante miglioramento dell'acceleratore di punta del CERN aumenterà il numero totale di collisioni nell'esperimento ATLAS di un fattore 10. Per far fronte a con questo aumento, ATLAS sta preparando una complessa serie di aggiornamenti tra cui l'installazione di nuovi rilevatori che utilizzano tecnologie all'avanguardia, la sostituzione dell'elettronica obsoleta, e l'aggiornamento del suo sistema di trigger e acquisizione dati.

Quali opportunità di scoperta saranno a portata di ATLAS con l'aggiornamento HL-LHC? Con che precisione i fisici saranno in grado di misurare le proprietà del bosone di Higgs? Fino a che punto saranno in grado di sondare i processi del Modello Standard alla ricerca di segni di nuova fisica? La collaborazione ATLAS ha svolto e pubblicato decine di studi per rispondere a queste domande, i cui risultati sono stati un prezioso contributo alle discussioni tenutosi questa settimana al Simposio sulla Strategia Europea per la Fisica delle Particelle, a Granata, Spagna.

"Studiare il potenziale di scoperta dell'HL-LHC è stato un compito affascinante associato agli aggiornamenti di ATLAS, "dice Simone Pagan Griso, Co-convocatore del gruppo ATLAS Upgrade Physics. "I risultati sono informativi non solo per la collaborazione ATLAS ma per l'intera comunità globale di fisica delle particelle, mentre rivalutano le opportunità e le sfide che ci attendono". questi studi stabiliscono importanti parametri di riferimento per le prossime generazioni di esperimenti di fisica delle particelle.

Pagan Griso ha lavorato con Leandro Nisati, il rappresentante di ATLAS nel comitato direttivo "Rapporto giallo" di HL-LHC Physics Potential, e co-organizzatore del gruppo ATLAS Upgrade Physics Group, Sarah Demer, coordinare questi studi per la collaborazione. "Un rapporto giallo del CERN, con la pubblicazione nella sua forma definitiva imminente, combinerà i risultati di ATLAS con quelli di altri esperimenti di LHC, così come input da fisici teorici, "dice Nisati.

Stima delle prestazioni di una macchina non ancora costruita, che opererà in circostanze che non sono mai state affrontate, era un compito complesso per il team di ATLAS. "Abbiamo adottato due approcci paralleli, " spiega Demers. "Per una serie di proiezioni di analisi, abbiamo iniziato con le simulazioni delle difficili condizioni sperimentali di HL-LHC. Questi eventi fisici simulati sono stati quindi passati attraverso un software personalizzato per mostrarci come le particelle avrebbero interagito con un rivelatore ATLAS aggiornato. Abbiamo quindi sviluppato nuovi algoritmi per cercare di raccogliere i segnali fisici dalla quantità impegnativa di eventi di fondo." Affrontare un fondo abbondante sarà una complicazione comune per il funzionamento di HL-LHC.

Seguendo questo approccio, il team ha scoperto che il set di dati HL-LHC consentirà ad ATLAS di cacciare nuovi massicci bosoni Z (denotati Z') pesanti fino a 6,5 ​​TeV, e cercare nuovi bosoni W' fino a 7,9 TeV di massa. "Questo metodo è stato utile in quanto ci ha insegnato la potenziale portata fisica del rivelatore ATLAS aggiornato, ma aveva anche i suoi limiti, " dice Demers. "La nostra esperienza ha dimostrato che, quando acquisiamo familiarità con il funzionamento del rivelatore e dell'acceleratore, siamo in grado di migliorare le nostre tecniche di acquisizione dati e avere nuove idee per le analisi fisiche. È difficile quantificare il miglioramento che porterà un decennio di riflessione e di duro lavoro!"

Il secondo approccio utilizzato nelle proiezioni fisiche HL-LHC ha utilizzato i migliori risultati fisici attuali di ATLAS. Il team ha considerato quali componenti delle analisi avrebbero dovuto migliorare, degradare o rimanere lo stesso nelle nuove condizioni HL-LHC. Il ricco panorama della fisica del bosone di Higgs era di notevole interesse, in quanto il suo studio è tra gli obiettivi primari dell'aggiornamento HL-LHC. Il grande set di dati atteso dall'HL-LHC sarà essenziale per scoprire molte delle incognite del bosone di Higgs.

"Utilizzando gli attuali risultati della fisica ATLAS, abbiamo proiettato incertezze inferiori al 5% sulle misurazioni dei tassi di cinque tipi di decadimenti del bosone di Higgs:a b quark, a taus, ai bosoni W, ai bosoni Z e ai fotoni, " dice Pagan Griso. "Secondo queste proiezioni, saremo anche molto sensibili ai rari decadimenti del bosone di Higgs, come il suo decadimento in muoni."

Questo secondo metodo ha beneficiato della completa sofisticatezza e ottimizzazione delle attuali analisi di ATLAS. Però, a differenza del primo approccio, non poteva considerare direttamente i miglioramenti che il rivelatore ATLAS aggiornato porterà. Né può stimare completamente quanto l'analisi fisica diventerà più difficile nelle condizioni estreme dell'HL-LHC. Come tale, una combinazione dei due approcci fornisce la migliore previsione possibile del potenziale fisico di ATLAS all'HL-LHC.

Nel corso di questo studio, ATLAS ha pubblicato oltre 40 note pubbliche che documentano i risultati di oltre 80 canali di analisi. Questi risultati sono tutti pubblicamente disponibili e forniranno informazioni sulle strategie di definizione delle priorità per i fisici di tutto il mondo. "Questi studi rappresentano la nostra migliore comprensione dell'enorme potenziale della fisica in attesa di ATLAS, " conclude Demers. "È emozionante avere davanti a noi opportunità del genere, mentre continuiamo a imparare dall'attuale set di dati di LHC e lavoriamo per massimizzare le informazioni sul nostro Universo che ATLAS può fornire".