Figura 1:Un evento monojet registrato dall'esperimento ATLAS nel 2017, con un singolo getto di momento trasversale di 1,9 TeV che rinculo contro il corrispondente momento trasversale mancante (MET). Le barre verdi e gialle mostrano i depositi di energia nei calorimetri elettromagnetici e adronici, rispettivamente. Il MET è mostrato come la linea tratteggiata rossa sul lato opposto del rivelatore. Credito:Collaborazione ATLAS/CERN
La natura della materia oscura rimane uno dei grandi enigmi irrisolti della fisica fondamentale. Non spiegato dal modello standard, la materia oscura ha portato gli scienziati a sondare nuovi modelli fisici per comprenderne l'esistenza. Molti di questi scenari teorici postulano che le particelle di materia oscura potrebbero essere prodotte nelle intense collisioni protone-protone ad alta energia dell'LHC. Mentre la materia oscura sfuggirebbe invisibile all'esperimento ATLAS al CERN, potrebbe essere occasionalmente accompagnato da un visibile getto di particelle irradiate dal punto di interazione, fornendo così un segnale rilevabile.
La collaborazione ATLAS ha cercato di trovare proprio questo, rilasciando una nuova ricerca per nuovi fenomeni negli eventi di collisione con getti e alto momento trasverso mancante (MET). La ricerca è stata progettata per scoprire eventi che potrebbero indicare l'esistenza di processi fisici che si trovano al di fuori del Modello Standard e, così facendo, aprire una finestra sul cosmo.
Per identificare tali eventi, i fisici sfruttarono il principio della conservazione della quantità di moto nel piano del rivelatore trasversale, cioè perpendicolare alla direzione del raggio, alla ricerca di getti visibili che si ritraggono da qualcosa di invisibile. Poiché gli eventi con i jet sono comuni all'LHC, i fisici hanno ulteriormente affinato i loro parametri:gli eventi dovevano avere almeno un getto altamente energetico e un MET significativo, generato dallo squilibrio di moto delle particelle "invisibili". Questo è noto come evento monojet, un esempio spettacolare del quale può essere visto nella Figura 1, un display dell'evento 2017 con il monojet con il più slancio (1,9 TeV) registrato finora da ATLAS.
Una pletora di fenomeni esotici, non direttamente rilevabile da esperimenti con collisore, potrebbe anche aver prodotto questa caratteristica firma monojet. I fisici di ATLAS hanno quindi deciso di rendere il loro studio comprensivo di diversi nuovi modelli fisici, compresi quelli caratterizzati da supersimmetria, energia oscura, grandi dimensioni spaziali extra, o particelle simili ad assioni.
Figura 2:Distribuzione del momento trasversale mancante dopo la selezione del monojet nei dati e nelle previsioni del modello standard. I diversi processi di sfondo sono mostrati con i colori. Le distribuzioni attese dell'energia oscura, scenari di particelle massicce supersimmetriche e debolmente interagenti sono illustrati con linee tratteggiate. Credito:Collaborazione ATLAS/CERN
L'evidenza di nuovi fenomeni verrebbe vista in un eccesso di eventi di collisione con MET di grandi dimensioni rispetto alle aspettative del modello standard. La previsione accurata dei diversi contributi di fondo è stata una sfida chiave, poiché molti processi del Modello Standard abbondanti potrebbero imitare esattamente la topologia del segnale, come la produzione di un getto più un bosone Z, che poi decade in due neutrini che lasciano anche ATLAS senza essere rilevati direttamente.
I fisici hanno utilizzato una combinazione di tecniche basate sui dati e calcoli teorici di alta precisione per stimare lo sfondo del modello standard. L'incertezza di fondo totale nella regione del segnale varia da circa l'1% al 4% nell'intervallo di MET tra 200 GeV e 1,2 TeV. La forma dello spettro MET è stata utilizzata per migliorare il potere di discriminazione tra segnali e sfondi, aumentando così il potenziale di scoperta. La Figura 2 mostra un confronto dello spettro MET osservato nell'intero set di dati raccolto dall'esperimento ATLAS durante il Run 2 (2015-2018), e l'aspettativa del Modello Standard.
Non essendo stato osservato un eccesso significativo, i fisici hanno utilizzato il livello di accordo tra i dati e la previsione per fissare limiti ai parametri dei nuovi modelli fisici. Nel contesto di particelle massicce che interagiscono debolmente (un popolare candidato alla materia oscura), I fisici di ATLAS sono stati in grado di escludere masse di particelle di materia oscura fino a circa 500 GeV e mediatori di interazione vettore assiale fino a 2 TeV, entrambi al livello di confidenza del 95%. Questi risultati forniscono finora i limiti di materia oscura più rigorosi negli esperimenti di collisione, e una pietra miliare del programma di ricerca ATLAS.
