L'efficienza di ricostruire un leptone dal decadimento di una particella longeva, misurato in eventi simulati, mostrato in funzione della distanza tra la traccia leptonica e il punto di collisione (d0). I cerchi blu pieni mostrano l'efficienza utilizzando le tecniche di ricostruzione ATLAS standard. I quadrati viola pieni indicano l'efficienza utilizzando un tracciamento aggiuntivo per le particelle spostate e criteri di identificazione speciali sviluppati per questa ricerca. Credito:Collaborazione ATLAS/CERN
Nonostante i suoi decenni di successi predittivi, ci sono importanti fenomeni lasciati inspiegabili dal Modello Standard della fisica delle particelle. Devono esistere teorie aggiuntive che possano descrivere completamente l'universo, anche se le firme definitive di particelle oltre il Modello Standard devono ancora presentarsi.
I ricercatori dell'esperimento ATLAS al CERN stanno ampliando il loro vasto programma di ricerca per cercare firme più insolite di fisica sconosciuta, come particelle di lunga durata. Queste nuove particelle avrebbero tempi di vita compresi tra 0,01 e 10 ns; per confronto, il bosone di Higgs ha una durata di 10
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ns. Una teoria che motiva naturalmente le particelle a vita lunga è la supersimmetria (SUSY). SUSY prevede che ci siano particelle "superpartner" corrispondenti alle particelle del Modello Standard con proprietà di spin differenti.
Una nuova ricerca della collaborazione ATLAS cerca i superpartner dell'elettrone, muone e tau leptone, chiamati "sleptoni" ("selectron", "smuon", e "stau", rispettivamente). La ricerca considera scenari in cui i sleptoni verrebbero prodotti in coppia e si accoppiano debolmente ai loro prodotti di decadimento e quindi diventerebbero longevi. In questo modello, ogni sleptone di lunga vita percorrerebbe una certa distanza (a seconda della sua vita media) attraverso il rivelatore prima di decadere in un leptone del Modello Standard e in una particella leggera non rilevabile. I fisici osserverebbero quindi due leptoni che sembrano provenire da luoghi diversi da quelli in cui si è verificata la collisione protone-protone.
Limiti superiori fissati dall'analisi sulla vita di possibili sleptoni in funzione della massa sletonica. Le linee continue indicano il limite osservato, le linee tratteggiate mostrano il limite previsto in caso di assenza di fluttuazioni statistiche, e le regioni colorate sono escluse dal risultato dell'analisi. L'area esclusa è più piccola per staus rispetto a selettoni e smuoni perché dipende dal taus del Modello Standard prodotto che decade in elettroni o muoni. La dipendenza dei limiti dalla massa slettonica deriva principalmente dalla sezione d'urto di produzione della coppia sletonica che decresce fortemente con la massa. Credito:Collaborazione ATLAS/CERN
Questa firma unica ha rappresentato una sfida per i fisici. Sebbene molte teorie prevedano particelle che potrebbero viaggiare nel rivelatore ATLAS per un po' di tempo prima di decadere, la tipica ricostruzione e analisi dei dati è orientata verso nuove particelle che decadrebbero istantaneamente, come fanno le particelle pesanti del Modello Standard. I fisici di ATLAS hanno quindi dovuto sviluppare nuovi metodi per identificare le particelle al fine di aumentare la probabilità di ricostruire questi leptoni "spostati". In questa analisi sono stati studiati solo elettroni e muoni spostati, ma i risultati potrebbero essere applicati anche a taus, poiché taus decade prontamente in un elettrone o un muone in circa un terzo dei casi.
Poiché le particelle create dal decadimento di una particella a vita lunga apparirebbero lontane dalla collisione, possono sorgere sorgenti di fondo insolite:fotoni erroneamente identificati come elettroni, muoni misurati male, e muoni di raggi cosmici mal misurati. I muoni dei raggi cosmici provengono da particelle ad alta energia che entrano in collisione con la nostra atmosfera e possono attraversare il rivelatore ATLAS. Poiché non passano necessariamente attraverso il rivelatore vicino al punto di collisione, possono apparire come se provenissero da un decadimento di particelle di lunga durata. I fisici di ATLAS hanno sviluppato tecniche non solo per ridurre i contributi di queste fonti, ma anche per stimare quanto ciascuna di esse contribuisce alla ricerca.
L'analisi non ha rilevato eventi di collisione con leptoni spostati che hanno superato i requisiti di selezione, un risultato coerente con la bassa abbondanza di fondo attesa. Utilizzando questi risultati, i fisici fissano limiti alla massa del sonno e alla durata. Per la durata del sonno a cui questa ricerca è più sensibile (circa 0,1 nanosecondi) ATLAS è stata in grado di escludere selettori e smuoni fino a una massa di circa 700 GeV, e staus fino a circa 350 GeV. I precedenti migliori limiti su queste particelle a vita lunga erano di circa 90 GeV e provenivano dagli esperimenti sul Large Electron-Positron Collider (LEP), Il predecessore del CERN dell'LHC. Questo nuovo risultato è il primo a fare una dichiarazione su questo modello utilizzando i dati di LHC.
