Il gruppo di ricerca del professor Matthias Schott del PRISMA+ Cluster of Excellence dell'Università Johannes Gutenberg di Magonza (JGU) ha pubblicato i risultati di una vasta serie di misurazioni presso il rivelatore ATLAS del Large Hadron Collider (LHC) sul arXiv server di prestampa. I dati sono stati registrati durante la seconda fase di esecuzione dell'LHC tra il 2015 e il 2018.
Lo scopo di questo impegnativo programma di misurazione sperimentale è quello di cercare particelle simili ad assioni che potrebbero essere prodotte in alcuni decadimenti della particella di Higgs e poiché nuove particelle potrebbero spiegare la deviazione del momento magnetico anomalo del muone determinato sperimentalmente dalla sua previsione teorica .
L'opera rappresenta la prova sperimentale di un modello di assioni sviluppato dal Prof. Dr. Matthias Neubert, fisico teorico e portavoce di PRISMA+, ed è quindi un esempio ideale della preziosa interazione tra teoria ed esperimento presso il sito di Magonza.
Gli assioni sono ipotetiche particelle elementari inizialmente postulate per risolvere un difetto teorico dell'interazione forte, il cosiddetto problema della CP forte. Per molti anni, anche gli assioni o le particelle simili agli assioni (ALP) sono stati considerati candidati promettenti per la materia oscura.
"In questo contesto, i fisici hanno sviluppato numerosi esperimenti per cercare soprattutto ALP molto leggere", spiega Schott. "Per la prima volta, abbiamo proposto e implementato un programma di ricerca dettagliato nell'esperimento ATLAS dell'LHC, con il quale cerchiamo specificamente ALP relativamente pesanti, che a loro volta potrebbero spiegare l'enigma del momento magnetico anomalo del muone, come Matthias Neubert ha mostrato un modello sviluppato qualche anno fa."
Insieme a Martin Bauer e Andrea Thamm, Neubert nel 2017 ha ipotizzato che ATLAS potrebbe essere utilizzato per cercare una gamma molto ampia di masse assioniche adatte con una sensibilità molto elevata. Per Schott, questo è stato il punto di partenza per l'accettazione della domanda di finanziamento CER. "Ho testato gran parte dello spazio dei parametri del modello di Neubert con il mio gruppo nell'ambito di questa sovvenzione del CER e siamo molto lieti di poter ora pubblicare i primi risultati."
Neubert, da parte sua, ha chiarito l'effetto atteso delle ALP sulla quantità di moto dei muoni in un recente articolo pubblicato sul Journal of High Energy Physics con Anne Galda.
La serie di misurazioni si basa sull'idea che i potenziali ALP devono accoppiarsi sia al muone che ai fotoni per spiegare l'anomalia nel momento magnetico del muone. Nello specifico, i ricercatori hanno studiato una catena di decadimento teoricamente postulata in cui una particella di Higgs decade prima in due ALP, e questi a loro volta in due fotoni ciascuno (H à aa à 4ƴ). Lo scopo era rilevare l'accoppiamento delle ALP con i fotoni di questa catena.
"Non abbiamo trovato segnali evidenti che potrebbero indicare ALP corrispondenti", spiega Schott. "Nell'area esaminata possiamo quindi escludere con la massima probabilità l'accoppiamento assione-fotone." Tuttavia, poiché per la prima volta il gruppo di ricerca è riuscito a ricercare un intervallo di parametri molto ampio ed è risultato sei ordini di grandezza più sensibile rispetto alle misurazioni precedenti, in particolare per quanto riguarda la forza di accoppiamento, è riuscito a stabilire i limiti di esclusione più severi fino ad oggi per la massa e la forza di accoppiamento delle ALP.
Neubert dice:"La particolarità di questa misurazione è che gli ALP possono potenzialmente essere rilevati tramite la fisica di Higgs. Siamo nel campo delle alte energie della fisica delle particelle e possiamo quindi rintracciare la discrepanza nel momento magnetico anomalo del muone attraverso la conversione di alti -particelle di energia. Questo è un approccio complementare alla misurazione diretta delle proprietà del muone nell'intervallo a bassa energia come parte dell'esperimento sul muone g-2, che è proprio ciò che lo rende così entusiasmante."
Il processo di decadimento studiato dal gruppo di Schott è sperimentalmente molto impegnativo, principalmente perché i fotoni da rilevare dal decadimento ALP non vengono prodotti nel punto di collisione del rivelatore. "Nelle normali collisioni di particelle, le particelle si incontrano sempre esattamente al centro del rilevatore. E per qualsiasi nuova particella che viene creata in questa collisione, generalmente presupponiamo che il suo viaggio inizi proprio nel punto di collisione. I normali algoritmi e calibrazioni di cui disponiamo sono basandosi proprio su questa ipotesi", spiega Schott.
"Tuttavia, se vengono create nuove particelle che 'vivono' abbastanza a lungo, allora queste particelle prima volano per una breve distanza prima di decadere. Ciò significa che la nostra ipotesi originale non si applica più e dobbiamo sviluppare approcci completamente nuovi per vedere anche le particelle nel rilevatore che non hanno origine dal punto di collisione."
Nello specifico, nel modello di Neubert, la particella di Higgs decade prima in due ALP immediatamente nel punto della collisione della particella. Tuttavia, gli ALP volano per un po' prima di decadere ciascuno in due fotoni, in modo che questi fotoni vengano prodotti lontano dal punto di collisione. "Chiamiamo questi eventi con un vertice spostato:un punto di collisione spostato, per così dire. Ora siamo riusciti a effettuare una misurazione del genere con i fotoni per la prima volta."
Inoltre, c’è un’altra sfida:se le ALP sono relativamente leggere, i fotoni in cui decadono sono molto vicini tra loro. Il rilevatore percepisce i due fotoni come un singolo fotone, a meno che non esista un nuovo algoritmo addestrato a fare proprio questo:cioè in grado di riconoscere come due fotoni i fotoni che sono stati effettivamente ricostruiti come un fotone. "Siamo stati in grado di sviluppare un algoritmo di questo tipo utilizzando l'intelligenza artificiale sotto forma di reti neurali e quindi risolvere con successo i segnali provenienti da fotoni altamente collineari."
Ma c'è di più. Anche con gli algoritmi appositamente sviluppati, con i quali i ricercatori possono coprire un'area di ricerca molto ampia, non riescono a "catturare" tutti gli ALP che vogliono prendere di mira. Per colmare anche questa lacuna, vogliono utilizzare l'esperimento FASER, che ora è entrato in funzione in un tunnel laterale dell'LHC a circa 480 metri dietro l'esperimento ATLAS.
Proprio di recente, la collaborazione muon g-2 del Fermilab ha annunciato un nuovo valore di misurazione del momento magnetico anomalo che è due volte più accurato del precedente. Il gruppo di lavoro PRISMA+ guidato dal Prof. Dr. Martin Fertl è l'unico in Germania a fornire contributi sperimentali. La controparte è l'iniziativa della teoria del muone g-2, un'associazione mondiale di oltre 130 fisici che si occupa di previsioni teoriche nel quadro del modello standard.
Anche in questo caso i gruppi di lavoro di Magonza del Prof. Dr. Achim Denig, Prof. Dr. Harvey Meyer, Prof. Dr. Marc Vanderhaeghen e Prof. Dr. Hartmut Wittig apportano numerosi contributi importanti, dalla misurazione delle variabili di input sperimentali alla misurazione calcolo ad alta precisione dei contributi dell'interazione forte utilizzando i metodi della cromodinamica quantistica reticolare sul computer mainframe MOGON-II di Magonza.
Sulla base dei calcoli più recenti non è ancora chiaro se esista una reale discrepanza tra teoria ed esperimento e, in caso affermativo, con quali approcci teorici si possa spiegare tale discrepanza. Tuttavia, dimostra ancora una volta la grande competenza del cluster PRISMA+ di Magonza nella ricerca di nuova fisica, e qui in particolare nell'interazione tra teoria ed esperimento e nell'uso di metodi complementari per rispondere alle grandi domande della fisica moderna.
"Il nostro lavoro pubblicato oggi è un contributo importante in questo senso, anche se mostra che lo spazio per i modelli della nuova fisica che possiamo testare sperimentalmente sta diventando sempre più piccolo", dice Schott, classificando il risultato. "Per quanto riguarda le ALP, queste sono ancora promettenti candidati per la materia oscura, ma molto probabilmente possiamo escluderle come causa di una discrepanza nel momento magnetico del muone."
Ulteriori informazioni: Cerca particelle simili ad assioni a vita breve e lunga nei decadimenti H → aa → 4γ con l'esperimento ATLAS all'LHC, arXiv (2023). DOI:10.48550/arxiv.2312.03306
Anne Mareike Galda et al, Interferenza ALP-LEFT e muone (g − 2), Journal of High Energy Physics (2023). DOI:10.1007/JHEP11(2023)015. Su arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2308.01338
Informazioni sul giornale: arXiv
Fornito dall'Università Johannes Gutenberg di Magonza
