Moriond 2017: ATLAS выполнил поиск новых частиц по исчезающим трекам

Пример распада метастабильной заряженной частицы, который выглядит во внутренней части детектора как исчезнувший трек. Рисунок с сайта atlas.cern

Среди теоретических моделей Новой физики есть немало таких, в которых новые частицы постулируются не по одиночке, а целыми семействами. Эти частицы могут быть тяжелыми, но близкими по массе. Легчайшая частица семейства может оказаться вообще стабильной, — так, собственно, строятся многие модели темной материи, — а чуть более тяжелые ее собратья могут распадаться на нее с испусканием обычных частиц. Если разница масс частиц внутри семейства мала, эти испущенные обычные частицы будут низкоэнергетическими. И тогда детектор имеет все шансы их не заметить.

Самая необычная разновидность такой ситуации — это когда новая тяжелая электрически заряженная частица, пролетев дистанцию в несколько сантиметров, распадается на чуть более легкую нейтральную частицу темной материи и обычный адрон, например, пи-мезон. Этот мезон, обладая совсем небольшим импульсом, очень круто поворачивает в магнитном поле детектора и вообще не долетает до его следующих слоев (см. рис.). Тогда с точки зрения детектора происходит поразительная вещь: сначала шел четкий трек, оставляемый заряженной частицей, а потом он вдруг оборвался, как будто заряд исчез в никуда!

Такое необычное проявление Новой физики, конечно, привлекает экспериментаторов: оно очень непохоже на стандартные методы поиска новых частиц и, к тому же, чувствительно ко вполне конкретным конструкциям за пределами Стандартной модели, в частности, к определенным суперсимметричным моделям. Однако и в таких экзотических событиях есть фон от обычных процессов.

Например, какая-то обычная заряженная частица может, пролетая сквозь тонкую пластинку пиксельного детектора, столкнуться с одним из ядер и отклониться вбок — и это, между прочим, происходит не так уж редко. Она продолжит лететь и дальше, но только в другую сторону. Детектор зарегистрирует ее дальнейший трек, но просто не «догадается», что это продолжение исходной траектории. В этом случае детектору покажется, что случае исходный трек просто оборвался. Другая разновидность ошибки — это когда детектор, наоборот, видит трек там, где его в реальности нет. Вполне может оказаться, что несколько совершенно разных частиц низкой энергии оставят сигналы в пикселях, которые случайно выстроятся в ряд. Детектор не поймет, что это совпадение, он подумает, что перед ним красивый, но короткий трек, который вдруг оборвался. В общем, изучая даже такие экзотические варианты, экспериментаторам приходится тщательно моделировать всевозможные инструментальные ошибки.

Недавно коллаборация ATLAS изучила этот вариант экзотических сигналов; предварительные результаты исследования были доложены на конференции Moriond (см. публикацию ATLAS-CONF-2017-017), а популярное изложение можно найти в заметке Quest for the lost arc на сайте ATLAS. Физики использовали информацию с нового внутреннего слоя пиксельного детектора, который был установлен в 2014 году во время двухлетней паузы на модернизацию. Физики разработали специальный алгоритм, который опознает такие обрывки треков (tracklets) и затем прогнали сквозь него псевдоданные, результаты моделирования, и реальные данные ATLAS. В целом, наблюдавшиеся распределения были похожи на чисто фоновые процессы. Тем не менее, в арсенале исследователей появился новый инструмент, дополняющий другие измерения, так что они планируют продолжить поиск обрывающихся треков в будущем.