Moriond 2017: ATLAS выполнил поиск новых частиц по исчезающим трекам
Пример распада метастабильной заряженной частицы, который выглядит во внутренней части детектора как исчезнувший трек

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.

Read Full Article