ATLAS 利用 LHC Run 3 數(shù)據(jù)探索未知領(lǐng)域

盡管粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型在描述物質(zhì)的基本構(gòu)成要素及其相互作用方面取得了巨大成功，但它仍被認(rèn)為是不完整的。因此，全球和太空中的實(shí)驗(yàn)都在尋找新物理現(xiàn)象的跡象，以引導(dǎo)物理學(xué)家建立更全面的理論。

在 7 月 17 日至 24 日于布拉格舉行的兩年一度的ICHEP 會(huì)議上，ATLAS 合作項(xiàng)目展示了其在創(chuàng)紀(jì)錄碰撞能量下尋找新物理的首批成果，目標(biāo)是研究重離子碰撞中產(chǎn)生的磁單極子和質(zhì)子-質(zhì)子碰撞中產(chǎn)生的長壽命粒子。

磁單極子是一種假想粒子，只有一個(gè)北極或南極，因此帶磁。它們的存在將證明電和磁之間完全對(duì)稱。它還將證實(shí)標(biāo)準(zhǔn)模型之外的“大統(tǒng)一理論”的某些方面，這些理論將極高能量下的強(qiáng)力、弱力和電磁力統(tǒng)一起來。

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī) (LHC) 的研究人員正在尋找高能碰撞產(chǎn)生的單極子。單極子具有高度電離性，這意味著它們會(huì)從原子中剝離電子，并在粒子探測器中留下大量能量沉積物。

在對(duì)磁單極子進(jìn)行新搜索的過程中，ATLAS 合作項(xiàng)目分析了來自 LHC Run 3 的首個(gè)重離子(鉛-鉛)碰撞數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)于 2023 年秋季收集，其每對(duì)核子(質(zhì)子或中子)的能量高達(dá) 5.36 TeV，達(dá)到了前所未有的高能量。

具體來說，ATLAS 研究人員研究了超邊緣碰撞，在這種碰撞中，離子不會(huì)通過短程強(qiáng)相互作用在中心發(fā)生碰撞，而是通過距離較近但距離較遠(yuǎn)的電磁力進(jìn)行相互作用。鉛離子之間的碰撞可以產(chǎn)生宇宙中最大的磁場，強(qiáng)度高達(dá) 10 16特斯拉。

如果在這樣的相互作用中產(chǎn)生了一對(duì)磁單極子，那么它將是空探測器中唯一能發(fā)現(xiàn)的粒子系統(tǒng)，并且會(huì)表現(xiàn)為一團(tuán)濃縮的電離電子云。ATLAS 尋找獨(dú)特的信號(hào)特征并分析可能模仿這些特征的背景，但在 Run 3 重離子數(shù)據(jù)中沒有發(fā)現(xiàn)單極子的跡象。

因此，該結(jié)果為 120 GeV 以下的單極子質(zhì)量的超外圍重離子碰撞中產(chǎn)生的單極子產(chǎn)生率設(shè)定了世界上最好的極限。此外，該分析引入了一種研究 LHC 及更高級(jí)別的重離子數(shù)據(jù)中高度電離粒子的方法。

大多數(shù)新物理學(xué)搜索都在尋找能夠“迅速”衰變并產(chǎn)生源自 LHC 質(zhì)子-質(zhì)子相互作用點(diǎn)的衰變產(chǎn)物的新粒子。

然而，包括超對(duì)稱性在內(nèi)的超標(biāo)準(zhǔn)模型物理理論也預(yù)測了“長壽命粒子”，它們會(huì)在遠(yuǎn)離相互作用點(diǎn)的地方產(chǎn)生衰變產(chǎn)物。這種粒子需要專門的技術(shù)來重建粒子軌跡，而且可能在之前的搜索中沒有被發(fā)現(xiàn)。

ATLAS發(fā)布了對(duì)一對(duì)長壽命粒子的新搜索結(jié)果，每個(gè)粒子衰變成一個(gè)電子、μ 子或 τ 輕子，從而產(chǎn)生兩個(gè)從 ATLAS 相互作用點(diǎn)“移位”的粒子軌跡——這是一種可能預(yù)示著新物理學(xué)的罕見特征。

具體來說，ATLAS 尋找一種新的特征，其中一個(gè)長壽命粒子在衰變之前行進(jìn)得足夠遠(yuǎn)，以至于只能檢測到一個(gè)電子。

這是 ATLAS 首次使用LHC 第三次運(yùn)行中獲得的13.6 TeV 質(zhì)子-質(zhì)子碰撞數(shù)據(jù)進(jìn)行此類搜索。在第三次運(yùn)行的準(zhǔn)備過程中，ATLAS 研究人員通過重建位移軌跡增強(qiáng)了在線碰撞事件選擇(“觸發(fā)器”)，從而能夠搜索新的長壽命粒子。

所有搜索區(qū)域的事件產(chǎn)量均符合標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)期。這些結(jié)果對(duì)電子、μ子和τ輕子的長壽命超對(duì)稱伙伴設(shè)定了迄今為止最嚴(yán)格的限制。

利用來自 LHC 及其未來升級(jí)版高亮度 LHC 的更多數(shù)據(jù)，ATLAS 物理學(xué)家將繼續(xù)尋找長壽命粒子、磁單極子和其他假設(shè)粒子，同時(shí)進(jìn)一步改進(jìn)他們的搜索技術(shù)并開發(fā)新的實(shí)驗(yàn)策略。

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