Частицы-невидимки: охота на долгожителей в ATLAS экспресс
Камешек падает в пруд, и по воде расходятся круги. Но иногда камешек не сразу уходит на дно: он скользит под поверхностью, проплывает несколько метров и лишь потом всплывает, порождая круги в неожиданном месте. Так физики ищут долгоживущие частицы: они рождаются в столкновении протонов, летят сквозь детектор незамеченными, а затем распадаются на обычные частицы вдали от точки рождения.
В эксперименте ATLAS на Большом адронном коллайдере охотились именно за такими «запоздалыми кругами» — распадами на пары заряженных лептонов (электронов или мюонов) в стороне от места столкновения протонов. Для этого перебрали данные, собранные за четыре года работы коллайдера на энергии 13 ТэВ. Искали события, где две заряженные частицы вылетают из одной точки, удалённой от оси пучка. Такая точка — «вершина» — как раз и выдаёт распад долгожителя.
Учёные проверили несколько теоретических сценариев. В одном из них новая тяжёлая частица распадается на пару лёгких долгожителей, которые затем дают пары лептонов. В других — речь о вариантах суперсимметрии, где нейтралино (гипотетический партнёр фотона или бозона Хиггса) живёт достаточно долго, чтобы улететь от точки рождения, и распадается на лептоны и нейтрино. Массы таких частиц в моделях варьировались от 100 ГэВ до 2,2 ТэВ, а «длина пробега» — от миллиметра до десяти метров.
Отсутствие сигнала позволило установить новые верхние пределы на вероятность рождения таких частиц. Для нескольких моделей эти пределы стали самыми строгими в мире, а часть диапазона масс и времён жизни вообще впервые попала под прямое экспериментальное ограничение. Теперь теоретикам придётся уточнять свои предсказания, а экспериментаторам — искать долгожителей в других каналах распада или на будущих коллайдерах.
Оригинальная аннотация
как её написали авторы, на английском arXiv:2601.05664
A search is presented for long-lived particles decaying into an oppositely charged lepton pair, $$\mu^{+}\mu^{-}$$, $$e^{+}e^{-}$$, or $$e^{\pm}\mu^{\mp}$$, that form a vertex within the inner tracking system of the ATLAS detector at the Large Hadron Collider, displaced from the primary proton-proton interaction region. The analysis uses the 140 fb$$^{-1}$$ of Run-2 data collected at $$\sqrt{s}=13$$ TeV by the ATLAS experiment in 2015-2018. The results of the analysis are interpreted in the context of three benchmark models covering masses from 0.1 to 2.2 TeV and a range of mean proper lifetimes times the speed of light from 1 to 10000 mm. The first model is a generic $$Z'$$ boson pair-produced by a new heavy scalar, with the $$Z'$$ decaying into lepton pairs. The remaining two models are $$R$$-parity violating supersymmetric models in which the lightest neutralino $$\tilde{\chi}^{0}_{1}$$ decays into $$\ell^{+}\ell^{'-} u$$ ($$\ell, \ell^{'} = e$$, $$\mu$$). The models differ by the mode of production of the $$\tilde{\chi}^{0}_{1}$$, which can be produced via the decay of pairs of gluinos or of pairs of charginos and neutralinos ($$\tilde{\chi}_{1}^{\pm}\tilde{\chi}_{1}^{0}$$, $$\tilde{\chi}_{1}^{\pm}\tilde{\chi}_{2}^{0}$$, or $$\tilde{\chi}_{2}^{0}\tilde{\chi}_{1}^{0}$$). Although each benchmark sample includes pair-produced LLPs, only a single vertex is required to be reconstructed. No dilepton displaced vertex candidate is observed and the results are presented as upper limits on the production cross-sections. This analysis sets leading limits on the production cross-sections for multiple models, including parameter space that has never been directly probed.
Долгоживущие частицы могут пролетать сквозь детектор несколько метров, прежде чем распасться, — это как если бы пуля, выпущенная из ружья, разрывалась не у ствола, а в сотне метров от стрелка.