Невидимое в ловушке света экспресс
На Большом адронном коллайдере протоны сталкиваются почти со скоростью света. Иногда они не разбиваются, а обмениваются фотонами — частицами света. Эти фотоны могут породить пару: одну частицу, которую детектор видит, и другую, которая улетает незамеченной. Такой процесс похож на игру в бильярд, где после удара один шар остаётся на столе, а второй исчезает в лузе, не оставив следа.
Учёные из коллаборации ATLAS использовали специальные детекторы, которые ловят протоны, отлетевшие после столкновения. По энергии этих протонов они восстановили полную энергию пары, рождённой фотонами. Затем вычли энергию видимой частицы и получили «недостающую массу» — массу невидимой частицы. Это как взвесить коробку с подарком, не открывая её: сначала взвесить всю коробку, потом вычесть вес самой коробки.
В диапазоне масс от 100 до 900 гигаэлектронвольт (примерно от 100 до 900 масс протона) физики не увидели значимого превышения над ожиданиями Стандартной модели. Это значит, что новые частицы, если они существуют, рождаются реже, чем можно было бы заметить в этих данных. Были установлены верхние пределы на частоту таких процессов — от 128 до 2.5 фемтобарн в зависимости от модели.
Такой метод — как прослушивание тишины в комнате, где ожидался шум. Если тишина слишком чистая, можно сказать, насколько громким мог бы быть звук, который мы не услышали. Теперь физики знают, что в этом диапазоне масс невидимые частицы не рождаются слишком часто, и это сужает поле для будущих поисков.
Оригинальная аннотация
как её написали авторы, на английском arXiv:2603.20837
A search is conducted in proton-proton collisions at the Large Hadron Collider for photon-induced production $$pp\rightarrow pp+ \gamma \gamma, (\gamma\gamma\rightarrow VX)$$ of a visible particle $$V$$ decaying into a pair of same-flavour charged leptons ($$e^+e^-$$ or $$\mu^+\mu^-$$) and an undetected invisible component $$X$$. Measurements of the outgoing proton energies by the ATLAS forward proton spectrometer allow the full photon-photon four-momentum to be reconstructed. By subtracting the visible four-momentum of the central system measured with the ATLAS detector, the 'missing mass' of any event components not detected in the central region can be reconstructed, enabling the reconstruction of $$X$$ without knowing its properties, thus allowing the search to be model-independent. A search for a narrow resonance is performed in the missing-mass spectrum between 100 GeV and 900 GeV. The analysis uses data collected in 2017 from proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of $$\sqrt{s} =$$ 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 14.7 fb$$^{-1}$$. No significant excess over the Standard Model expectation is observed and upper limits at 95% confidence level are set on the fiducial cross sections for three different signal models in the range between 128 and 2.5 fb. Additionally, model-independent limits are set on the visible cross section of BSM processes, for two sets of selection criteria. Both individual lepton flavour decay channels of the visible boson and a combination of the two channels are considered.
Энергия столкновений на Большом адронном коллайдере в 13 тераэлектронвольт в миллионы раз больше, чем у частиц в солнечном ветре.
Идея невидимых частиц, уносящих энергию, напоминает сюжеты о тёмной материи, которая взаимодействует с нашим миром только через гравитацию.