喷射到黑暗的一面：ATLAS对暗物质的精确搜索

时间：2021-10-20 12:52:02 来源：

图1：ATLAS实验在2017年记录了一次单喷事件，单次喷出的1.9 TeV横向动量针对相应的缺失横向动量（MET）进行了反冲。绿色和黄色的条分别表示在电磁量热仪和强子量热仪中的能量沉积。MET显示为检测器另一侧的红色虚线。

暗物质的本质仍然是基本物理学中尚未解决的巨大难题之一。标准模型无法解释，暗物质已导致科学家探索新的物理模型以了解其存在。许多这样的理论情景都假定，大型强子对撞机在高能质子-质子的强烈碰撞中可能产生暗物质颗粒。尽管暗物质会从看不见的ATLAS检测器中逸出，但偶尔会伴有从相互作用点放射出的可见粒子射流，从而提供可检测的

信号.ATLAS协作旨在找到这一点。今天，在国际高能物理会议（ICHEP 2020）上，ATLAS提出了一种新的寻找新的现象的方法，以寻找与喷气机发生碰撞事件中的新现象以及高横向错位动量（MET）。搜索的目的是发现可能指示标准模型之外的物理过程存在的事件，并为此打开一个通往宇宙的窗口。

图2：在数据和标准模型预测中选择单喷之后，缺少横向动量分布。不同的背景过程以颜色显示。虚线表示了暗能量，超对称和弱相互作用的大质量粒子场景的预期分布。

为了识别此类事件，物理学家利用横向探测器平面（即垂直于光束方向）中的动量守恒原理，寻找从看不见的物体上回弹的可见射流。由于大型强子对撞机中经常发生射流事件，物理学家进一步完善了其参数：这些事件必须至少有一个高能射流和明显的MET，这是由“看不见”的粒子的动量不平衡所产生的。这被称为单喷事件-在图1中可以看到一个壮观的例子，2017年的事件显示具有ATLAS迄今为止记录的最高动量（1.9

TeV）单喷。对撞机实验也可能产生了这种特征性的单喷签名。因此，ATLAS的物理学家开始着手研究几种新的物理模型，包括那些具有超对称性，暗能量，较大的额外空间尺寸或类似轴突的粒子的模型。

今天的新结果为迄今为止所有对撞机实验中的暗物质设定了最严格的限制，这是ATLAS协作组织搜索程序的一个里程碑。

与标准模型的期望值相比，在大型MET发生的碰撞事件过多的情况下，可以看到新现象的证据。准确预测不同的背景贡献是一个关键挑战，因为许多丰富的标准模型过程可以准确地模拟信号拓扑结构，例如产生喷射流和Z玻色子，然后衰变为两个中微子，这些中微子也离开了ATLAS，而没有被直接检测到。

物理学家结合了数据驱动技术和高精度理论计算来估算标准模型的背景。在200 GeV和1.2 TeV之间的MET范围内，信号区域中的总本底不确定度约为1％至4％。MET光谱的形状用于增强信号和背景之间的区分能力，从而增加发现潜力。图2显示了在运行2（2015-2018）期间从ATLAS实验收集的整个数据集中观察到的MET谱图与标准模型的期望值的比较。

由于没有观察到明显的过量现象，物理学家利用数据和预测之间的一致性水平来设置新物理模型参数的限制。在弱相互作用的大颗粒（流行的暗物质候选物）的情况下，ATLAS物理学家能够排除高达约500 GeV的暗物质粒子质量和高达2 TeV的相互作用轴矢量介体，两者的置信度均为95％。这些结果提供了迄今为止对撞机实验中最严格的暗物质限制，也是ATLAS搜索程序的里程碑。

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