L'efficacité de la reconstruction d'un lepton à partir de la désintégration d'une particule à vie longue, mesuré en événements simulés, représenté en fonction de la distance entre la piste leptonique et le point de collision (d0). Les cercles bleus pleins montrent l'efficacité en utilisant les techniques de reconstruction ATLAS standard. Les carrés violets pleins indiquent l'efficacité en utilisant un suivi supplémentaire pour les particules déplacées et des critères d'identification spéciaux développés pour cette recherche. Crédit :Collaboration ATLAS/CERN
Malgré ses décennies de succès prédictif, il y a des phénomènes importants laissés inexpliqués par le modèle standard de la physique des particules. Des théories supplémentaires doivent exister qui peuvent décrire complètement l'univers, même si les signatures définitives de particules au-delà du modèle standard n'ont pas encore été révélées.
Les chercheurs de l'expérience ATLAS au CERN élargissent leur vaste programme de recherche pour rechercher des signatures plus inhabituelles de physique inconnue, telles que les particules à vie longue. Ces nouvelles particules auraient des durées de vie de 0,01 à 10 ns; en comparaison, le boson de Higgs a une durée de vie de 10
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ns. Une théorie qui motive naturellement les particules à vie longue est la supersymétrie (SUSY). SUSY prédit qu'il existe des particules "superpartenaires" correspondant aux particules du modèle standard avec des propriétés de spin différentes.
Une nouvelle recherche de la Collaboration ATLAS recherche les superpartenaires de l'électron, lepton muon et tau, appelés "sleptons" ("selectron", "smuon", et "stau", respectivement). La recherche considère des scénarios dans lesquels les sleptons seraient produits par paires et se coupleraient faiblement à leurs produits de désintégration et auraient ainsi une longue durée de vie. Dans ce modèle, chaque dormeur à vie longue parcourrait une certaine distance (en fonction de sa durée de vie moyenne) à travers le détecteur avant de se désintégrer en un lepton de modèle standard et en une particule légère indétectable. Les physiciens observeraient ainsi deux leptons qui semblent provenir d'endroits différents de celui où s'est produite la collision proton-proton.
Limites supérieures fixées par l'analyse sur la durée de vie des sommeils possibles en fonction de la masse du sommeil. Les traits pleins indiquent la limite observée, les pointillés indiquent la limite attendue en cas d'absence de fluctuations statistiques, et les régions colorées sont exclues du résultat de l'analyse. La zone exclue est plus petite pour le staus que pour les sélectons et les smuons car elle dépend du modèle standard produit qui se désintègre en électrons ou en muons. La dépendance des limites vis-à-vis de la masse du sommeil provient principalement de la section efficace de production de paires de sommeil qui diminue fortement avec la masse. Crédit :Collaboration ATLAS/CERN
Cette signature unique représentait un défi pour les physiciens. Bien que de nombreuses théories prédisent des particules qui pourraient voyager dans le détecteur ATLAS pendant un certain temps avant de se désintégrer, la reconstruction et l'analyse des données typiques sont orientées vers de nouvelles particules qui se désintégreraient instantanément, comme le font les particules lourdes du modèle standard. Les physiciens d'ATLAS ont donc dû développer de nouvelles méthodes d'identification des particules afin d'augmenter les chances de reconstituer ces leptons « déplacés ». Seuls les électrons et muons déplacés ont été étudiés dans cette analyse, mais les résultats pourraient également être appliqués à taus, puisque taus se désintègre rapidement en un électron ou un muon dans environ un tiers des cas.
Parce que les particules créées par la désintégration d'une particule à longue durée de vie apparaîtraient loin de la collision, des sources de bruit de fond inhabituelles peuvent survenir :photons mal identifiés comme des électrons, des muons mal mesurés, et des muons cosmiques mal mesurés. Les muons cosmiques proviennent de particules de haute énergie entrant en collision avec notre atmosphère et peuvent traverser le détecteur ATLAS. Comme ils ne traversent pas nécessairement le détecteur à proximité du point de collision, ils peuvent apparaître comme s'ils provenaient d'une désintégration de particules à longue durée de vie. Les physiciens d'ATLAS ont développé des techniques non seulement pour réduire les contributions de ces sources, mais aussi pour estimer combien chacune contribue à la recherche.
L'analyse n'a trouvé aucun événement de collision avec des leptons déplacés ayant satisfait aux critères de sélection, un résultat qui est cohérent avec la faible abondance de fond attendue. En utilisant ces résultats, les physiciens fixent des limites à la masse et à la durée de vie du sommeil. Pour la durée de vie du sommeil à laquelle cette recherche est la plus sensible (environ 0,1 nanoseconde), ATLAS a pu exclure les sélectons et les smuons jusqu'à une masse d'environ 700 GeV, et jusqu'à environ 350 GeV. Les meilleures limites précédentes sur ces particules à vie longue étaient d'environ 90 GeV et provenaient des expériences sur le Grand collisionneur électron-positon (LEP), Le prédécesseur du CERN au LHC. Ce nouveau résultat est le premier à faire une déclaration sur ce modèle en utilisant les données du LHC.
