De ATLAS Collaboration was een pionier in de zoektocht naar semi-zichtbare jets, een mogelijke signatuur van donkere materie afkomstig van donkere quarks en gluonen in een sterk interagerend donker domein. Ondanks de uitdagingen en zonder onmiddellijke bevindingen, stelt dit nieuwe onderzoek de eerste limieten aan de productie van semi-zichtbare jets, wat de weg vrijmaakt voor subtielere zoektochten naar donkere materie in de toekomst.
Wat gebeurt er als donkere materiedeeltjes worden geproduceerd in een deeltjesstraal van het standaardmodel? Dit leidt tot een nieuwe detectorsignatuur die bekend staat als semi-zichtbare jets! De ATLAS-samenwerking resulteerde in de eerste zoektocht naar semi-zichtbare jets, op zoek naar hen in een algemene productiewijze waarbij twee protonen interageren door een tussenliggend deeltje uit te wisselen, dat vervolgens in twee jets verandert.
De ongrijpbare aard van donkere materie blijft een van de grootste mysteries in de deeltjesfysica. De meeste zoekopdrachten tot nu toe hebben gezocht naar gebeurtenissen waarbij een “zwak interagerend” donkere materiedeeltje wordt geproduceerd naast een bekend standaardmodeldeeltje. Omdat het donkere-materiedeeltje niet kan worden gezien door de ATLAS-sonde, zoeken onderzoekers naar een onbalans in transversaal momentum (of “ontbrekende energie”).
De ATLAS Collaboration voerde het eerste onderzoek uit van semi-zichtbare jets, een mogelijke handtekening voor de aanwezigheid van donkere materiedeeltjes. Aangenomen wordt dat deze optreden wanneer twee protonen op elkaar inwerken, waardoor een tussenliggend deeltje ontstaat dat vervolgens in twee stralen verandert. Krediet: ATLAS/CERN-samenwerking
Sommige theoretische modellen voorspellen echter een “sterk interagerend” donker domein, met donkere quarks en gluonen als kopieën van standaardmodel quarks en gluonen. Semi-zichtbare jets zouden ontstaan wanneer donkere quarks gedeeltelijk vervallen in standaardmodel quarks en gedeeltelijk in stabiele donkere hadronen (de “onzichtbare fractie”). Omdat ze in paren worden geproduceerd, meestal samen met extra jets van het standaardmodel, ontstaat de ontbrekende energie wanneer alle jets niet volledig in balans zijn. De richting van de ontbrekende energie is vaak uitgelijnd met een van de semi-zichtbare jets, zoals te zien is in de gebeurtenisweergave hierboven.
Figuur 1: gegevens, achtergrond en zes voorspelde signaaldistributies die een representatieve mediatormassa beslaan en een onzichtbaar fractiegebied bedekt voor het azimutale hoekverschil tussen de twee kandidaat-semi-zichtbare jets. Er wordt een uitstekende overeenkomst tussen gegevens en geschiedenis waargenomen. Krediet: ATLAS/CERN-samenwerking
Dit maakt het zoeken naar semi-zichtbare jets erg moeilijk, aangezien deze gebeurtenissignatuur ook kan ontstaan als gevolg van verkeerd gemeten jets in de detector. Voor hun nieuwe zoektocht moesten de natuurkundigen ervoor zorgen dat met al deze effecten rekening werd gehouden. Om dit te doen, concentreerden ze zich op enkele waarneembare zaken: de singulariteit van de uitlijning en de grootte van het transversale momentum en de hoek tussen de halfzichtbare jets. Ze onderzochten ook scenario’s met verschillende onzichtbare fracties en mediërende deeltjesmassa’s.
Na rekening te hebben gehouden met alle standaardmodelprocessen die bijdragen aan deze topologie van gebeurtenissen, vonden de onderzoekers geen spoor van semi-zichtbare jets. Zoals te zien is in figuur 1, die het hoekverschil toont tussen de twee semi-zichtbare straalkandidaten, volgen de gegevens het achtergrondpatroon van het standaardmodel. Verwacht werd dat de signalen van de donkere materie een iets andere vorm zouden hebben.
Het zoeken naar semi-zichtbare jets is een grote uitdaging, omdat de gebeurtenissignatuur ook kan ontstaan door foutieve jetmetingen in de detector. Hoe hebben ATLAS-onderzoekers deze uitdaging overwonnen?
Dit nieuwe resultaat stelt de eerste limieten aan dit specifieke scenario van semi-zichtbare jetgeneratie, weergegeven in figuur 2 als functies van zowel de mediatormassa als de onzichtbare fractie. De zoekopdracht is gevoeliger voor tussenliggende waarden van de onzichtbare fractie en sluit mediatormassa’s tot 2,7 TeV uit. Onderzoekers waren ook in staat om het aantal waargenomen gegevensgebeurtenissen te rapporteren dat voldeed aan de vereisten voor evenementselectie. Dit legt een belangrijke basis voor toekomstige zoektochten naar donkere materie, waardoor natuurkundigen semi-zichtbare jet-modellen kunnen bouwen die rekening houden met bestaande beperkingen op deze signatuur.
Figuur 2: de verwachte en waargenomen uitsluitingscontouren voor het semi-zichtbare straalsignaal als functie van de mediatormassa op de x-as en de onzichtbare fractie op de y-as. Tussenliggende massa’s links van de rode ononderbroken lijn zijn uitgesloten voor de gegeven ongeziene fractie. Krediet: ATLAS/CERN-samenwerking
Er valt nog veel te ontdekken! ATLAS-onderzoekers zijn van plan om systematisch alle mogelijke handtekeningen uit het sterke donkere domeinlandschap te bestuderen, waaronder mogelijk obscure handtekeningen zoals degene die in deze zoektocht is onderzocht. Naarmate het ATLAS-experiment zijn gigantische gegevens blijft ontwikkelen, biedt het nieuwe mogelijkheden voor verkenning en nieuwe opties voor het uitbreiden van de zoektocht naar halfzichtbare jets.
