ATLAS 事件显示带有一对“位移射流”的数据事件，这些射流很窄，基本上没有轨道，并且大部分能量都在热量计的强子部分。信用：欧洲核子研究组织
ATLAS 实验的物理学家正在寻找新的长寿命粒子，以帮助解释我们宇宙的几个未解之谜。
ATLAS 实验的物理学家正在寻找新的长寿命粒子，以帮助解释我们宇宙的几个未解之谜。高能碰撞使研究人员能够研究衰减非常快的重粒子，例如希格斯玻色子。但与重标准模型粒子(在大型强子对撞机 (LHC) 碰撞点的几毫米内衰减)不同，新的长寿命粒子 (LLP) 在衰减之前可以通过 ATLAS 探测器传播相当大的距离。
研究任何粒子的衰变都是一项复杂的任务，但假设它在 LHC 碰撞点附近衰变通常会容易得多。这使 LLP 处于盲点，因为它们可能在检测器的任何地方衰减。此外，由于 ATLAS 实验的各层使用不同的仪器，LLP 的证据看起来会有所不同，具体取决于粒子衰变所在的层。
为了确保不遗余力，ATLAS 物理学家设计了一系列新策略来寻找具有各种可能特征的 LLP。在最近的轻子光子和拉图勒会议上展示了这项工作的四个新结果。
中微子是标准模型中最神秘的粒子之一。长期以来，物理学家一直对为什么只观察到中微子是“左旋”(即它们的自旋和动量相反)而感到困惑，而所有其他已知粒子也可以在“右旋”状态下观察到。
图 1：一个模拟事件的显示，其中一个中性长寿命粒子在探测器的中心(左红点)产生并在穿过一段距离后衰减(右红点)。这个签名被称为“置换顶点”。学分：ATLAS 合作/CERN
一种可能性是右旋中微子存在但非常重，因此更难在自然界中产生。这些新粒子——称为“重中性轻子”(HNLs)——将同时为标准模型中微子提供右手伙伴，并解释为什么中微子如此轻。如果 HNL 和标准模型中微子之间的相互作用强度很小，HNL 将显示出长寿的实验特征。
在对这些重中微子的新搜索中，ATLAS 物理学家在 ATLAS 带电粒子跟踪探测器中寻找源自一个常见位移顶点(见图 1)的轻子，其中 HNL 可能已经衰变为电子、μ子和缺失能量的混合物. 使用衰变产物，他们重建了可能的 HNL 质量，这对于信号事件与背景事件不同，如图 2 所示。结果，物理学家能够将 HNL 质量限制在 3 到 ~15 GeV 之间，并且首次能够报告 HNL 衰变为电子 - 介子对!
图 2：观测数据的重建 HNL 质量分布(黑点)、具有不确定性的预测背景(淡紫色/蓝色)以及三种不同质量假设的模拟信号(彩色线)。学分：ATLAS 合作/CERN
在寻找新粒子时，物理学家必须寻找它们的衰变产物——或者是吗?最近的 ATLAS 分析采用了不同的方法。如果存在新的重电荷 LLP，它将在 ATLAS 跟踪探测器中留下能量沉积物。如果粒子很重，这些能量沉积物将异常大，可用于推断产生它们的粒子的质量。这是一个例外情况，物理学家实际上可以直接检测到一个新粒子，而不仅仅是通过它的衰变。
图 3：标准模型期望(蓝线)和观测数据(黑点)的重建质谱。通过搜索测试的不同可能信号以虚线颜色显示。在质量超过 1000 GeV 时观察到少量过量事件，但是在研究时间测量时，这与慢速带电粒子假设不兼容。学分：ATLAS 合作/CERN
但是，在此搜索中预测标准模型背景过程非常具有挑战性。ATLAS 物理学家采用了一种复杂的“数据驱动”方法来解决这个问题，使用具有规则能量沉积的轨道来预测可以模拟信号的背景过程。
观察到的数据与预期的标准模型背景一致，除了在高能和高质量区域中存在几个形成过量的事件，如图 3 所示。虽然有趣，但外层的飞行时间测量值探测器子系统表明，没有一个候选轨道与重型和缓慢移动的带电粒子假设相匹配。
当粒子衰变为夸克时，它们会经历一个称为强子化的过程，这会导致在 ATLAS 探测器中喷射出准直粒子，称为射流。如果一个新的中性 LLP 在量热计的外层衰变为夸克，它会留下“置换”的喷流。这些将在实验中留下一个非常不寻常的特征：射流在跟踪探测器中没有相关的粒子轨迹;与它们的标准模型对应物相比会非常窄，因为粒子的喷雾没有时间在空间上分离;并且会将它们总能量的很大一部分留在热量计的强子部分。在上面的事件显示中可以看到这些不寻常的喷气机之一的例子。
在一项新的分析中，ATLAS 研究人员利用置换喷流的不常见特性来寻找在量热计中衰减的中性 LLP 对。他们为分析开发的深度神经网络特别新颖：它能够将位移的射流与 LHC 光束与加速器本身的材料的背景相互作用以及来自标准模型夸克衰变的射流区分开来。此外，研究人员使用对抗性训练方案来确保算法不会利用数据和模拟之间的已知差异。结果被用来估计搜索的背景，到目前为止还没有发现明显的过量事件。
但是如果中性 LLP 衰变为轻子而不是夸克呢?暗光子是推测以这种方式表现的一类 LLP。如果这种衰变发生在 ATLAS 量热计或 μ 子系统中，它们将导致被称为轻子喷流的准直轻子群。
研究人员还在另一项新分析中搜索了轻子喷流，使用最先进的机器学习技术将 LLP 候选轻子喷流与背景过程(例如宇宙射线和 LHC 束-气体相互作用)区分开来。ATLAS 物理学家第一次使用机器学习技术搜索新粒子，该技术利用探测器每一层的原始能量沉积模式。虽然没有看到过多的事件，但他们对暗光子的存在设定了严格的新限制，并且首次能够探测暗光子衰变为电子!
这些新分析的核心是一个关键问题：如果新粒子隐藏在标准搜索中怎么办?ATLAS 研究人员已经开发出新颖的、创造性的方法来探索可能的 LLP 衰变的丰富多样性。他们广泛的专门搜索使用新技术来处理不寻常的背景。搜索仍在继续，大型强子对撞机的第 3 次运行承诺提供新数据和新创新，以推进这一令人兴奋的研究计划。
