盡管粒子物理學(xué)的標準模型在描述物質(zhì)的基本構(gòu)成要素及其相互作用方面取得了巨大成功，但它仍被認為是不完整的。因此，全球和太空中的實驗都在尋找新物理現(xiàn)象的跡象，以引導(dǎo)物理學(xué)家建立更全面的理論。
在 7 月 17 日至 24 日于布拉格舉行的兩年一度的ICHEP 會議上，ATLAS 合作項目展示了其在創(chuàng)紀錄碰撞能量下尋找新物理的首批成果，目標是研究重離子碰撞中產(chǎn)生的磁單極子和質(zhì)子-質(zhì)子碰撞中產(chǎn)生的長壽命粒子。
磁單極子是一種假想粒子，只有一個北極或南極，因此帶磁。它們的存在將證明電和磁之間完全對稱。它還將證實標準模型之外的“大統(tǒng)一理論”的某些方面，這些理論將極高能量下的強力、弱力和電磁力統(tǒng)一起來。
大型強子對撞機 (LHC) 的研究人員正在尋找高能碰撞產(chǎn)生的單極子。單極子具有高度電離性，這意味著它們會從原子中剝離電子，并在粒子探測器中留下大量能量沉積物。
在對磁單極子進行新搜索的過程中，ATLAS 合作項目分析了來自 LHC Run 3 的首個重離子(鉛-鉛)碰撞數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)于 2023 年秋季收集，其每對核子(質(zhì)子或中子)的能量高達 5.36 TeV，達到了前所未有的高能量。
具體來說，ATLAS 研究人員研究了超邊緣碰撞，在這種碰撞中，離子不會通過短程強相互作用在中心發(fā)生碰撞，而是通過距離較近但距離較遠的電磁力進行相互作用。鉛離子之間的碰撞可以產(chǎn)生宇宙中最大的磁場，強度高達 10 16特斯拉。
如果在這樣的相互作用中產(chǎn)生了一對磁單極子，那么它將是空探測器中唯一能發(fā)現(xiàn)的粒子系統(tǒng)，并且會表現(xiàn)為一團濃縮的電離電子云。ATLAS 尋找獨特的信號特征并分析可能模仿這些特征的背景，但在 Run 3 重離子數(shù)據(jù)中沒有發(fā)現(xiàn)單極子的跡象。
因此，該結(jié)果為 120 GeV 以下的單極子質(zhì)量的超外圍重離子碰撞中產(chǎn)生的單極子產(chǎn)生率設(shè)定了世界上最好的極限。此外，該分析引入了一種研究 LHC 及更高級別的重離子數(shù)據(jù)中高度電離粒子的方法。
大多數(shù)新物理學(xué)搜索都在尋找能夠“迅速”衰變并產(chǎn)生源自 LHC 質(zhì)子-質(zhì)子相互作用點的衰變產(chǎn)物的新粒子。
然而，包括超對稱性在內(nèi)的超標準模型物理理論也預(yù)測了“長壽命粒子”，它們會在遠離相互作用點的地方產(chǎn)生衰變產(chǎn)物。這種粒子需要專門的技術(shù)來重建粒子軌跡，而且可能在之前的搜索中沒有被發(fā)現(xiàn)。
ATLAS發(fā)布了對一對長壽命粒子的新搜索結(jié)果，每個粒子衰變成一個電子、μ 子或 τ 輕子，從而產(chǎn)生兩個從 ATLAS 相互作用點“移位”的粒子軌跡——這是一種可能預(yù)示著新物理學(xué)的罕見特征。
具體來說，ATLAS 尋找一種新的特征，其中一個長壽命粒子在衰變之前行進得足夠遠，以至于只能檢測到一個電子。
這是 ATLAS 首次使用LHC 第三次運行中獲得的13.6 TeV 質(zhì)子-質(zhì)子碰撞數(shù)據(jù)進行此類搜索。在第三次運行的準備過程中，ATLAS 研究人員通過重建位移軌跡增強了在線碰撞事件選擇(“觸發(fā)器”)，從而能夠搜索新的長壽命粒子。
所有搜索區(qū)域的事件產(chǎn)量均符合標準模型預(yù)期。這些結(jié)果對電子、μ子和τ輕子的長壽命超對稱伙伴設(shè)定了迄今為止最嚴格的限制。
利用來自 LHC 及其未來升級版高亮度 LHC 的更多數(shù)據(jù)，ATLAS 物理學(xué)家將繼續(xù)尋找長壽命粒子、磁單極子和其他假設(shè)粒子，同時進一步改進他們的搜索技術(shù)并開發(fā)新的實驗策略。
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