Le boson de Higgs a une durée de vie extrêmement courte, vivant environ 10 à 22 secondes avant de se désintégrer rapidement en d’autres particules. À titre de comparaison, pendant ce court laps de temps, la lumière ne peut parcourir que la largeur d’un petit noyau atomique. Les scientifiques étudient le boson de Higgs en détectant ses produits de désintégration lors de collisions de particules au Grand collisionneur de hadrons.
Mais et si le boson de Higgs pouvait également se désintégrer en de nouvelles particules inattendues et à vie longue ? Et si ces particules pouvaient parcourir quelques centimètres à travers le détecteur avant de se désintégrer ? Ces particules à vie longue (LLP) pourraient faire la lumière sur certains des plus grands mystères de l’univers, comme la raison pour laquelle la matière prévalait sur l’antimatière dans l’univers primitif et la nature de la matière noire.
La recherche de LLP est extrêmement difficile car elles interagissent rarement avec la matière, ce qui les rend difficiles à observer dans un détecteur de particules. Cependant, leurs signatures inhabituelles offrent des perspectives de découverte passionnantes. Contrairement aux particules qui laissent une trace continue, les LLP entraînent des déplacements notables entre leurs points de production et leurs points de désintégration au sein du détecteur. L’identification d’une telle signature nécessite des algorithmes dédiés. Dans un nouvelle étude soumettre à Lettres d’examen physiqueles scientifiques d’ATLAS ont utilisé un nouvel algorithme pour rechercher les LLP produits lors de la désintégration des bosons de Higgs.
Augmenter la sensibilité avec un nouvel algorithme
Figure 1 : Comparaison des distributions radiales des sommets déplacés reconstruits dans un échantillon de particules simulées à longue durée de vie (LLP) à l’aide des configurations de reconstruction de piste existantes et nouvelles (mises à jour). Les marqueurs circulaires représentent les sommets reconstruits qui correspondent aux sommets de désintégration LLP et les lignes pointillées représentent les sommets reconstruits à partir des sommets de désintégration d’arrière-plan (non-LLP). (Image : Collaboration ATLAS/CERN)
Bien qu’ils soient essentiels aux recherches LLP, les algorithmes de reconstruction dédiés étaient auparavant si gourmands en ressources qu’ils ne pouvaient être appliqués qu’à moins de 10 % de toutes les données ATLAS enregistrées. Cependant, les scientifiques d’ATLAS ont récemment mis en œuvre une nouvelle Algorithme de « suivi à grand rayon » (LRT), qui accélère considérablement la reconstruction des trajectoires de particules chargées dans le détecteur interne d’ATLAS qui ne renvoient pas au point principal de collision proton-proton, tout en réduisant considérablement les arrière-plans et les combinaisons aléatoires de signaux du détecteur. L’algorithme LRT est exécuté après l’itération de suivi primaire en utilisant exclusivement les impacts du détecteur (dépôts d’énergie provenant de particules chargées enregistrés dans les éléments détecteurs individuels) qui ne sont pas déjà attribués aux pistes primaires.
En conséquence, ATLAS a constaté une énorme augmentation de l’efficacité de l’identification des désintégrations LLP (voir Figure 1). Le nouvel algorithme a également permis de multiplier par plus de dix le temps de traitement du processeur par rapport à l’implémentation existante, et l’utilisation de l’espace disque par événement a été réduite de plus d’un facteur 50. Ces améliorations ont permis aux physiciens d’intégrer pleinement l’algorithme LRT dans la reconstruction d’événement ATLAS standard. chaîne. Désormais, chaque événement de collision enregistré peut être scruté pour détecter la présence de nouvelles LLP, améliorant considérablement le potentiel de découverte de telles signatures.
Les physiciens recherchent des bosons de Higgs se désintégrant en de nouvelles particules à vie longue, qui pourraient laisser une signature « déplacée » dans le détecteur ATLAS.
Explorer l’obscurité avec le boson de Higgs
Figure 2 : Limite de confiance observée à 95 % sur la désintégration du boson de Higgs en une paire de particules s à longue durée de vie qui se désintègrent en particules du modèle standard, représentées en fonction de la longueur moyenne de désintégration propre (𝑐𝜏) du long- particule vécue. Les limites observées pour le modèle Higgs Portal lors de la recherche ATLAS précédente sont indiquées par les lignes pointillées. (Image : Collaboration ATLAS/CERN)
Dans leurs nouveaux résultats, les scientifiques d’ATLAS ont utilisé l’algorithme LRT pour rechercher des LLP qui se désintègrent de manière hadronique, laissant une signature distincte d’un ou plusieurs « jets » hadroniques de particules provenant d’une position considérablement déplacée par rapport au point de collision proton-proton (un sommet déplacé ). Les physiciens se sont également concentrés sur le modèle du « portail » de Higgs, dans lequel le boson de Higgs assure la médiation des interactions avec les particules de matière noire grâce à son couplage à un boson neutre. sentraînant des désintégrations exotiques du boson de Higgs en une paire de s particules qui se désintègrent en particules du modèle standard.
L’équipe ATLAS a étudié des événements de collision présentant des caractéristiques uniques compatibles avec la production du boson de Higgs. Les processus d’arrière-plan qui imitent la signature LLP sont complexes et difficiles à modéliser. Pour obtenir une bonne discrimination entre les processus de signal et de fond, les physiciens d’ATLAS ont utilisé un algorithme d’apprentissage automatique entraîné pour isoler les événements avec des jets résultant des désintégrations LLP. En complément, un algorithme dédié de reconstruction de sommets déplacés a été utilisé pour identifier l’origine des jets hadroniques provenant de la désintégration des LLP.
Cette nouvelle recherche n’a révélé aucun événement mettant en vedette des désintégrations du boson de Higgs en LLP. Il améliore les limites des désintégrations du boson de Higgs en LLP d’un facteur de 10 à 40 fois par rapport au recherche précédente en utilisant exactement le même ensemble de données (voir Figure 2) ! Pour la première fois au LHC, les limites des désintégrations exotiques du boson de Higgs pour de faibles masses LLP (moins de 16 GeV) ont dépassé les résultats des recherches directes de désintégrations exotiques du boson de Higgs vers des états non détectés.
À propos de affichage d’événement: Un événement de collision à 13 TeV enregistré par l’expérience ATLAS contenant deux sommets de désintégration déplacés (cercles bleus) significativement décalés par rapport à la ligne de faisceau montrant des sommets de désintégration « rapides » non déplacés (cercles roses). Les caractéristiques de l’événement sont compatibles avec ce à quoi on pourrait s’attendre si un boson de Higgs était produit en association avec un boson Z (se désintégrant en deux électrons indiqués par des tours vertes) et se désintégrant en deux LLP (se désintégrant en deux quarks b chacun). Les pistes indiquées en jaune et les jets sont indiqués par des cônes. Les blocs vert et jaune correspondent respectivement au dépôt d’énergie dans les calorimètres électromagnétique et hadronique. (Image : Collaboration ATLAS/CERN)
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2024-06-03 18:54:25
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