使用ATLAS探测器寻找轴子

约翰内斯古腾堡美因茨大学(JGU)PRISMA+卓越集群的MatthiasSchott教授的研究小组已将大型强子对撞机(LHC)ATLAS探测器的一系列广泛测量结果发布到arXiv预印本服务器上。这些数据是在2015年至2018年大型强子对撞机第二次运行期间记录的。

这个具有实验挑战性的测量程序的目的是寻找在希格斯粒子的某些衰变中可能产生的类轴子粒子，并且作为新粒子可以解释实验确定的μ子反常磁矩与其理论预测的偏差。

这项工作代表了对理论物理学家兼PRISMA+发言人MatthiasNeubert教授博士开发的轴子模型的实验测试，因此是美因茨基地理论与实验之间有价值的相互作用的理想例子。

轴子是假设的基本粒子，最初被假设是为了解决强相互作用的理论缺陷，即所谓的强CP问题。多年来，轴子或类轴子粒子(ALP)也被认为是暗物质的有希望的候选者。

“在此背景下，物理学家开展了大量实验来寻找特别轻的ALP，”肖特解释道。“我们首次在大型强子对撞机的ATLAS实验中提出并实施了详细的研究计划，专门寻找相对较重的ALP——这反过来可以解释μ子反常磁矩之谜，因为马蒂亚斯·纽伯特在几年前开发的模型中进行了展示。”

Neubert与MartinBauer和AndreaThamm一起在2017年提出假设，ATLAS可用于以非常高的灵敏度搜索大范围的合适轴子质量。对于肖特来说，这是成功申请ERC拨款的起点。“作为ERC资助的一部分，我现在已经与我的团队一起测试了Neubert模型的大部分参数空间，我们很高兴现在可以发布第一个结果。”

纽伯特则在最近与安妮·加尔达(AnneGalda)共同发表在《高能物理学杂志》上的一篇文章中阐明了ALP对μ子动量的预期影响。

一项创新性的实验成果

这一系列的测量基于这样的想法：潜在的ALP必须与μ子和光子耦合，才能解释μ子磁矩的异常。具体来说，研究人员研究了理论上假设的衰变链，其中希格斯粒子首先衰变成两个ALP，然后每个ALP又分解为两个光子(Hàaaà4ƴ)。目的是检测ALP与该链中光子的耦合。

“我们没有发现任何明显的信号可以表明相应的ALP，”肖特解释道。“因此，在研究区域，我们可以最大概率地排除轴子-光子耦合。”然而，由于研究小组首次能够搜索非常大的参数范围，并且比以前的测量灵敏度高出六个数量级，特别是在耦合强度方面，他们成功地设定了迄今为止最严格的排除限制用于ALP的质量和耦合强度。

Neubert说：“这种测量的特别之处在于，ALP有可能通过希格斯物理学来检测。我们处于粒子物理学的高能范围，因此可以通过高能磁矩的转换来追踪反常磁介子矩的差异。”-能量粒子。作为μ子g-2实验的一部分，这是对低能范围内μ子特性的直接测量的补充方法，这正是它如此令人兴奋的原因。”

基于人工智能的新分析算法

Schott小组研究的衰变过程在实验上非常具有挑战性，主要是因为从ALP衰变中检测到的光子不是在探测器的碰撞点产生的。“在正常的粒子碰撞中，粒子总是在探测器的中间准确地相遇。并且在这次碰撞中产生的任何新粒子，我们通常假设它们的旅程从碰撞点开始。我们拥有的正常算法和校准是正是基于这一假设，”肖特解释道。

“然而，如果产生的新粒子‘寿命’足够长，那么这些粒子在衰变之前首先会飞行一小段距离。这意味着我们最初的假设不再适用，我们必须开发全新的方法才能看到粒子在探测器中，它们不是源自碰撞点。”

具体来说，在诺伯特的模型中，希格斯粒子首先在粒子碰撞点立即衰变成两个ALP。然而，ALP在各自衰变成两个光子之前会飞行一段时间，因此这些光子是在远离碰撞点的地方产生的。“我们称这些事件为位移顶点——可以说是位移碰撞点。我们现在首次成功地用光子进行了这样的测量。”

此外，还有另一个挑战：如果ALP相对较轻，它们衰变成的光子就非常接近。探测器将这两个光子感知为单个光子，除非有一种经过训练可以做到这一点的新算法：也就是说，它可以将实际上被重建为一个光子的光子识别为两个光子。“我们能够使用神经网络形式的人工智能开发这样的算法，从而成功解析来自高度共线光子的信号。”

但还有更多。即使使用专门开发的算法，研究人员可以覆盖非常大的搜索区域，他们也无法“捕获”他们想要瞄准的所有ALP。为了缩小这一差距，他们希望使用FASER实验，该实验现已在ATLAS实验后面约480米的LHC侧隧道中投入运行。

μ介子作为新物理学的测试实验室

就在最近，费米实验室的muong-2合作项目宣布了一种新的反常磁矩测量值，其精度是之前测量值的两倍。由MartinFertl教授博士领导的PRISMA+工作组是德国唯一参与实验贡献的工作组。与之对应的是μ子g-2理论倡议，这是一个由130多名物理学家组成的全球性协会，致力于在标准模型框架内进行理论预测。

在这里，由AchimDenig教授、HarveyMeyer教授、MarcVanderhaeghen教授和HartmutWittig教授组成的美因茨工作组也做出了许多重要贡献——从实验输入变量的测量到在美因茨大型计算机MOGON-II上使用晶格量子色动力学方法高精度计算强相互作用的贡献。

根据最新的计算，目前尚不清楚理论与实验之间是否存在真正的差异，如果存在，可以使用哪些理论方法来解释它。然而，它再次证明了美因茨PRISMA+集群在寻找新物理学方面的强大专业知识，特别是在理论与实验之间的相互作用以及使用补充方法来回答现代物理学的重大问题方面。

“我们今天发表的工作是一个重要的贡献，尽管它表明我们可以通过实验测试的新物理模型的空间越来越小，”肖特对结果进行了分类。“就ALP而言，它们仍然是暗物质的有希望的候选者，但我们很可能将它们排除为μ子磁矩差异的原因。”