ATLAS 利用 LHC Run 3 数据探索未知领域

尽管粒子物理学的标准模型在描述物质的基本构成要素及其相互作用方面取得了巨大成功，但它仍被认为是不完整的。因此，全球和太空中的实验都在寻找新物理现象的迹象，以引导物理学家建立更全面的理论。

在 7 月 17 日至 24 日于布拉格举行的两年一度的ICHEP 会议上，ATLAS 合作项目展示了其在创纪录碰撞能量下寻找新物理的首批成果，目标是研究重离子碰撞中产生的磁单极子和质子-质子碰撞中产生的长寿命粒子。

磁单极子是一种假想粒子，只有一个北极或南极，因此带磁。它们的存在将证明电和磁之间完全对称。它还将证实标准模型之外的“大统一理论”的某些方面，这些理论将极高能量下的强力、弱力和电磁力统一起来。

大型强子对撞机 (LHC) 的研究人员正在寻找高能碰撞产生的单极子。单极子具有高度电离性，这意味着它们会从原子中剥离电子，并在粒子探测器中留下大量能量沉积物。

在对磁单极子进行新搜索的过程中，ATLAS 合作项目分析了来自 LHC Run 3 的首个重离子(铅-铅)碰撞数据，该数据于 2023 年秋季收集，其每对核子(质子或中子)的能量高达 5.36 TeV，达到了前所未有的高能量。

具体来说，ATLAS 研究人员研究了超边缘碰撞，在这种碰撞中，离子不会通过短程强相互作用在中心发生碰撞，而是通过距离较近但距离较远的电磁力进行相互作用。铅离子之间的碰撞可以产生宇宙中最大的磁场，强度高达 10 16特斯拉。

如果在这样的相互作用中产生了一对磁单极子，那么它将是空探测器中唯一能发现的粒子系统，并且会表现为一团浓缩的电离电子云。ATLAS 寻找独特的信号特征并分析可能模仿这些特征的背景，但在 Run 3 重离子数据中没有发现单极子的迹象。

因此，该结果为 120 GeV 以下的单极子质量的超外围重离子碰撞中产生的单极子产生率设定了世界上最好的极限。此外，该分析引入了一种研究 LHC 及更高级别的重离子数据中高度电离粒子的方法。

大多数新物理学搜索都在寻找能够“迅速”衰变并产生源自 LHC 质子-质子相互作用点的衰变产物的新粒子。

然而，包括超对称性在内的超标准模型物理理论也预测了“长寿命粒子”，它们会在远离相互作用点的地方产生衰变产物。这种粒子需要专门的技术来重建粒子轨迹，而且可能在之前的搜索中没有被发现。

ATLAS发布了对一对长寿命粒子的新搜索结果，每个粒子衰变成一个电子、μ 子或 τ 轻子，从而产生两个从 ATLAS 相互作用点“移位”的粒子轨迹——这是一种可能预示着新物理学的罕见特征。

具体来说，ATLAS 寻找一种新的特征，其中一个长寿命粒子在衰变之前行进得足够远，以至于只能检测到一个电子。

这是 ATLAS 首次使用LHC 第三次运行中获得的13.6 TeV 质子-质子碰撞数据进行此类搜索。在第三次运行的准备过程中，ATLAS 研究人员通过重建位移轨迹增强了在线碰撞事件选择(“触发器”)，从而能够搜索新的长寿命粒子。

所有搜索区域的事件产量均符合标准模型预期。这些结果对电子、μ子和τ轻子的长寿命超对称伙伴设定了迄今为止最严格的限制。

利用来自 LHC 及其未来升级版高亮度 LHC 的更多数据，ATLAS 物理学家将继续寻找长寿命粒子、磁单极子和其他假设粒子，同时进一步改进他们的搜索技术并开发新的实验策略。

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