Model Standardowy opisuje subatomowe, podstawowe składniki Wszechświata oraz ich wzajemne oddziaływania. Większość wyników doświadczalnych zebranych na przestrzeni ostatnich 40 lat z dużą precyzją zgadza się z jego przewidywaniami. Obecny stan wiedzy wskazuje, że przy bardzo dużych energiach powinniśmy zaobserwować pewne procesy wykraczające poza ramy tego modelu. Niestety, przewidywane prawdopodobieństwa ich występowania są bardzo małe, stąd też łatwo je przeoczyć pośród innych, obserwowanych dużo częściej zjawisk.

W celu weryfikacji doświadczalnej Modelu Standardowego oraz poszukiwań zjawisk Nowej Fizyki wykraczającej poza jego ramy zbudowano w CERNie Wielki Zderzacz Hadronów (ang. Large Hadron Collider LHC), największe urządzenie badawcze, jakie kiedykolwiek zostało skonstruowane. W podziemnym tunelu o obwodzie 27 km znajdują się potężne nadprzewodzące magnesy wraz z urządzeniami przyspieszającymi cząstki. Zadaniem akceleratora jest rozpędzenie dwóch wiązek protonów lub ciężkich jonów do niespotykanych dotąd energii (6.5 TeV w przypadku protonów), a następnie zderzanie ich ze sobą w czterech punktach na obwodzie LHC. W punktach tych znajdują się detektory służące do pomiaru nowych cząstek powstałych w wyniku zderzeń. Dane zebrane za pomocą tych detektorów, między innymi ATLASa, dają jedyną w swoim rodzaju możliwość poszukiwania bardzo rzadkich zjawisk.

Postulowany przez Model Standardowy bozon Higgsa został odkryty w roku 2012 przez eksperymenty ATLAS i CMS. Nie jest jednak wykluczone, że istnieje więcej podobnych cząstek, gdyż wiele teorii fizycznych wykraczających poza ramy Modelu Standardowego postuluje rozszerzenie sektora bozonu Higgsa. W ramach grupy eksperymentu ATLAS w IFJ PAN poszukujemy dodatkowych bozonów podobnych do odkrytego bozonu Higgsa, zarówno naładowanych, jak i neutralnych.

Prowadzone analizy dotyczą poszukiwań procesów Nowej Fizyki z ciężkimi fermionami (kwarki t oraz b, a także leptony tau) w stanach końcowych. Wiele modeli wykraczających poza Model Standardowy przewiduje występowanie takich zjawisk wystarczająco często, byśmy mogli je zaobserwować. W szczególności prowadzimy poszukiwania ciężkich neutralnych bozonów Higgsa rozpadających się na parę leptonów tau oraz naładowanych bozonów Higgsa, w stanach końcowych zawierających kwark t i lepton tau.

Ciężki, elektrycznie obojętny bozon Higgsa spoza Modelu Standardowego może także rozpadać się na kwarki b. Kwarki nie są bezpośrednio obserwowalne, ale bada się tzw. dżety hadronowe powstające z ich hadronizacji. Dżety pochodzące od kwarków b mają swoje specyficzne właściwości, które pozwalają na odróżnienie ich od innych, tzw. lekkich dżetów. Pomimo to liczba przypadków o podobnych właściwościach do poszukiwanego procesu, ale pochodzących z innych zjawisk, będzie ogromna i konieczne będzie zastosowanie wielu nowoczesnych technik w celu redukcji ilości tych przypadków (tzw. tła) i zwiększenia czułości na poszukiwany sygnał.

Innym interesującym procesem z zakresu Nowej Fizyki, którego poszukujemy, jest produkcja par bozonów Higgsa z Modelu Standardowego, które następnie rozpadają się na dwa bozony pośredniczące W i dwa leptony tau. Obserwacja takiego procesu może oznaczać, że jakiś egzotyczny obiekt, np. grawiton, rozpada się na parę bozonów Higgsa i w ten sposób zwiększa prawdopodobieństwo produkcji takich par ponad niewielkie prawdopodobieństwo przewidywane przez Model Standardowy.

Znalezienie dowodu na istnienie rozszerzonego sektora Higgsa byłoby przełomowym odkryciem. Z drugiej strony, wykluczenie dużych obszarów dopuszczalnych wartości parametrów modeli wykraczających poza Model Standardowy ma także olbrzymie znaczenie. W każdym z powyższych przypadków będziemy w stanie znacząco rozszerzyć naszą wiedzę o otaczającym nas Wszechświecie.

W ramach eksperymentu ATLAS planowana jest przebudowa systemu eksperymentalnego, która obejmie zarówno sam detektor, jak też system selekcji przypadków, oprogramowanie. Zostanie zbudowany nowy Detektor Wewnętrzny. Jest to niezbędne, aby utrzymać w sprawności cały system eksperymentalny przez następne dekady oraz umożliwić zbieranie danych po osiągnięciu przez akcelerator LHC planowanej po roku 2026 zwiększonej świetlności wynoszącej 10x10³⁴ cm^-2 s^-1 (10 razy większej od pierwotnej). Zwiększona świetlność pozwoli na przeprowadzenie precyzyjnych pomiarów bozonu Higgsa i innych procesów Modelu standardowego, a także na kontynuowanie poszukiwań Nowej Fizyki wykraczających poza ten model. Grupa eksperymentu ATLAS w ramach IFJ PAN jest zaangażowana w przebudowę detektora, zarówno w tworzenie nowego Detektora Wewnętrznego jak też i w rozwój oprogramowania służącego do rekonstrukcji torów cząstek.