Fra supersymmetri til standardmodellen:Nye resultater fra ATLAS-eksperimentet

På Moriond-konferencen 2017, ATLAS-eksperimentet på CERN præsenterede sine første resultater, der undersøgte de kombinerede 2015/2016 LHC-data. Takket være enestående ydeevne af CERN acceleratorkomplekset, dette nye datasæt er næsten tre gange større end det, der er tilgængeligt hos ICHEP, den sidste store partikelfysikkonference afholdt i august 2016.

Den betydelige stigning i datavolumen har i høj grad forbedret ATLAS' følsomhed over for mulige nye partikler forudsagt af teorier ud over standardmodellen. På samme tid, det har også givet ATLAS-fysikere mulighed for at udføre præcise målinger af egenskaberne af kendte standardmodel-partikler.

Søgen efter supersymmetri

Supersymmetri (SUSY) har længe været anset for at være en frontløber for at løse en række mysterier, der er efterladt uforklarlige af standardmodellen, herunder størrelsen af ​​massen af ​​Higgs bosonen og arten af ​​det mørke stof. Blandt de vigtigste nye resultater præsenteret på Moriond var de første søgninger efter SUSY-partikler ved hjælp af det nye datasæt. Disse nye ATLAS resultater, sammen med dem fra CMS-eksperimentet, give de mest udfordrende test af SUSY-teorien, der er udført indtil videre.

Søgninger efter "squark" og "gluino" partikler, der henfalder til standardmodelpartikler, afslørede ingen beviser for deres eksistens, og har sat grænser for masserne af disse partikler, som strækker sig, for første gang, så højt som 2 TeV. Søger efter "top squark" partikler, hvis eksistens er afgørende, hvis SUSY skal forklare massen af ​​Higgs bosonen, fandt heller ingen afvigelser fra forventede standardmodelprocesser.

En ny søgning efter langlivede "chargino"-partikler blev også præsenteret. Denne søgning bruger ATLAS Insertable B-Layer (IBL)-detektoren installeret under LHC-nedlukningen i 2014. IBL er et nyt stykke ATLAS ladet partikeldetektionshardware så tæt som 3,3 cm på LHC-strålerøret. Den nye søgning leder efter 'forsvindende' spor skabt af charginos, der krydser IBL, før de forfalder til usynligt mørkt stof. Der blev ikke fundet beviser for sådanne spor, betydeligt begrænser en stor klasse af SUSY-modeller. En alternativ søgning efter nye langlivede partikler, der henfalder til ladede partikler via signaturen af ​​forskudte henfaldspunkter, fandt også, at dataene var i overensstemmelse med standardmodellens forventninger.

Eksotiske udforskninger

Ud over søgninger efter SUSY-partikler, ATLAS rapporterede en række nye resultater i søgningen efter "eksotiske" former for hinsides standardmodellens fysik. Søgning efter nye tunge partikler, der henfalder til par af jetfly (dermed følsomme over for en mulig kvark-understruktur) eller for en Higgs-boson og en W- eller Z-boson, sætter begrænsninger på masserne af disse eksotiske nye partikler så høje som 6 TeV.

Der blev også rapporteret om søgninger efter produktion af mørkt stof partikler. Disse ser på begivenheder, hvor Standard Model-partikler, såsom fotoner eller Higgs bosoner, rekyl mod de usynlige mørkt stof-partikler for at generere en begivenhedsegenskab kaldet manglende tværgående energi. Igen, dataene var i overensstemmelse med forventningerne fra standardmodellens processer.

Ud over, en søgen efter en tung partner til W-bosonen (en W'-boson), forudsagt af mange standardmodeludvidelser, blev udført med det nye datasæt. I mangel af bevis for et signal, søgningen har sat nye grænser for W'-massen op til 5,1 TeV.

Sjælden Higgs henfalder

Efter opdagelsen af ​​Higgs-bosonen i 2012, en vigtig del af ATLAS fysik-programmet har været viet til at måle dets egenskaber og søge efter sjældne processer, hvorved det kan henfalde. Disse analyser er afgørende for at fastslå, om Higgs-bosonen observeret af ATLAS er den, der er forudsagt af standardmodellen, eller hvis det i stedet er det første bevis på ny fysik.

ATLAS-samarbejdet præsenterede en ny søgen efter en sjælden proces, hvor Higgs-bosonet henfalder til myonpar. Observation af denne proces over hastigheden forudsagt af standardmodellen kunne give bevis for ny fysik. Ingen beviser blev dog set, giver mulighed for at sætte grænser for henfaldssandsynligheden på 2,7 gange standardmodellens forventning. Denne begrænsning sonderer (og beviser) den grundlæggende standardmodel forudsigelse af forskellige Higgs boson-til-lepton koblinger for forskellige lepton generationer.

Standard modelmål

Analyserer data taget i 2012, ATLAS-samarbejdet præsenterede en række målinger af produktionen og egenskaberne af kendte standardmodelpartikler. Blandt disse var et vigtigt milepælsresultat for LHC-programmet:den første måling af W-bosonmassen ved ATLAS-eksperimentet. Målt med en præcision på 19 MeV, resultatet konkurrerer med det bedste tidligere resultat fra et enkelt eksperiment. Målingen giver en fremragende test af Standardmodellen via såkaldte virtuelle korrektioner gennem samspillet mellem W bosonen, topkvark og Higgs bosonmasser, alt præcist målt af ATLAS.

Et andet vigtigt nyt resultat var en måling af henfaldsegenskaberne for Bd-mesoner, der henfalder til en K*-meson og to myoner. LHCb- og Belle-samarbejdet havde tidligere rapporteret beviser for et overskud over standardmodellens forventninger i en bestemt henfaldsparameter, P5'. Den nye ATLAS-måling viser også et beskedent overskud, dog med betydelige statistiske usikkerheder. Analyse af det nye datasæt skulle gøre det muligt at få et klarere billede af denne proces.

Ud over, ATLAS præsenterede præcise nye målinger af produktionen og egenskaberne af fotonpar i 8 TeV-kollisioner. Dette resultat repræsenterer en vigtig tilføjelse til vores forståelse af kvantekromodynamik (QCD), Standard Model-teorien om den stærke kraft.

Eftersøgningen fortsætter

Selvom der endnu ikke er fundet beviser for ny fysik, disse nye resultater har givet afgørende input til vores teoretiske modeller og har i høj grad forbedret vores forståelse af standardmodellen. Vi kan se frem til flere resultater ved at bruge det nye datasæt i de kommende måneder. Hvad er mere, med LHC indstillet til at fortsætte sin fremragende præstation i 2017, ATLAS kan forvente endnu større følsomhed i de kommende resultater.