ATLAS frigiver nye resultater i søgen efter svagt interagerende supersymmetriske partikler

Supersymmetri er en udvidelse af standardmodellen, der kan forklare oprindelsen af ​​mørkt stof og bane vejen for en storslået forenet naturteori. For hver partikel i standardmodellen, supersymmetri introducerer en eksotisk ny "superpartner, " som kan produceres i proton-proton-kollisioner. At søge efter disse partikler er i øjeblikket en af ​​topprioriteterne i LHC-fysikprogrammet. En opdagelse ville transformere vores forståelse af stoffets byggesten og de grundlæggende kræfter, førte til et paradigmeskifte i fysik svarende til, da Einsteins relativitetsteori afløste klassisk newtonsk fysik i begyndelsen af ​​20'erne ^th århundrede.

Supersymmetriske partikler (eller "partikler") er grupperet i to kategorier med forskellige egenskaber, der afhænger af styrken af ​​deres interaktioner med protoner. Stærkt interagerende partikler kan produceres med store hastigheder og føre til slående, energiske hændelser i detektoren. Svagt interagerende spartikker produceres ved lavere hastigheder og fører til mindre slående signaturer, gør dem sværere at skelne fra standardmodellens baggrundsprocesser.

Da LHC-kollisionsenergien blev øget fra 8 til 13 billioner elektronvolt (TeV) i kørsel 2 for at øge opdagelsesrækkevidden, en bred vifte af søgninger efter stærkt vekselvirkende spartikler er blevet udført. Nulresultater i disse søgninger indikerer, at hvis de findes, stærkt vekselvirkende partikler skal være meget tunge - mindst flere hundrede gange tungere end protonen. På grund af de mindre produktionshastigheder, større dataprøver er nødvendige for at sondere svagt interagerende partikler, og mere optimerede udvælgelseskriterier er nødvendige for at skille det lille signal fra baggrunden.

ATLAS-fysikere præsenterede en af ​​de første Run 2-søgninger efter svagt interagerende spartikler på LHCP 2017-konferencen. Søgningen retter sig mod produktionen af ​​spartikler kaldet charginos, tunge neutralinoer, og sleeptons. Hvis produceret på LHC, disse partikler ville henfalde til leptoner (elektroner eller deres tungere fætre, myonerne) og stabile mørkt stofpartikler kaldet lette neutralinoer. Disse mørkt stof neutralinoer ville fjerne uset energi, da de ikke interagerer med detektoren, fører til ubalancerede kollisionshændelser, der ser ud til at krænke momentumbevarelse. Dette "manglende tværgående momentum" er nøglesignaturen, der udnyttes af ATLAS-detektoren til at udlede produktionen af ​​mørkt stofpartikler.

Analysen valgte kollisionsbegivenheder indeholdende to eller tre elektroner og myoner og stort manglende tværgående momentum. Figuren viser den målte fordeling (datapunkter) af manglende tværgående momentum i hændelser med tre leptoner, sammenlignet med det, der forventes fra standardmodellen (farvet histogram). Der blev ikke observeret nogen væsentlig afvigelse fra forventningen. Resultaterne blev brugt til at sætte strenge grænser for svagt interagerende partikler med masser så store som 1150 milliarder elektronvolt (GeV), de tungeste sådanne partikler hidtil undersøgt ved ATLAS.

Svagt vekselvirkende partikler kan have unddraget sig detektion i denne søgning, hvis de produceres med meget små hastigheder eller ikke producerer meget energi i detektoren. Begge disse funktioner forventes i modeller med lette higgsinoer, Higgs-bosonens superpartnere. Fremtidige søgninger vil udnytte større dataprøver for at opnå følsomhed over for endnu mindre produktionshastigheder. Forbedringer af disse søgninger er undervejs, som anvender reducerede leptonmomentumtærskler og nye signal- versus baggrundsdiskriminerende variabler for at øge følsomheden over for modeller, der producerer endnu mindre energi i detektoren. En opdagelse i disse søgninger kunne kaste lys over mørkt stofs natur og hjælpe med at løse "hierarkiproblemet, "en grundlæggende teoretisk mangel ved standardmodellen, der fører til en forudsagt Higgs-bosonmasse, der er omkring 16 størrelsesordener for stor.