Nye søgninger efter supersymmetri præsenteret af ATLAS -eksperiment

Standardmodellen er en bemærkelsesværdig vellykket, men ufuldstændig teori. Supersymmetri (SUSY) tilbyder en elegant løsning på standardmodellens begrænsninger, udvide den til at give hver partikel en tung "superpartner" med forskellige spin-egenskaber (et vigtigt kvantetal, der adskiller stofpartikler fra kraftpartikler og Higgs-bosonen). For eksempel, sleeptoner er spin 0 superpartnere af spin 1/2 elektroner, muoner og tau leptoner, mens charginos og neutralinos er spin 1/2 modparter til spin 0 Higgs bosoner (SUSY postulerer i alt fem Higgs bosoner) og spin 1 gauge bosoner.

Hvis disse superpartnere eksisterer og ikke er for massive, de vil blive produceret på CERNs Large Hadron Collider (LHC) og kan skjule sig i data indsamlet af ATLAS-detektoren. Imidlertid, i modsætning til de fleste processer ved LHC, som er styret af stærke kraftinteraktioner, disse superpartnere ville blive skabt gennem den meget svagere elektro svage interaktion, og dermed sænke deres produktionshastigheder. Yderligere, de fleste af disse nye SUSY -partikler forventes at være ustabile. Fysikere kan kun søge efter dem ved at spore deres henfaldsprodukter - typisk til en kendt standardmodelpartikel og den letteste supersymmetriske partikel (LSP), som kunne være stabil og ikke-interagerende, derved danner en naturlig mørk stof kandidat.

Den 20. maj, 2019, ved Large Hadron Collider Physics (LHCP) konferencen i Puebla, Mexico, og på SUSY2019 -konferencen i Corpus Christi, OS., ATLAS Collaboration præsenterede adskillige nye søgninger efter SUSY baseret på det fulde LHC Run 2-datasæt (taget mellem 2015 og 2018), herunder to særligt udfordrende søgninger efter electroweak SUSY. Begge søgninger retter sig mod partikler, der produceres med ekstremt lave hastigheder ved LHC, og henfalde til standardmodelpartikler, der i sig selv er svære at rekonstruere. Den store mængde data, der med succes er indsamlet af ATLAS i Kør 2, giver en unik mulighed for at udforske disse scenarier med nye analyseteknikker.

Søg efter "stau"

Collider- og astropartikelfysiske eksperimenter har sat grænser for massen af ​​forskellige SUSY -partikler. Imidlertid, en vigtig superpartner - tau slepton, kendt som stau - mangler endnu at findes ud over eksklusionsgrænsen på omkring 90 GeV fundet hos LHC's forgænger ved CERN, den store elektron-positron-kollider (LEP). En lys stau, hvis det findes, kunne spille en rolle i neutralino co-tilintetgørelse, moderere mængden af ​​mørkt stof i det synlige univers, som ellers ville være for rigelig til at forklare astrofysiske målinger.

Søgningen efter en let stau er eksperimentelt udfordrende på grund af dens ekstremt lave produktionshastighed i LHC proton-proton-kollisioner, kræver avancerede teknikker til at rekonstruere standardmodellen tau leptoner, den kan forfalde til. Faktisk, under løb 1, kun et snævert parameterområde omkring en stau-masse på 109 GeV og en masseløs letteste neutralino kunne udelukkes ved LHC-eksperimenter.

Denne første ATLAS Run 2 stau-søgning er rettet mod direkte produktion af et par staus, hver henfalder til en tau lepton og en usynlig LSP. Hver tau lepton henfalder yderligere til hadroner og en usynlig neutrino. Signalbegivenheder vil således være karakteriseret ved tilstedeværelsen af ​​to sæt nærliggende hadroner og stor manglende tværgående energi (ETmiss), der stammer fra den usynlige LSP og neutrinoer. Begivenheder er yderligere kategoriseret i regioner med medium og høj ETmiss, at undersøge forskellige stau masse scenarier.

ATLAS -data afslørede ikke tip til produktion af stau -par, og der blev derfor sat nye udelukkelsesgrænser for massen af ​​staus. Disse grænser er vist i figur 1 ved hjælp af forskellige antagelser om tilstedeværelsen af ​​både mulige stau -typer (venstre og højre, med henvisning til de to forskellige spin-tilstande af tau-partnerleptonen). De opnåede grænser er de hidtil stærkeste opnået i disse scenarier.

Komprimeret søgning

En af grundene til, at fysikerne endnu ikke har set charginos og neutralinoer, kan skyldes, at deres masser er komprimeret. Med andre ord, de er meget tæt på massen af ​​LSP. Dette forventes i scenarier, hvor disse partikler er higgsinos, superpartnerne i Higgs bosonerne.

Komprimerede higgsinos henfalder til par af elektroner eller muoner med meget lave momenta. Det er udfordrende at identificere og rekonstruere disse partikler i et miljø med mere end en milliard højenergikollisioner hvert sekund og en detektor designet til at måle højenergipartikler-som at forsøge at lokalisere en hviskende person i et meget overfyldt og støjende rum.

En ny søgning efter higgsinos bruger myoner målt med hidtil uset lavt niveau - for ATLAS, indtil videre - momenta. Det drager også fordel af nye og unikke analyseteknikker, der gør det muligt for fysikere at lede efter higgsinoer i områder, der tidligere var utilgængelige. For eksempel, søgningen bruger ladede partikelspor, som kan rekonstrueres med meget lav fart, som en proxy for en af ​​elektronerne eller muonerne i henfaldsparet. På grund af den lille masseforskel mellem higgsinoerne, massen af ​​elektron/myon og sporpar forventes også at være lille.

Endnu engang, der blev ikke fundet tegn på higgsinos i denne søgning. Som vist i figur 2, resultaterne blev brugt til at udvide begrænsninger på higgsino-masser, der blev fastsat af ATLAS i 2017 og af LEP-eksperimenterne i 2004.

Samlet set, begge sæt resultater sætter stærke begrænsninger på vigtige supersymmetriske scenarier, som vil guide fremtidige ATLAS -søgninger. Yderligere, de giver eksempler på, hvordan avancerede genopbygningsteknikker kan hjælpe med at forbedre følsomheden ved nye fysiske søgninger.