ATLAS Experiment frigiver ny søgning efter partikler med lang levetid

På trods af sine årtiers forudsigende succes, der er vigtige fænomener, der ikke er forklaret ved standardmodellen for partikelfysik. Yderligere teorier skal eksistere, der fuldt ud kan beskrive universet, selvom endelige signaturer af partikler ud over standardmodellen endnu ikke er dukket op.

Forskere ved ATLAS -eksperimentet på CERN udvider deres omfattende søgeprogram for at lede efter mere usædvanlige signaturer af ukendt fysik, såsom partikler med lang levetid. Disse nye partikler ville have en levetid på 0,01 til 10 ns; til sammenligning, Higgs boson har en levetid på 10 ^–13 ns. En teori, der naturligt motiverer langlivede partikler, er supersymmetri (SUSY). SUSY forudsiger, at der er "superpartner" -partikler, der svarer til partiklerne i standardmodellen med forskellige spin -egenskaber.
En ny søgning fra ATLAS Collaboration leder efter elektronens superpartnere, muon og tau lepton, kaldet "sleptons" ("selectron", "smuon", og "stau", henholdsvis). Søgningen overvejer scenarier, hvor sovesofoner ville blive produceret i par og svagt koblet til deres forfaldne produkter og så blive langlivede. I denne model, hver lang levetid slepton ville rejse et stykke (afhængigt af deres gennemsnitlige levetid) gennem detektoren, før den forfaldt til en standardmodel lepton og en let ikke-detekterbar partikel. Fysikere ville således observere to leptoner, der ser ud til at komme fra forskellige steder, end hvor proton -proton -kollisionen opstod.

Denne unikke signatur udgjorde en udfordring for fysikere. Selvom mange teorier forudsiger partikler, der kunne bevæge sig i ATLAS -detektoren i nogen tid, før de forfalder, typisk datarekonstruktion og analyse er orienteret mod nye partikler, der øjeblikkeligt ville henfalde, den måde tunge Standard Model -partikler gør. ATLAS -fysikere måtte således udvikle nye metoder til at identificere partikler for at øge sandsynligheden for at rekonstruere disse "fordrevne" leptoner. Kun forskudte elektroner og muoner blev undersøgt i denne analyse, men resultaterne kunne også anvendes på taus, da taus hurtigt forfalder til en elektron eller en muon i omkring en tredjedel af tilfældene.

Fordi partiklerne, der blev skabt ved forfaldet af en langlivet partikel, ville vise sig væk fra kollisionen, usædvanlige baggrundskilder kan opstå:fotoner fejlagtigt identificeret som elektroner, muoner, der er forkert målt, og dårligt målte kosmiske strålemuoner. Kosmisk strålemuoner kommer fra partikler med høj energi, der støder sammen med vores atmosfære og kan krydse ATLAS-detektoren. Da de ikke nødvendigvis passerer gennem detektoren nær kollisionspunktet, de kan se ud som om de stammer fra et langlivet partikelforfald. ATLAS -fysikere har udviklet teknikker ikke kun til at reducere disse kilders bidrag, men også til at estimere, hvor meget hver bidrager til søgningen.

Analysen fandt ikke nogen kollisionshændelser med fortrængte leptoner, der passerede selektionskravene, et resultat, der er i overensstemmelse med den lavt forventede baggrundsoverflod. Ved hjælp af disse resultater, fysikere sætter grænser for sleptons masse og levetid. I den levetid på slepton, som denne søgning er mest følsom over for (ca. 0,1 nanosekunder), var ATLAS i stand til at ekskludere selectrons og smuons op til en masse på omkring 700 GeV, og standser op til omkring 350 GeV. De tidligere bedste grænser for disse langlivede partikler var omkring 90 GeV og kom fra eksperimenterne på Large Electron-Positron Collider (LEP), CERNs forgænger til LHC. Dette nye resultat er det første til at afgive en erklæring om denne model ved hjælp af LHC -data.