Under radaren:Søger efter snigende supersymmetri

Standardmodellen for partikelfysik indkapsler vores nuværende viden om elementarpartikler og deres interaktioner. Standardmodellen er ikke komplet; for eksempel, den beskriver ikke observationer såsom tyngdekraft, har ingen forudsigelse for mørkt stof, som udgør det meste af stoffet i universet, eller at neutrinoer har masse.

For at rette op på standardmodellens svagheder, fysikere foreslår udvidelser og tjekker kollisionerne ved LHC for at se, om forudsigelser af disse modeller af "fysik ud over standardmodellen" ville dukke op som nye partikler eller ændringer i kendte partiklers adfærd. Supersymmetri, eller SUSY for kort, er en af ​​disse udvidelser af standardmodellen. Supersymmetri forudsiger, at enhver kendt partikeltype i standardmodellen har en supersymmetrisk partner. Antallet af partikeltyper i naturen ville så effektivt blive fordoblet, og mange nye interaktioner mellem de almindelige partikler og de nye SUSY-partikler ville være mulige.

Ved et collider-eksperiment som CMS, håbet er at producere nogle SUSY-partikler og derefter lede efter tegn på deres henfald inde i detektoren. En af de mest almindelige signaturer for supersymmetri vil blive målt som tilsyneladende manglende partikler, der skaber en væsentlig energiubalance i detektoren kaldet manglende tværgående energi. Dette er en underskrift i den endelige tilstand, som er svær at gå glip af!

Mange søgninger har fundet sted på CMS for at lede efter disse meget manglende tværgående energisignaturer, men der er ikke fundet noget sådant bevis for supersymmetri. Men, måske er der supersymmetri, og det er bare "tyvende" end først antaget. Der er mange forskellige mulige signaturer, som supersymmetri kan skabe, og i nogle modificerede versioner af supersymmetri, en nøglefunktion er forudsigelsen om, at alle SUSY-partikler ville henfalde tilbage til standardmodelpartikler, for eksempel, kvarker, hver af dem vil fremstå i detektoren som en spray af partikler, som kaldes en jet. Hvis denne version af supersymmetri er ægte, SUSY-partiklernes produktion i en proton-proton-kollision vil resultere i en endelig tilstand med mange jetfly frem for en med betydelig manglende energi. I dette tilfælde, det ville give mening, hvorfor disse tidligere søgninger ikke har fundet noget!

Målet med denne søgning er at finde ud af, om supersymmetri har gemt sig der hele tiden ved specifikt at lede efter produktionen af ​​to supersymmetriske topkvarker (kaldet topsquarks). Disse topsquarks henfalder i detektoren, skabe to topkvarker og mange andre jetfly, som vist i figur 1. Denne signatur er ikke så tydelig som en, der inkluderer store mængder manglende energi, da der er mange forskellige måder, standardmodellen kan producere to topkvarker og masser af jetfly. Imidlertid, dette top squark signal har en tendens til at lave flere jetfly i gennemsnit end nogen af ​​de kendte baggrundsprocesser. Modellering af begivenheder med et meget stort antal jetfly er også meget vanskelig, og selv de bedste simuleringsværktøjer får det ikke altid rigtigt. Derfor, data er baseret på til at forudsige antallet af hændelser med et vist antal jetfly.

Vores strategi ville ikke have været mulig uden at udnytte kraften fra maskinlæring og neurale netværk. En cool maskinlæringsteknik, der blev brugt til at identificere kollisioner, der kunne indeholde henfald af topsquarks, kaldes gradient-vending, som kan forklares på følgende måde. Forestil dig, at du sorterer chokolade i to kategorier:chokolade med karamel og almindelig chokolade. Du ved, at karamelchokolader er tungere end almindelige chokolader, fordi de er fyldt med karamel. Lad os også sige, at chokoladerne kun findes i to former blandt alle karamel- og almindelige varianter:firkanter eller cirkler. Endelig, du får at vide, at de firkantede chokolader er, gennemsnitlig, tungere end de cirkulære.

En måde at sortere chokolader på er at sortere alle de firkantede chokolader som karamelchokolader og alle de runde chokolader som almindelige chokolader. Trods alt, både firkantede chokolader og karamelchokolader er generelt tungere. Denne sorteringsmetode er ikke korrekt, fordi ikke alle firkantede chokolader har karamel i sig, så det er nok bedre at sortere chokoladerne uafhængigt af deres form. At ignorere form ved sortering svarer til, hvad gradient-vending giver os mulighed for i fysiksammenhæng. I stedet for karamel og almindelig chokolade, sorteringen er mellem signal- og baggrundsbegivenheder, og i stedet for form, sorteringen bør være uafhængig af antallet af jetfly.

Denne strategi er netop, hvad der er nødvendigt for at modellere fordelingen af ​​antallet af jetfly direkte fra dataene. Hændelser i baggrundskategorien bruges til at forudsige, hvor mange hændelser der skal være med et vist antal jetfly i signalkategorien. Da signalmodellen har en tendens til at producere flere jetfly end standardmodellens baggrunde, eventuelle afvigelser fra forudsigelsen kan betyde, at der faktisk gemte sig noget SUSY der.

Figur 2 viser en sammenligning af antallet af jets fordeling opnået fra de indsamlede data med den fra vores endelige baggrundsforudsigelse. I dette tilfælde, forudsigelsen antager, at der ikke er noget bidrag fra vores hypotesesignalmodeller. Her, overensstemmelsen mellem data og vores forudsigelse fra fire kategorier af standardmodelprocesser er rimelig god.

Når dataene er opdelt i flere kategorier end vist i figur 2, en lille afvigelse fra vores forudsigelse findes. Imidlertid, afvigelsen er ikke stor nok til at gøre en stærk påstand om, hvorvidt dette indikerer, at supersymmetri kan være korrekt. Det er højst sandsynligt, at der kun var et statistisk udsving i dataene, eller måske at der er et ukendt modelleringsproblem.

I partikelfysik, "guldstandarden" er at erklære en opdagelse af ny fysik, når et resultat har en betydning på 5 standardafvigelser eller mere. Det betyder, at der kun er en chance på 1 ud af 3,5 millioner for, at resultatet kun er fra et tilfældigt udsving i data. Beviser, eller påstå, at noget er interessant nok til at overveje muligheden for, at det kan være nyt, sker kun med en signifikans på 3 standardafvigelser, repræsenterer en 1 ud af 740 chance for, at resultatet er et udsving. Denne standard er meget stringent sammenlignet med de fleste andre videnskabelige discipliner. LHC producerer en enorm mængde data, så det kan faktisk ske, at en afvigelse fra standardmodellens forudsigelse kun opnås ved et tilfældigt tilfælde. I partikelfysik, det er bestemt ikke berettiget at hævde nogen afvigelse uden seriøst at undersøge dens statistiske gyldighed.

Betydningen af ​​den største afvigelse, der blev observeret i denne analyse, uden korrektion for udseendet andetsteds-effekten, er 2,8 standardafvigelser. Det betyder, at selvom der ikke er nogen supersymmetri, man forventer at se et sådant resultat hver 368. gang, et godt stykke under tærsklen på 5 standardafvigelser. I betragtning af at CMS har udgivet mere end 1000 artikler, mange kigger titusinder eller hundredvis af steder, du kan se, at en lejlighedsvis udsving i ét resultat slet ikke er overraskende. Resultaterne kan også fortolkes som en grænse for de tilladte snigende supersymmetri-scenarier, der stadig er i overensstemmelse med dataene. Afhængigt af detaljerne i modellen, top squark masser under ~700 GeV kan udelukkes.

Denne eftersøgning er den første af sin slags på LHC, kaste lys over en hidtil uudforsket signatur. Den lille uoverensstemmelse, der er fundet, er fristende og tilskynder til opfølgende undersøgelser for at undersøge, om dens oprindelse er en simpel statistisk udsving, om det skyldes vores forståelse af standardmodellen, hvilket ville være interessant i sig selv, eller om det kunne være det første tegn på ny fysik. Også, starter i 2022, den næste dataoptagelsesperiode for LHC starter. Dette vil hjælpe CMS med at drage endnu stærkere konklusioner om muligheden for ny fysik. Hvis snigende supersymmetri virkelig er der, så ville disse ekstra data give et mere signifikant resultat, potentielt skubbe mod guldstandarden for opdagelse.