Standardmodellen är en anmärkningsvärt framgångsrik men ofullständig teori. Supersymmetri (SUSY) erbjuder en elegant lösning på standardmodellens begränsningar, att förlänga den för att ge varje partikel en tung "superpartner" med olika spinnegenskaper (ett viktigt kvantantal som skiljer materialpartiklar från kraftpartiklar och Higgsbosonet). Till exempel, Sleptons är spin 0 superpartners av spin 1/2 elektroner, muoner och tau leptoner, medan charginos och neutralinos är spinn 1/2 motparter till spin 0 Higgs bosoner (SUSY postulerar totalt fem Higgs bosoner) och spin 1 gauge bosoner.

Om dessa superpartners finns och inte är för massiva, de kommer att produceras vid CERNs Large Hadron Collider (LHC) och kan gömma sig i data som samlats in av ATLAS -detektorn. Dock, till skillnad från de flesta processer vid LHC, som styrs av starka kraftinteraktioner, dessa superpartners skulle skapas genom den mycket svagare elektriskt svaga interaktionen, vilket sänker deras produktionstakter. Ytterligare, de flesta av dessa nya SUSY -partiklar förväntas vara instabila. Fysiker kan bara söka efter dem genom att spåra deras sönderfallsprodukter - vanligtvis till en känd standardmodellpartikel och den lättaste supersymmetriska partikeln (LSP), som kan vara stabil och icke-interagerande, bildar därmed en naturlig kandidat för mörk materia.

Den 20 maj, 2019, vid konferensen Large Hadron Collider Physics (LHCP) i Puebla, Mexiko, och på SUSY2019 -konferensen i Corpus Christi, USA, ATLAS Collaboration presenterade många nya sökningar efter SUSY baserat på hela LHC Run 2 -datasetet (taget mellan 2015 och 2018), inklusive två särskilt utmanande sökningar efter electroweak SUSY. Båda sökningarna riktar sig mot partiklar som produceras med extremt låga hastigheter vid LHC, och förfalla till standardmodellpartiklar som själva är svåra att rekonstruera. Den stora mängden data som framgångsrikt samlats in av ATLAS i körning 2 ger en unik möjlighet att utforska dessa scenarier med nya analystekniker.

Sök efter "stau"

Collider och astropartikel fysik experiment har satt gränser för massan av olika SUSY partiklar. Dock, en viktig superpartner - tau slepton, känd som stau - har ännu inte hittats utanför gränsen för uteslutning på cirka 90 GeV som hittades hos LHC:s föregångare vid CERN, Large Electron-Positron Collider (LEP). En ljus stau, om det finns, kan spela en roll för neutralino co-förintelse, moderera mängden mörk materia i det synliga universum, som annars skulle vara för rikligt för att förklara astrofysiska mätningar.

Sökandet efter en lätt stau är experimentellt utmanande på grund av dess extremt låga produktionshastighet vid LHC-proton-protonkollisioner, kräver avancerad teknik för att rekonstruera standardmodellen tau leptoner som den kan förfalla till. Faktiskt, under körning 1, endast en smal parameterregion kring en stau -massa på 109 GeV och en masslös lättaste neutralino kunde uteslutas genom LHC -experiment.

Denna första ATLAS Run 2 stau -sökning riktar sig mot den direkta produktionen av ett par staus, varje förfaller till en tau lepton och en osynlig LSP. Varje tau lepton förfaller ytterligare till hadroner och en osynlig neutrino. Signalhändelser skulle således kännetecknas av närvaron av två uppsättningar av närliggande hadroner och stor saknad tvärsenergi (ETmiss) som härrör från det osynliga LSP och neutrinoerna. Händelser kategoriseras vidare i regioner med medelhög och hög ETmiss, för att undersöka olika stau -massscenarier.

ATLAS -data avslöjade inte tips för produktion av stau -par och därför sattes nya uteslutningsgränser för massan av staus. Dessa gränser visas i figur 1 med olika antaganden om förekomsten av både möjliga stau -typer (vänster och höger, med hänvisning till de två olika spinntillstånden hos taupartnern lepton). De erhållna gränserna är de starkaste som hittills erhållits i dessa scenarier.

Komprimerad sökning

En av anledningarna till att fysiker ännu inte har sett charginos och neutralinos kan vara att deras massa är komprimerad. Med andra ord, de är mycket nära massan av LSP. Detta förväntas i scenarier där dessa partiklar är higgsinos, superpartners i Higgs bosoner.

Komprimerade higgsinos förfaller till par elektroner eller muoner med mycket låga moment. Det är utmanande att identifiera och rekonstruera dessa partiklar i en miljö med mer än en miljard högenergikollisioner varannan och en detektor som är utformad för att mäta högenergipartiklar-som att försöka hitta en viskande person i ett mycket trångt och bullrigt rum.

En ny sökning efter higgsinos använder muoner uppmätta med oöverträffat låga - för ATLAS, hittills - momenta. Det drar också nytta av nya och unika analystekniker som gör att fysiker kan leta efter higgsinoer i områden som tidigare inte var tillgängliga. Till exempel, sökningen använder laddade partikelspår, som kan rekonstrueras med mycket låg fart, som en proxy för en av elektronerna eller muonerna i sönderfallsparet. På grund av den lilla massskillnaden mellan higgsinoerna, massan av elektron/muon och spårpar förväntas också vara liten.

Ännu en gång, inga tecken på higgsinos hittades i denna sökning. Som visas i figur 2, resultaten användes för att utöka begränsningarna för higgsino -massor som fastställdes av ATLAS 2017 och av LEP -experimenten 2004.

Övergripande, båda uppsättningarna resultat sätter stora begränsningar för viktiga supersymmetriska scenarier, som kommer att vägleda framtida ATLAS -sökningar. Ytterligare, de ger exempel på hur avancerade rekonstruktionstekniker kan hjälpa till att förbättra känsligheten för nya fysik -sökningar.