Effektiviteten av att rekonstruera en lepton från sönderfallet av en långlivad partikel, mätt i simulerade händelser, visas som en funktion av avståndet mellan leptonspåret och kollisionspunkten (d0). De heldragna blå cirklarna visar effektiviteten med standard ATLAS-rekonstruktionstekniker. De helfärgade lila rutorna indikerar effektiviteten med hjälp av ytterligare spårning för undanträngda partiklar och speciella identifieringskriterier som utvecklats för denna sökning. Upphovsman:ATLAS Collaboration/CERN
Trots dess årtionden av prediktiv framgång, det finns viktiga fenomen som lämnas oförklarade av standardmodellen för partikelfysik. Ytterligare teorier måste finnas som fullständigt kan beskriva universum, även om definitiva signaturer för partiklar bortom standardmodellen ännu inte har dykt upp.
Forskare vid ATLAS-experimentet vid CERN breddar sitt omfattande sökprogram för att leta efter mer ovanliga signaturer av okänd fysik, såsom långlivade partiklar. Dessa nya partiklar skulle ha en livslängd på 0,01 till 10 ns; för jämförelse, Higgs-bosonen har en livstid på 10
–13
ns. En teori som naturligt motiverar långlivade partiklar är supersymmetri (SUSY). SUSY förutspår att det finns "superpartner"-partiklar som motsvarar partiklarna i standardmodellen med olika spinnegenskaper.
En ny sökning från ATLAS Collaboration letar efter superpartners till elektronen, muon och tau lepton, kallas "sleptons" ("selektor", "smuon", och "stau", respektive). Sökningen tar hänsyn till scenarier där sleptoner skulle produceras i par och kopplas svagt till deras sönderfallsprodukter och på så sätt bli långlivade. I denna modell, varje långlivad slepton skulle färdas en bit (beroende på deras genomsnittliga livslängd) genom detektorn innan den sönderfaller till en standardmodell lepton och en lätt oupptäckbar partikel. Fysiker skulle alltså observera två leptoner som verkar komma från olika platser än där proton-protonkollisionen inträffade.
Övre gränser fastställda av analysen av livslängden för möjliga slemhinnor som en funktion av svävningsmassan. De heldragna linjerna indikerar den observerade gränsen, de streckade linjerna visar den förväntade gränsen vid inga statistiska fluktuationer, och de färgade områdena exkluderas av analysresultatet. Det uteslutna området är mindre för staus än för selectrons och smuoner eftersom det beror på att den producerade standardmodellen taus sönderfaller till elektroner eller myoner. Gränsernas beroende av sleptonmassan härrör mest från slepton-parproduktionstvärsnittet som kraftigt minskar med massan. Upphovsman:ATLAS Collaboration/CERN
Denna unika signatur utgjorde en utmaning för fysiker. Även om många teorier förutspår partiklar som kan färdas i ATLAS-detektorn under en tid innan de sönderfaller, typisk datarekonstruktion och analys är inriktad på nya partiklar som skulle sönderfalla omedelbart, så som tunga standardmodellpartiklar gör. ATLAS-fysiker var alltså tvungna att utveckla nya metoder för att identifiera partiklar för att öka sannolikheten för att rekonstruera dessa "förskjutna" leptoner. Endast förskjutna elektroner och myoner studerades i denna analys, men resultaten kan tillämpas på taus också, eftersom taus sönderfaller snabbt till en elektron eller en myon i cirka en tredjedel av fallen.
Eftersom partiklarna som skapas av sönderfallet av en långlivad partikel skulle dyka upp borta från kollisionen, ovanliga bakgrundskällor kan uppstå:fotoner felidentifierade som elektroner, myoner som är felmätta, och dåligt uppmätta kosmiska strålmyoner. Kosmiska strålmyoner kommer från högenergipartiklar som kolliderar med vår atmosfär och kan passera ATLAS-detektorn. Eftersom de inte nödvändigtvis passerar genom detektorn nära kollisionspunkten, de kan se ut som om de härrörde från ett långlivat partikelsönderfall. ATLAS-fysiker har utvecklat tekniker inte bara för att minska dessa källors bidrag utan också för att uppskatta hur mycket var och en bidrar till sökningen.
Analysen hittade inga kollisionshändelser med fördrivna leptoner som klarade urvalskraven, ett resultat som överensstämmer med den låga förväntade bakgrundsmängden. Med hjälp av dessa resultat, fysiker sätter gränser för sovens massa och livslängd. Under den sovlivstid som denna sökning är mest känslig för (cirka 0,1 nanosekunder) kunde ATLAS utesluta selectrons och smuoner upp till en massa på cirka 700 GeV, och staus upp till cirka 350 GeV. De tidigare bästa gränserna för dessa långlivade partiklar var runt 90 GeV och kom från experimenten med Large Electron-Positron Collider (LEP), CERN:s föregångare till LHC. Detta nya resultat är det första som gör ett uttalande om denna modell med hjälp av LHC-data.
