Ett team av forskare vid University of Chicago inledde nyligen sitt livs sökande – eller snarare, ett sökande efter livslängden för långlivade supersymmetriska partiklar.

Supersymmetri är en föreslagen teori för att utöka standardmodellen för partikelfysik. I likhet med det periodiska systemet för grundämnen, Standardmodellen är den bästa beskrivningen vi har för subatomära partiklar i naturen och de krafter som verkar på dem.

Men fysiker vet att den här modellen är ofullständig – den ger inte plats för gravitation eller mörk materia, till exempel. Supersymmetri syftar till att komplettera bilden genom att para ihop varje standardmodellpartikel med en supersymmetrisk partner, öppna en ny klass av hypotetiska partiklar att upptäcka och upptäcka. I en ny studie, UChicago-fysiker har upptäckt begränsningar för vilka egenskaper dessa superpartners, om de finns, hade kunnat.

"Supersymmetri är verkligen den mest lovande teorin vi har för att lösa så många problem som möjligt i standardmodellen, sa Tova Holmes, biträdande professor vid University of Tennessee, Knoxville, som arbetade med experimentet som postdoktor vid UChicago. "Vårt arbete passar in i ett större arbete vid Large Hadron Collider för att ompröva hur vi söker efter ny fysik."

Large Hadron Collider, ligger i Europa på CERN, accelererar protoner till nästan ljusets hastighet innan de tvingar dem att kollidera. Dessa proton-protonkollisioner producerar en mängd ytterligare partiklar där forskare hoppas hitta ny fysik.

"Men vid Large Hadron Collider, nya fysikhändelser är extremt sällsynta och svåra att identifiera i skräpet av kolliderande partiklar, " sa prof. Young-Kee Kim, ordförande för UChicagos fysikavdelning och medförfattare till studien, en insats som helt och hållet leds av kvinnor.

UChicago-teamet sökte efter produktionen av sleptoner - hypotetiska superpartners till den existerande elektronen, muon, och tau leptoner – med hjälp av data som samlats in i ATLAS, en partikeldetektor vid CERN. I den testade supersymmetrimodellen, Sleptoner antas ha lång livslängd, vilket innebär att de kan resa långt innan de förfaller till något som kan upptäckas av ATLAS.

"Ett av sätten vi kan missa ny fysik är om partikeln inte sönderfaller snabbt när den produceras, sade Holmes. Vanligtvis, vi är blinda för långlivade partiklar i våra sökningar, eftersom vi i princip klipper ut allt som inte ser ut som ett standardpromptförfall i vår detektor."

Sleptoner förväntas så småningom förfalla till sina vanliga leptonpartners. Men till skillnad från konventionella förfall, dessa leptoner kommer att förskjutas, vilket betyder att de inte pekar tillbaka till den ursprungliga proton-protonkollisionspunkten. Det var denna unika egenskap som fysiker letade efter.

Under fyra år av insamlad ATLAS-data, dock, UChicago-forskare hittade inga fördrivna leptonhändelser. Den bristen på upptäckt tillät dem att sätta vad som kallas en gräns, utesluter en rad massor och livstider som långlivade sovmänniskor kan ha.

"Vi är minst 95% säkra på att om det finns en sleepton i denna modell, den har inte massorna och livstiderna i de skuggade delarna av den här tomten, sa Lesya Horyn, nypräglad Ph.D. från UChicago som nyligen avslutade sin avhandling om denna mätning.

Gör ett nollresultat laget besviken? Inte alls.

"Att hitta ingenting säger dig så mycket, " sa Horyn. Vetskapen om att långlivade sleptoner inte har vissa massor och livstider informerar forskare om var de ska fokusera framtida sökningar.

"Så som jag ser det, den här sökningen var det främsta som teoretiker ville ha täckt, " sa Holmes. "Det verkade som om vi kunde göra det - och det gjorde vi!"

Resultatet har gett teamet energi att tänja på gränserna ännu längre. Någon gång under nästa decennium, Large Hadron Collider kommer att gå in i sin periodiska avstängning, lämnar gott om tid för ATLAS hårdvara att uppgraderas.

"Detta var ett första pass vid analysen, så det finns definitivt platser att förbättra, sa Horyn.

En pressande uppgradering kommer att vara en förnyelse av triggersystemet, som väljer om händelser ska sparas eller slängas. Triggern är för närvarande optimerad för att lagra sönderfall från kortlivade partiklar, inte de långlivade sleptonerna som är centrala för denna supersymmetrisökning.

Mer omedelbara förbättringar kan göras utan att vänta på avstängningen.

"Framtida steg kan innefatta att söka efter samma modell med hjälp av mer robust data från nästa körningar av Large Hadron Collider, sa Xiaohe Jia, en doktorand vid Harvard som arbetade med experimentet som en UChicago-student. En annan väg att utforska, Hon sa, skulle kunna använda liknande tekniker för att utöka den långlivade partikelsökningen bortom bara sleptoner.

Tills vidare, fullbordandet av standardmodellen förblir ett mysterium, men teamet är stolta över att ha lett ett första sökande efter denna supersymmetrimodell i ATLAS.

"Att upptäcka ny fysik är som att hitta en nål i en höstack, " sa Kim. "Även om vi inte såg något i den aktuella informationen, det finns stora möjligheter för framtiden!"