Standardmodellen för partikelfysik inkapslar vår nuvarande kunskap om elementära partiklar och deras interaktioner. Standardmodellen är inte komplett; till exempel, den beskriver inte observationer som gravitation, har ingen förutsägelse för mörk materia, som utgör det mesta av materia i universum, eller att neutrinoer har massa.

För att åtgärda standardmodellens svagheter, fysiker föreslår förlängningar och kontrollerar kollisionerna vid LHC för att se om förutsägelser för dessa modeller av "fysik bortom standardmodellen" skulle dyka upp som nya partiklar eller förändringar i beteendet hos kända partiklar. Supersymmetri, eller SUSY för kort, är en av dessa förlängningar av standardmodellen. Supersymmetri förutsäger att varje känd partikeltyp i standardmodellen har en supersymmetrisk partner. Antalet partikeltyper i naturen skulle då effektivt fördubblas, och många nya interaktioner mellan de vanliga partiklarna och de nya SUSY -partiklarna skulle vara möjliga.

Vid ett collider -experiment som CMS, förhoppningen är att producera några SUSY -partiklar och sedan leta efter tecken på deras förfall inuti detektorn. En av de vanligaste signaturerna för supersymmetri skulle mätas som till synes saknade partiklar som skapar en betydande energibalans i detektorn som kallas saknad tvärsenergi. Detta är en slutstatssignatur som är svår att missa!

Många sökningar har genomförts vid CMS för att leta efter dessa högt saknade tvärgående energisignaturer, men inga sådana bevis för supersymmetri har hittats. Men, kanske supersymmetri finns där, och det är bara "smygare" än man först trodde. Det finns många olika möjliga signaturer som supersymmetri kan skapa, och i vissa modifierade versioner av supersymmetri, en nyckelfunktion är förutsägelsen att alla SUSY -partiklar skulle förfalla tillbaka till standardmodellpartiklar, till exempel, kvarker, var och en som skulle visas i detektorn som en spray av partiklar, som kallas en jet. Om denna version av supersymmetri är verklig, SUSY-partiklarnas produktion vid en proton-protonkollision kommer att resultera i ett slutligt tillstånd med många jetstrålar snarare än en med betydande saknad energi. I detta fall, det vore vettigt varför dessa tidigare sökningar inte har hittat något!

Målet med denna sökning är att ta reda på om supersymmetri har gömt sig där hela tiden genom att specifikt leta efter produktion av två supersymmetriska toppkvarker (kallade toppkvarker). Dessa toppkvarkar förfaller i detektorn, skapa två toppkvarkar och många andra jetplan, som visas i figur 1. Denna signatur är inte lika tydlig som en som innehåller stora mängder saknad energi eftersom det finns många olika sätt som standardmodellen kan producera två toppkvarkar och massor av jetstrålar. Dock, denna toppkvarksignal tenderar att göra fler jetstrålar i genomsnitt än någon av de kända bakgrundsprocesserna. Modelleringen av händelser med ett mycket stort antal jetplan är också mycket knepigt, och inte ens de bästa simuleringsverktygen gör det alltid rätt. Därför, data åberopas för att förutsäga antalet händelser med ett visst antal jets.

Vår strategi hade inte varit möjlig utan att utnyttja kraften i maskininlärning och neurala nätverk. En cool maskininlärningsteknik som användes för att identifiera kollisioner som kan innehålla sönderfall av toppkvarkar kallas gradientomvändning, vilket kan förklaras på följande sätt. Tänk dig att du sorterar choklad i två kategorier:choklad med kola och vanliga choklad. Du vet att karamellchoklad är tyngre än vanliga choklad eftersom de är fyllda med karamell. Låt oss också säga att chokladen bara finns i två former bland alla karameller och vanliga sorter:rutor eller cirklar. Till sist, du får höra att de fyrkantiga chokladerna är, i genomsnitt, tyngre än de cirkulära.

Ett sätt att sortera chokladerna är att sortera alla de fyrkantiga chokladerna som karamellchoklad och alla cirkulära choklad som vanliga choklad. Trots allt, både fyrkantiga choklad och karamellchoklad är i allmänhet tyngre. Denna sorteringsmetod är inte korrekt eftersom inte alla fyrkantiga choklad har karamell i sig, så det är nog bättre att sortera chokladerna oberoende av deras form. Att ignorera form vid sortering motsvarar vad gradientomvändning gör att vi kan göra i fysikens sammanhang. Istället för karamell och vanlig choklad, sorteringen är mellan signal- och bakgrundshändelser, och istället för form, sorteringen ska vara oberoende av antalet strålar.

Denna strategi är exakt vad som behövs för att modellera fördelningen av antalet jetfly direkt från data. Händelser i bakgrundskategorin används för att förutsäga hur många händelser det ska vara med ett visst antal jetstrålar i signalkategorin. Eftersom signalmodellen tenderar att producera fler jetstrålar än standardmodellens bakgrunder, alla avvikelser från förutsägelsen kan innebära att det verkligen gömde sig några SUSY där.

Figur 2 visar en jämförelse av antalet jetsfördelning som erhållits från de insamlade data med den från vår slutliga bakgrundsprognos. I detta fall, förutsägelsen förutsätter att det inte finns något bidrag från våra hypoteserade signalmodeller. Här, överensstämmelsen mellan data och vår förutsägelse från fyra kategorier av standardmodellprocesser är någorlunda bra.

När data är uppdelade i fler kategorier än vad som visas i figur 2, en liten avvikelse från vår förutsägelse hittas. Dock, avvikelsen är inte tillräckligt stor för att göra ett starkt påstående om huruvida detta indikerar att supersymmetri kan vara korrekt. Det är troligt att det bara var en statistisk fluktuation i data, eller kanske att det finns ett okänt modellproblem.

Inom partikelfysik, "guldstandarden" är att förklara en upptäckt av ny fysik när ett resultat har en betydelse av 5 standardavvikelser eller högre. Detta innebär att det bara finns en 1 på 3,5 miljoner chans att resultatet bara är från en slumpmässig fluktuation i data. Bevis, eller hävdar att något är intressant nog för att överväga möjligheten att det kan vara nytt, görs endast med en betydelse av 3 standardavvikelser, representerar en 1 av 740 chans att resultatet är en fluktuation. Denna standard är mycket strikt jämfört med de flesta andra vetenskapliga discipliner. LHC producerar en enorm mängd data, så det kan verkligen hända att en avvikelse från standardmodellprediktionen erhålls bara av en slump. Inom partikelfysik, det är definitivt inte motiverat att göra anspråk på någon avvikelse utan att allvarligt undersöka dess statistiska giltighet.

Betydelsen av den största avvikelsen som observerades i denna analys, utan korrigering för utseendet någon annanstans, är 2,8 standardavvikelser. Detta innebär att även om det inte finns någon supersymmetri, man förväntar sig att se ett sådant resultat var 368 gånger, långt under 5 standardavvikelsetröskeln. Med tanke på att CMS har publicerat mer än 1000 artiklar, många tittar på tiotals eller hundratals platser, du kan se att enstaka fluktuationer i ett resultat inte alls är förvånande. Resultaten kan också tolkas som en gräns för tillåtna smygande supersymmetri -scenarier som fortfarande överensstämmer med data. Beroende på modellens detaljer, toppkvarkmassor under ~ 700 GeV kan uteslutas.

Denna sökning är den första i sitt slag på LHC, belyser en tidigare outforskad signatur. Den lilla skillnaden som upptäcks är lockande och föranleder uppföljningsstudier för att undersöka om dess ursprung är en enkel statistisk fluktuation, om det beror på vår förståelse av standardmodellen, vilket skulle vara intressant i sig, eller om det kan vara det första tecknet på ny fysik. Också, från och med 2022, nästa datatagningsperiod för LHC startar. Detta kommer att hjälpa CMS att göra ännu starkare slutsatser om möjligheten till ny fysik. Om smygande supersymmetri verkligen finns där, då skulle denna extra data möjliggöra ett mer betydande resultat, potentiellt pressar mot guldstandarden för upptäckt.