El Experimento ATLAS en el CERN busca signos de supersimetría, una teoría que amplía el Modelo Estándar para responder a muchas preguntas sin resolver sobre el Universo. Crédito:Colaboración ATLAS / CERN
El modelo estándar es una teoría notablemente exitosa pero incompleta. La supersimetría (SUSY) ofrece una solución elegante a las limitaciones del modelo estándar, extendiéndolo para dar a cada partícula una "supercompañera" pesada con diferentes propiedades de giro (un número cuántico importante que distingue las partículas de materia de las partículas de fuerza y el bosón de Higgs). Por ejemplo, los sleptones son los supercompañeros de espín 0 de los electrones de espín 1/2, muones y leptones tau, mientras que los charginos y neutralinos son las contrapartes de spin 1/2 de los bosones de Higgs de spin 0 (SUSY postula un total de cinco bosones de Higgs) y bosones de calibre de spin 1.
Si estas supercompañeras existen y no son demasiado masivas, se producirán en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN y podrían estar ocultos en los datos recopilados por el detector ATLAS. Sin embargo, a diferencia de la mayoría de los procesos del LHC, que se rigen por fuertes interacciones de fuerza, estos supercompañeros se crearían a través de la interacción electrodébil mucho más débil, reduciendo así sus tasas de producción. Más lejos, Se espera que la mayoría de estas nuevas partículas de SUSY sean inestables. Los físicos solo pueden buscarlos rastreando sus productos de desintegración, generalmente en una partícula conocida del Modelo Estándar y la partícula supersimétrica más ligera (LSP), que podría ser estable y no interactuar, formando así un candidato natural a materia oscura.
El 20 de mayo 2019, en la conferencia Large Hadron Collider Physics (LHCP) en Puebla, México, y en la conferencia SUSY2019 en Corpus Christi, NOSOTROS., ATLAS Collaboration presentó numerosas búsquedas nuevas de SUSY basadas en el conjunto de datos completo del LHC Run 2 (tomado entre 2015 y 2018), incluyendo dos búsquedas particularmente desafiantes para SUSY electrodébil. Ambas búsquedas apuntan a partículas que se producen a velocidades extremadamente bajas en el LHC, y se descomponen en partículas del Modelo Estándar que son difíciles de reconstruir. La gran cantidad de datos recopilados con éxito por ATLAS en la Ejecución 2 brinda una oportunidad única para explorar estos escenarios con nuevas técnicas de análisis.
Busca el "stau"
Los experimentos de física de colisionadores y astropartículas han establecido límites en la masa de varias partículas SUSY. Sin embargo, un supercompañero importante:el tau slepton, conocido como el stau, aún no se ha encontrado más allá del límite de exclusión de alrededor de 90 GeV encontrado en el predecesor del LHC en el CERN, el colisionador grande de electrones y positrones (LEP). Una luz stau, si existiera, podría desempeñar un papel en la coaniquilación neutralino, moderar la cantidad de materia oscura en el universo visible, que de otro modo sería demasiado abundante para explicar las mediciones astrofísicas.
Figura 1:Izquierda:Los límites observados (esperados) en la producción combinada de pares de estado izquierdo y derecho se muestran con la línea roja (línea discontinua negra). Derecha:Los límites observados (esperados) en la producción del par stau-left se muestran con la línea roja (línea discontinua negra). La masa de stau se muestra en el eje x, mientras que la masa del LSP se muestra en el eje y. Crédito:Colaboración ATLAS / CERN
La búsqueda de una luz es un desafío experimental debido a su tasa de producción extremadamente baja en las colisiones protón-protón del LHC. requiriendo técnicas avanzadas para reconstruir los leptones tau del Modelo Estándar en los que puede descomponerse. De hecho, durante la Ejecución 1, Los experimentos del LHC sólo pudieron excluir una región estrecha de parámetros alrededor de una masa de 109 GeV y un neutralino más ligero sin masa.
Esta primera búsqueda de stau de ATLAS Run 2 tiene como objetivo la producción directa de un par de staus, cada uno decayendo en un leptón tau y un LSP invisible. Cada leptón tau se desintegra aún más en hadrones y un neutrino invisible. Por lo tanto, los eventos de señal se caracterizarían por la presencia de dos conjuntos de hadrones cercanos y una gran energía transversal faltante (ETmiss) que se origina en el LSP invisible y los neutrinos. Los eventos se clasifican además en regiones con ETmiss medio y alto, para examinar diferentes escenarios de masas de estado.
Los datos de ATLAS no revelaron pistas para la producción de stau pair y, por lo tanto, se establecieron nuevos límites de exclusión en la masa de staus. Estos límites se muestran en la Figura 1 utilizando diferentes supuestos sobre la presencia de ambos tipos posibles de stau (izquierda y derecha, refiriéndose a los dos estados de espín diferentes del leptón del compañero tau). Los límites obtenidos son los más fuertes obtenidos hasta ahora en estos escenarios.
Búsqueda comprimida
Una de las razones por las que los físicos aún no han visto charginos y neutralinos puede ser porque sus masas están comprimidas. En otras palabras, están muy cerca de la masa del LSP. Esto se espera en escenarios donde estas partículas son higgsinos, los supercompañeros de los bosones de Higgs.
Figura 2:Los límites observados (esperados) en la producción de higgsino se muestran con la línea roja (línea discontinua azul). La masa del higgsino producido se muestra en el eje x, mientras que la diferencia de masa con el LSP se muestra en el eje y. La región gris representa los modelos excluidos por los experimentos LEP; la región azul, la restricción de la búsqueda ATLAS anterior de higgsinos. Crédito:Colaboración ATLAS / CERN
Los higgsinos comprimidos se desintegran en pares de electrones o muones con momentos muy bajos. Es un desafío identificar y reconstruir estas partículas en un entorno con más de mil millones de colisiones de alta energía por segundo y un detector diseñado para medir partículas de alta energía, como tratar de localizar a una persona susurrando en una habitación muy concurrida y ruidosa.
Una nueva búsqueda de higgsinos utiliza muones medidos con un nivel bajo sin precedentes:para ATLAS, hasta ahora, momentos. También se beneficia de técnicas de análisis nuevas y únicas que permiten a los físicos buscar higgsinos en áreas que antes eran inaccesibles. Por ejemplo, la búsqueda utiliza pistas de partículas cargadas, que se puede reconstruir con un impulso muy bajo, como proxy de uno de los electrones o muones del par de desintegración. Debido a la pequeña diferencia de masa entre los higgsinos, También se espera que la masa del par electrón / muón y pista sea pequeña.
Una vez más, no se encontraron signos de higgsinos en esta búsqueda. Como se muestra en la Figura 2, Los resultados se utilizaron para ampliar las restricciones sobre las masas de higgsino establecidas por ATLAS en 2017 y por los experimentos LEP en 2004.
En general, Ambos conjuntos de resultados imponen fuertes limitaciones a importantes escenarios supersimétricos, que guiará las futuras búsquedas de ATLAS. Más lejos, proporcionan ejemplos de cómo las técnicas de reconstrucción avanzadas pueden ayudar a mejorar la sensibilidad de las nuevas búsquedas físicas.
