ATLAS實(shí)驗(yàn)提出了對(duì)超對(duì)稱性的新搜索

標(biāo)準(zhǔn)模型是一個(gè)非常成功但不完整的理論。超對(duì)稱(SUSY)為標(biāo)準(zhǔn)模型的局限性提供了一個(gè)優(yōu)雅的解決方案，擴(kuò)展它以使每個(gè)粒子具有不同自旋特性的重“超級(jí)分配器” (一個(gè)重要的量子數(shù)區(qū)分物質(zhì)粒子與力粒子和希格斯玻色子)。例如，睡眠是旋轉(zhuǎn)1/2電子，μ子和tau輕子的旋轉(zhuǎn)0超級(jí)伴侶，而charginos和中性是旋轉(zhuǎn)0希格斯玻色子的旋轉(zhuǎn)1/2對(duì)應(yīng)物(SUSY假設(shè)總共五個(gè)希格斯玻色子)和旋轉(zhuǎn)1規(guī)格的玻色子。

如果這些超級(jí)伙伴存在并且不是太大，它們將在歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)中生產(chǎn)，并且可能隱藏在ATLAS探測(cè)器收集的數(shù)據(jù)中。然而，與LHC中的大多數(shù)過(guò)程不同，這些過(guò)程由強(qiáng)力相互作用控制，這些超級(jí)合作伙伴將通過(guò)弱得多的電弱相互作用產(chǎn)生，從而降低其生產(chǎn)率。此外，預(yù)計(jì)這些新的SUSY顆粒中的大多數(shù)是不穩(wěn)定的。物理學(xué)家只能通過(guò)追蹤它們的衰變產(chǎn)物來(lái)搜尋它們 - 通常是已知的標(biāo)準(zhǔn)模型粒子和最輕的超對(duì)稱粒子(LSP)，它們可以是穩(wěn)定的和非相互作用的，從而形成一種天然的暗物質(zhì)候選物。

2019年5月20日，在墨西哥普埃布拉舉行的大型強(qiáng)子碰撞物理學(xué)會(huì)(LHCP)會(huì)議以及美國(guó)科珀斯克里斯蒂舉行的SUSY2019會(huì)議上，ATLAS Collaboration基于完整的LHC Run 2數(shù)據(jù)集為SUSY提供了大量新搜索( 2015年至2018年間采取的措施，包括兩項(xiàng)特別具有挑戰(zhàn)性的電磁SUSY搜索。兩次搜索均以LHC中以極低速率生成的粒子為目標(biāo)，并且衰變?yōu)楸旧黼y以重建的標(biāo)準(zhǔn)模型粒子。ATLAS在Run 2中成功收集的大量數(shù)據(jù)為使用新的分析技術(shù)探索這些場(chǎng)景提供了獨(dú)特的機(jī)會(huì)。

搜索“stau”

對(duì)撞機(jī)和天體物理實(shí)驗(yàn)已經(jīng)對(duì)各種SUSY顆粒的質(zhì)量設(shè)定了限制。然而，一個(gè)重要的超級(jí)伙伴 - tau睡眠者，被稱為stau-尚未被發(fā)現(xiàn)超出大約90 GeV的排除限制，發(fā)現(xiàn)在LHC的前身CERN，大型電子 - 正電子對(duì)撞機(jī)(LEP)。如果它存在的話，它可以在中立共同湮滅中發(fā)揮作用，緩和可見(jiàn)宇宙中暗物質(zhì)的數(shù)量，否則它將太多而無(wú)法解釋天體物理測(cè)量。

由于其在LHC質(zhì)子 - 質(zhì)子碰撞中的極低生產(chǎn)率，需要先進(jìn)的技術(shù)來(lái)重建它可以衰變的標(biāo)準(zhǔn)模型tau輕子，因此尋找光stau在實(shí)驗(yàn)上具有挑戰(zhàn)性。實(shí)際上，在試驗(yàn)1期間，LHC實(shí)驗(yàn)中只能排除一個(gè)約為109 GeV的質(zhì)量和無(wú)質(zhì)量最輕的中性蛋白的狹窄參數(shù)區(qū)域。

此第一ATLAS運(yùn)行2 STAU搜索目標(biāo)直接生產(chǎn)一對(duì)居留制的，每個(gè)衰減成一個(gè)tau蛋白輕子和一個(gè)看不見(jiàn)的LSP。每個(gè)tau輕子進(jìn)一步衰變成強(qiáng)子和一個(gè)看不見(jiàn)的中微子。因此，信號(hào)事件的特征在于存在兩組近鄰強(qiáng)子和來(lái)自不可見(jiàn)LSP和中微子的大的缺失橫向能量(ETmiss)。事件進(jìn)一步分為具有中等和高ET的區(qū)域，以檢查不同的stau質(zhì)量場(chǎng)景。

ATLAS數(shù)據(jù)沒(méi)有顯示出對(duì)stau對(duì)的暗示，因此對(duì)staus的質(zhì)量設(shè)定了新的排除限制。這些限制如圖1所示，使用了兩種可能的stau類型(左和右，指tau伙伴輕子的兩種不同自旋狀態(tài))的不同假設(shè)。到目前為止，在這些情景中獲得的限制是最強(qiáng)的。

壓縮搜索

物理學(xué)家尚未看到charginos和中性的原因之一可能是因?yàn)樗麄兊娜罕姳粔嚎s了。換句話說(shuō)，它們非常接近LSP的質(zhì)量。在希望玻色子是希格斯玻色子的超級(jí)配體的情況下，預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)這種情況。

壓縮的higgsinos衰減成具有非??常低的動(dòng)量的電子或μ子對(duì)。在每秒超過(guò)10億次高能碰撞的環(huán)境中識(shí)別和重建這些粒子以及設(shè)計(jì)用于測(cè)量高能粒子的探測(cè)器(例如試圖在非常擁擠和嘈雜的房間中找到耳語(yǔ)的人)是具有挑戰(zhàn)性的。

對(duì)于希特斯的一項(xiàng)新搜索，利用以前所未有的低度測(cè)量的μ 介于 ATLAS，迄今為止。它還受益于新的和獨(dú)特的分析技術(shù)，使物理學(xué)家能夠在以前無(wú)法進(jìn)入的區(qū)域?qū)ふ蚁８袼?。例如，搜索使用帶電粒子軌道，其可以用非常低的?dòng)量重建，作為衰減對(duì)中的一個(gè)電子或μ子的代理。由于higgsinos之間的質(zhì)量差異很小，電子/μ子和軌道對(duì)的質(zhì)量也預(yù)計(jì)很小。

再一次，在這次搜索中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)希格西諾斯的跡象。如圖2所示，結(jié)果用于擴(kuò)展ATLAS在2017年和2004年LEP實(shí)驗(yàn)中設(shè)定的Higgsino質(zhì)量的約束。

總的來(lái)說(shuō)，這兩組結(jié)果都對(duì)重要的超對(duì)稱場(chǎng)景設(shè)置了強(qiáng)大的限制，這將指導(dǎo)未來(lái)的ATLAS搜索。此外，他們提供了高級(jí)重建技術(shù)如何幫助提高新物理搜索靈敏度的示例。