ATLAS實驗提出了對超對稱性的新搜索

標準模型是一個非常成功但不完整的理論。超對稱(SUSY)為標準模型的局限性提供了一個優(yōu)雅的解決方案，擴展它以使每個粒子具有不同自旋特性的重“超級分配器” (一個重要的量子數區(qū)分物質粒子與力粒子和希格斯玻色子)。例如，睡眠是旋轉1/2電子，μ子和tau輕子的旋轉0超級伴侶，而charginos和中性是旋轉0希格斯玻色子的旋轉1/2對應物(SUSY假設總共五個希格斯玻色子)和旋轉1規(guī)格的玻色子。

如果這些超級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子對撞機(LHC)中生產，并且可能隱藏在ATLAS探測器收集的數據中。然而，與LHC中的大多數過程不同，這些過程由強力相互作用控制，這些超級合作伙伴將通過弱得多的電弱相互作用產生，從而降低其生產率。此外，預計這些新的SUSY顆粒中的大多數是不穩(wěn)定的。物理學家只能通過追蹤它們的衰變產物來搜尋它們 - 通常是已知的標準模型粒子和最輕的超對稱粒子(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候選物。

2019年5月20日，在墨西哥普埃布拉舉行的大型強子碰撞物理學會(LHCP)會議以及美國科珀斯克里斯蒂舉行的SUSY2019會議上，ATLAS Collaboration基于完整的LHC Run 2數據集為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，并且衰變?yōu)楸旧黼y以重建的標準模型粒子。ATLAS在Run 2中成功收集的大量數據為使用新的分析技術探索這些場景提供了獨特的機會。

搜索“stau”

對撞機和天體物理實驗已經對各種SUSY顆粒的質量設定了限制。然而，一個重要的超級伙伴 - tau睡眠者，被稱為stau-尚未被發(fā)現超出大約90 GeV的排除限制，發(fā)現在LHC的前身CERN，大型電子 - 正電子對撞機(LEP)。如果它存在的話，它可以在中立共同湮滅中發(fā)揮作用，緩和可見宇宙中暗物質的數量，否則它將太多而無法解釋天體物理測量。

由于其在LHC質子 - 質子碰撞中的極低生產率，需要先進的技術來重建它可以衰變的標準模型tau輕子，因此尋找光stau在實驗上具有挑戰(zhàn)性。實際上，在試驗1期間，LHC實驗中只能排除一個約為109 GeV的質量和無質量最輕的中性蛋白的狹窄參數區(qū)域。

此第一ATLAS運行2 STAU搜索目標直接生產一對居留制的，每個衰減成一個tau蛋白輕子和一個看不見的LSP。每個tau輕子進一步衰變成強子和一個看不見的中微子。因此，信號事件的特征在于存在兩組近鄰強子和來自不可見LSP和中微子的大的缺失橫向能量(ETmiss)。事件進一步分為具有中等和高ET的區(qū)域，以檢查不同的stau質量場景。

ATLAS數據沒有顯示出對stau對的暗示，因此對staus的質量設定了新的排除限制。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。到目前為止，在這些情景中獲得的限制是最強的。

壓縮搜索

物理學家尚未看到charginos和中性的原因之一可能是因為他們的群眾被壓縮了。換句話說，它們非常接近LSP的質量。在希望玻色子是希格斯玻色子的超級配體的情況下，預計會出現這種情況。

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

對于希特斯的一項新搜索，利用以前所未有的低度測量的μ 介于 ATLAS，迄今為止。它還受益于新的和獨特的分析技術，使物理學家能夠在以前無法進入的區(qū)域尋找希格斯。例如，搜索使用帶電粒子軌道，其可以用非常低的動量重建，作為衰減對中的一個電子或μ子的代理。由于higgsinos之間的質量差異很小，電子/μ子和軌道對的質量也預計很小。

再一次，在這次搜索中沒有發(fā)現希格西諾斯的跡象。如圖2所示，結果用于擴展ATLAS在2017年和2004年LEP實驗中設定的Higgsino質量的約束。

總的來說，這兩組結果都對重要的超對稱場景設置了強大的限制，這將指導未來的ATLAS搜索。此外，他們提供了高級重建技術如何幫助提高新物理搜索靈敏度的示例。