解释宇宙的怪癖：欧洲核子研究中心（CERN）的“寻找生命”超对称粒子

芝加哥大学的研究人员正在寻找可以解释宇宙怪癖的拟议粒子。

芝加哥大学的一组研究人员最近着手寻找寿命，或者更确切地说，是寻找长寿命超对称粒子的寿命。

超对称是为扩展粒子物理学标准模型而提出的理论。类似于元素周期表，标准模型是我们对自然界中亚原子粒子及其作用力的最佳描述。

但是物理学家知道这个模型是不完整的，例如，它不会为重力或暗物质腾出空间。超对称旨在通过将每个标准模型粒子与一个超对称伙伴配对来完成图片，从而打开一类新的假设粒子以进行检测和发现。在一项新的研究中，芝加哥物理学家发现了这些超级合作伙伴（如果存在）可能具有的特性方面的局限性。

田纳西大学诺克斯维尔分校的助理教授托瓦·霍尔姆斯（Tova Holmes）说：“超对称性确实是解决标准模型中尽可能多的问题的最有希望的理论，”他曾在UChicago担任博士后研究人员。“我们的工作与大型强子对撞机做出了更大的努力，以重新考虑我们如何寻找新的物理学。”

与UChicago研究员Lesya Horyn一起在ATLAS探测器内部进行的研究，Lesya Horyn最近完成了她的论文，寻找长寿命的轻子，现有电子，μ子和tau轻子的超对称伴侣。

位于欧洲核子研究组织（CERN）的大型强子对撞机将质子加速到接近光速，然后迫使它们碰撞。这些质子-质子的碰撞产生了许多其他粒子，研究人员希望在那里找到新的物理学。

“但是在大型强子对撞机中，新的物理学事件极为罕见，而且很难在碰撞粒子的碎片中识别出来，” UChicago物理系主任，这项研究的合著者Young-Kee Kim教授说。完全由妇女领导。

UChicago小组使用CERN粒子探测器ATLAS收集的数据来搜索slepton（现有电子，μ子和tau轻子的假想超级伴侣）的产生。在经过测试的超对称模型中，理论上讲，子链具有较长的寿命，这意味着它们可以行进很长的距离，然后才能衰减为ATLAS可以检测到的事物。

物理学家托瓦·福尔摩斯（Tova Holmes）在ATLAS计数室，那里的许多数据采集和触发基础设施的生命。在未来十年的某个时候，将对这些系统进行升级，以改进下一代超对称搜索。

霍姆斯说：“我们错过新物理学的方法之一是，如果粒子在产生时不会迅速衰减。”“通常情况下，我们对搜索中的长寿命粒子视而不见，因为我们基本上会切掉一切看起来不像检测器中标准瞬变信号的东西。”

预计轻子最终会衰落成其常规的轻子伴侣。但是，与传统的衰变不同，这些轻子会发生位移，这意味着它们不会指向原始的质子-质子碰撞点。物理学家正在寻找的正是这一独特功能。

但是，在收集到的四年ATLAS数据中，芝加哥研究人员没有发现移位的轻子事件。缺乏发现使他们能够设定所谓的极限，从而排除了长寿命的子链可能具有的质量和寿命范围。

“至少有95％的人确信，如果该模型中存在一个子蛋白，则该图的阴影部分不会有质量和寿命，”来自UChicago的新博士Lesya Horyn说，她最近完成了她的论文在这个测量上。

空结果会让团队失望吗？一点也不。

霍林说：“发现什么都不能告诉你很多。”知道长寿命的子弹没有一定的质量和寿命，这将使研究人员了解未来的搜索重点。

“超对称性确实是我们用于解决标准模型中尽可能多问题的最有前途的理论。”

—田纳西大学诺克斯维尔分校的助理教授Tova Holmes

霍姆斯说：“从我的角度来看，这种搜寻是理论家呼吁报道的第一件事。”“看来我们可以做到，而且我们做到了！”

结果使团队充满活力，进一步扩大了界限。在接下来的十年中的某个时候，大型强子对撞机将进入其定期关闭状态，从而为ATLAS硬件的升级留有足够的时间。

霍林说：“这是分析的第一步，因此肯定有需要改进的地方。”

一个紧迫的升级将是对触发系统的改造，该系统选择是保存事件还是丢弃事件。当前已对触发器进行了优化，以存储短寿命粒子的衰变，而不是超对称搜索中心的长寿命子链。

无需等待关机即可进行更直接的改进。

“未来的步骤可能包括使用来自大型强子对撞机的下一次运行的更可靠的数据搜索相同的模型，”哈佛大学研究生的贾小河说。她说，另一种探索途径可能是使用类似的技术，将长寿命的粒子搜索范围扩展到除子链之外。

目前，标准模型的完成仍然是一个谜，但是团队为能够在ATLAS中首次搜索这种超对称模型而感到自豪。

金说：“发现新物理学就像在大海捞针中寻找针头一样。”“尽管我们在当前数据中看不到任何东西，但未来仍有很大的机会！”

参考：ATLAS协作组织，2020年10√月6日，ATLAS CONF Note.PDF：“使用ATLAS探测器在s = 13 TeV pp碰撞中搜索位移的轻子
”。

资金：国家科学基金会。