Supersymmetrie is een uitbreiding op het standaardmodel dat de oorsprong van donkere materie kan verklaren en de weg kan effenen voor een grootse verenigde natuurtheorie. Voor elk deeltje van het standaardmodel, supersymmetrie introduceert een exotische nieuwe "super-partner, " die kunnen worden geproduceerd in proton-protonbotsingen. Het zoeken naar deze deeltjes is momenteel een van de topprioriteiten van het LHC-fysicaprogramma. Een ontdekking zou ons begrip van de bouwstenen van materie en de fundamentele krachten veranderen, wat leidde tot een paradigmaverschuiving in de natuurkunde, vergelijkbaar met toen de relativiteitstheorie van Einstein in het begin van de 20 de klassieke Newtoniaanse natuurkunde verving ^e eeuw.

Supersymmetrische deeltjes (of "deeltjes") zijn gegroepeerd in twee categorieën met verschillende eigenschappen die afhankelijk zijn van de sterkte van hun interacties met protonen. Sterk op elkaar inwerkende deeltjes kunnen met grote snelheden worden geproduceerd en leiden tot opvallende, energetische gebeurtenissen in de detector. Zwak-interagerende deeltjes worden met lagere snelheden geproduceerd en leiden tot minder opvallende handtekeningen, waardoor ze moeilijker te onderscheiden zijn van achtergrondprocessen uit het standaardmodel.

Aangezien de LHC-botsingsenergie werd verhoogd van 8 tot 13 biljoen elektronvolt (TeV) in Run 2 om het ontdekkingsbereik te vergroten, een grote verscheidenheid aan zoekopdrachten naar sterk op elkaar inwerkende deeltjes zijn uitgevoerd. Null-resultaten in deze zoekopdrachten geven aan dat als ze bestaan, sterk op elkaar inwerkende deeltjes moeten zeer zwaar zijn - minstens enkele honderden keren zwaarder dan het proton. Door de lagere productiesnelheden, er zijn grotere gegevensmonsters nodig om zwak-interagerende deeltjes te onderzoeken, en er zijn meer geoptimaliseerde selectiecriteria nodig om het kleine signaal van de achtergrond te onderscheiden.

Natuurkundigen van ATLAS presenteerden op de LHCP 2017-conferentie een van de eerste Run 2-zoekopdrachten naar zwak-interagerende sparticles. De zoektocht is gericht op de productie van sparticles genaamd charginos, zware neutralinos, en slapers. Indien geproduceerd bij de LHC, deze deeltjes zouden vervallen tot leptonen (elektronen of hun zwaardere neven, de muonen) en stabiele donkere materiedeeltjes die lichte neutralinos worden genoemd. Deze neutralino's van donkere materie zouden onzichtbare energie wegvoeren omdat ze geen interactie hebben met de detector, wat leidt tot ongebalanceerde botsingsgebeurtenissen die het behoud van momentum lijken te schenden. Dit "ontbrekende transversale momentum" is de belangrijkste handtekening die door de ATLAS-detector wordt gebruikt om de productie van donkere materiedeeltjes af te leiden.

De analyse selecteerde botsingsgebeurtenissen met twee of drie elektronen en muonen en een groot ontbrekend transversaal momentum. De afbeelding toont de gemeten verdeling (gegevenspunten) van ontbrekend transversaal momentum in gebeurtenissen met drie leptonen, vergeleken met die verwacht van het standaardmodel (gekleurd histogram). Er werd geen significante afwijking van de verwachting waargenomen. De resultaten werden gebruikt om strikte limieten te stellen aan zwak-interagerende deeltjes met massa's zo groot als 1150 miljard elektronvolt (GeV), de zwaarste deeltjes die tot nu toe in ATLAS zijn onderzocht.

Zwak-interagerende deeltjes kunnen bij deze zoektocht aan detectie zijn ontsnapt als ze met zeer kleine snelheden worden geproduceerd of niet veel energie in de detector produceren. Beide functies worden verwacht in modellen met lichte higgsino's, de superpartners van het Higgs-deeltje. Toekomstige zoekopdrachten zullen gebruikmaken van grotere gegevensmonsters om gevoeligheid voor nog kleinere productiesnelheden te bereiken. Verbeteringen aan deze zoekopdrachten zijn aan de gang die gebruik maken van verlaagde lepton-momentumdrempels en nieuwe signaal- versus achtergronddiscriminerende variabelen om de gevoeligheid te verbeteren voor modellen die nog minder energie in de detector produceren. Een ontdekking in deze zoektochten zou licht kunnen werpen op de aard van donkere materie en helpen bij het oplossen van het "hiërarchieprobleem, " een fundamentele theoretische tekortkoming van het standaardmodel die leidt tot een voorspelde massa van het Higgs-boson die ongeveer 16 ordes van grootte te groot is.