Het Standaardmodel is een opmerkelijk succesvolle maar onvolledige theorie. Supersymmetrie (SUSY) biedt een elegante oplossing voor de beperkingen van het standaardmodel, het uitbreiden om elk deeltje een zware "superpartner" te geven met verschillende spin-eigenschappen (een belangrijk kwantumgetal dat materiedeeltjes onderscheidt van krachtdeeltjes en het Higgs-deeltje). Bijvoorbeeld, Sleepons zijn de spin 0 superpartners van spin 1/2 elektronen, muonen en tau-leptonen, terwijl charginos en neutralinos de spin 1/2-tegenhangers zijn van de spin 0 Higgs-bosonen (SUSY postuleert in totaal vijf Higgs-bosonen) en spin 1 gauge bosonen.

Als deze superpartners bestaan ​​en niet te massaal zijn, ze zullen worden geproduceerd in de Large Hadron Collider (LHC) van CERN en kunnen worden verborgen in gegevens die worden verzameld door de ATLAS-detector. Echter, in tegenstelling tot de meeste processen bij de LHC, die worden beheerst door sterke krachtinteracties, deze superpartners zouden worden gecreëerd door de veel zwakkere elektrozwakke interactie, waardoor hun productiesnelheid wordt verlaagd. Verder, de meeste van deze nieuwe SUSY-deeltjes zullen naar verwachting instabiel zijn. Natuurkundigen kunnen ze alleen zoeken door hun vervalproducten te traceren - meestal in een bekend standaardmodeldeeltje en het lichtste supersymmetrische deeltje (LSP), die stabiel en niet-interagerend zou kunnen zijn, en vormt zo een natuurlijke kandidaat voor donkere materie.

Op 20 mei, 2019, op de Large Hadron Collider Physics (LHCP) conferentie in Puebla, Mexico, en op de SUSY2019-conferentie in Corpus Christi, ONS., de ATLAS-samenwerking presenteerde tal van nieuwe zoekopdrachten voor SUSY op basis van de volledige LHC Run 2-dataset (genomen tussen 2015 en 2018), inclusief twee bijzonder uitdagende zoektochten naar elektrozwakke SUSY. Beide zoeken naar deeltjes die met extreem lage snelheden bij de LHC worden geproduceerd, en verval in standaardmodeldeeltjes die zelf moeilijk te reconstrueren zijn. De grote hoeveelheid gegevens die met succes door ATLAS in Run 2 zijn verzameld, biedt een unieke kans om deze scenario's te verkennen met nieuwe analysetechnieken.

Zoek naar de "stau"

Collider- en astrodeeltjesfysica-experimenten hebben limieten gesteld aan de massa van verschillende SUSY-deeltjes. Echter, een belangrijke superpartner - de tau sleepon, bekend als de stau - moet nog worden gevonden voorbij de uitsluitingslimiet van ongeveer 90 GeV die is gevonden bij de voorganger van de LHC op CERN, de Large Electron-Positron Collider (LEP). Een lichte sta, als het bestaat, zou een rol kunnen spelen bij neutralino co-annihilatie, het matigen van de hoeveelheid donkere materie in het zichtbare heelal, die anders te overvloedig zouden zijn om astrofysische metingen te verklaren.

De zoektocht naar een licht stau is experimenteel uitdagend vanwege de extreem lage productiesnelheid in LHC proton-proton botsingen, waarvoor geavanceerde technieken nodig zijn om de tau-leptonen van het Standaardmodel te reconstrueren waarin het kan vervallen. In feite, tijdens run 1, alleen een smal parametergebied rond een stau-massa van 109 GeV en een massaloze lichtste neutralino kon worden uitgesloten door LHC-experimenten.

Deze eerste ATLAS Run 2 stau-zoekopdracht is gericht op de directe productie van een paar staus, elk vervalt in één tau-lepton en één onzichtbare LSP. Elk tau-lepton vervalt verder in hadronen en een onzichtbaar neutrino. Signaalgebeurtenissen zouden dus worden gekenmerkt door de aanwezigheid van twee sets van dichtbij gelegen hadronen en grote ontbrekende transversale energie (ETmiss) afkomstig van het onzichtbare LSP en neutrino's. Evenementen worden verder onderverdeeld in regio's met gemiddelde en hoge ETmiss, om verschillende stau-massascenario's te onderzoeken.

De ATLAS-gegevens onthulden geen hints voor de productie van stau-paren en daarom werden nieuwe uitsluitingslimieten vastgesteld voor de massa van staus. Deze limieten zijn weergegeven in figuur 1 met verschillende veronderstellingen over de aanwezigheid van beide mogelijke stau-types (links en rechts, verwijzend naar de twee verschillende spintoestanden van de tau-partner lepton). De verkregen limieten zijn de sterkste die tot nu toe in deze scenario's zijn verkregen.

Gecomprimeerd zoeken

Een van de redenen waarom natuurkundigen charginos en neutralinos nog niet hebben gezien, kan zijn dat hun massa samengedrukt is. Met andere woorden, ze zijn zeer dicht bij de massa van de LSP. Dit wordt verwacht in scenario's waarin deze deeltjes higgsino's zijn, de superpartners van de Higgs-bosonen.

Gecomprimeerde higgsino's vervallen tot elektronenparen of muonen met een zeer lage impuls. Het is een uitdaging om deze deeltjes te identificeren en te reconstrueren in een omgeving met meer dan een miljard hoogenergetische botsingen per seconde en een detector die is ontworpen om hoogenergetische deeltjes te meten, zoals het proberen een fluisterend persoon te lokaliseren in een zeer drukke en lawaaierige kamer.

Een nieuwe zoektocht naar higgsino's maakt gebruik van muonen gemeten met ongekend lage - voor ATLAS, tot nu toe - momenta. Het profiteert ook van nieuwe en unieke analysetechnieken waarmee natuurkundigen higgsino's kunnen zoeken in gebieden die voorheen ontoegankelijk waren. Bijvoorbeeld, de zoektocht maakt gebruik van geladen deeltjessporen, die kan worden gereconstrueerd met een zeer laag momentum, als een proxy voor een van de elektronen of muonen in het vervalpaar. Vanwege het kleine massaverschil tussen de higgsino's, de massa van het elektron/muon en het spoorpaar zal naar verwachting ook klein zijn.

Alweer, bij deze zoektocht werden geen sporen van higgsino's gevonden. Zoals weergegeven in figuur 2, de resultaten werden gebruikt om de beperkingen op higgsino-massa's uit te breiden die zijn ingesteld door ATLAS in 2017 en door de LEP-experimenten in 2004.

Algemeen, beide reeksen resultaten leggen sterke beperkingen op aan belangrijke supersymmetrische scenario's, die toekomstige ATLAS-zoekopdrachten zullen leiden. Verder, ze bieden voorbeelden van hoe geavanceerde reconstructietechnieken kunnen helpen de gevoeligheid van nieuwe natuurkundige zoekopdrachten te verbeteren.