Een team van onderzoekers van de Universiteit van Chicago is onlangs begonnen aan de zoektocht van hun leven - of liever:een zoektocht naar de levensduur van langlevende supersymmetrische deeltjes.

Supersymmetrie is een voorgestelde theorie om het standaardmodel van de deeltjesfysica uit te breiden. Verwant aan het periodiek systeem der elementen, het standaardmodel is de beste beschrijving die we hebben voor subatomaire deeltjes in de natuur en de krachten die erop inwerken.

Maar natuurkundigen weten dat dit model onvolledig is - het maakt geen ruimte voor zwaartekracht of donkere materie, bijvoorbeeld. Supersymmetrie heeft tot doel het plaatje compleet te maken door elk standaardmodeldeeltje te koppelen aan een supersymmetrische partner, het openen van een nieuwe klasse van hypothetische deeltjes om te detecteren en te ontdekken. In een nieuwe studie, Natuurkundigen van UChicago hebben beperkingen ontdekt voor welke eigenschappen deze superpartners, als ze bestaan, zou kunnen hebben.

"Supersymmetrie is echt de meest veelbelovende theorie die we hebben om zoveel mogelijk problemen in het standaardmodel op te lossen, " zei Tova Holmes, assistent-professor aan de Universiteit van Tennessee, Knoxville, die als postdoctoraal onderzoeker bij UChicago aan het experiment werkte. "Ons werk past in een grotere inspanning bij de Large Hadron Collider om te heroverwegen hoe we naar nieuwe fysica zoeken."

De Large Hadron Collider, gevestigd in Europa bij CERN, versnelt protonen tot bijna de lichtsnelheid voordat ze gedwongen worden te botsen. Deze proton-protonbotsingen produceren een hele reeks extra deeltjes waar onderzoekers nieuwe fysica hopen te vinden.

"Maar bij de Large Hadron Collider, nieuwe natuurkundige gebeurtenissen zijn uiterst zeldzaam en moeilijk te identificeren in het puin van botsende deeltjes, " zei prof. Young-Kee Kim, voorzitter van de afdeling natuurkunde van UChicago en co-auteur van de studie, een inspanning volledig geleid door vrouwen.

Het UChicago-team zocht naar de productie van sleepons - veronderstelde superpartners van het bestaande elektron, muon, en tau-leptonen - met behulp van gegevens die zijn verzameld in ATLAS, een deeltjesdetector bij CERN. In het geteste supersymmetriemodel van slapers wordt verondersteld dat ze een lange levensduur hebben, wat betekent dat ze ver kunnen reizen voordat ze vervallen in iets dat detecteerbaar is door ATLAS.

"Een van de manieren waarop we nieuwe fysica kunnen missen, is als het deeltje niet onmiddellijk vervalt wanneer het wordt geproduceerd, "zei Holmes. "Typisch, we zijn blind voor langlevende deeltjes in onze zoektochten, omdat we in feite alles verwijderen dat niet lijkt op een standaard onmiddellijk verval in onze detector."

Van sleptonen wordt verwacht dat ze uiteindelijk vervallen tot hun reguliere leptonpartners. Maar in tegenstelling tot conventioneel verval, deze leptonen zullen worden verplaatst, wat betekent dat ze niet terug zullen wijzen naar het oorspronkelijke proton-proton-botsingspunt. Het was deze unieke eigenschap waar natuurkundigen naar op zoek waren.

In vier jaar verzamelde ATLAS-gegevens, echter, UChicago-onderzoekers vonden geen verplaatste lepton-gebeurtenissen. Door dat gebrek aan ontdekking konden ze een limiet instellen, het uitsluiten van een reeks massa's en levens die langlevende slapers zouden kunnen hebben.

"We zijn er voor minstens 95% zeker van dat, mocht er een slaper in dit model bestaan, het heeft niet de massa's en levens in de gearceerde delen van dit perceel, " zei Lesya Horyn, nieuw geslagen Ph.D. van UChicago die onlangs haar proefschrift over deze meting afrondde.

Stelt een nulresultaat het team teleur? Helemaal niet.

"Niets vinden zegt zoveel, "Zei Horyn. Wetende dat langlevende slapers geen bepaalde massa's en levens hebben, informeert onderzoekers over waar toekomstige zoekopdrachten zich op moeten richten.

"Vanuit mijn oogpunt deze zoektocht was het belangrijkste waar theoretici naar vroegen te hebben gedekt, "Zei Holmes. "Het leek alsof we het konden - en dat hebben we gedaan!"

Het resultaat heeft het team energie gegeven om de grenzen nog verder te verleggen. Op een bepaald moment in het volgende decennium, de Large Hadron Collider zal zijn periodieke stillegging ingaan, waardoor er voldoende tijd overblijft voor de upgrade van de ATLAS-hardware.

"Dit was een eerste poging bij de analyse, dus er zijn zeker verbeterpunten, ' zei Horyn.

Een dringende upgrade is een opknapbeurt van het triggersysteem, die selecteert of gebeurtenissen moeten worden opgeslagen of weggegooid. De trigger is momenteel geoptimaliseerd om verval van kortlevende deeltjes op te slaan, niet de langlevende slapers die centraal staan ​​in deze zoektocht naar supersymmetrie.

Er kunnen meer directe verbeteringen worden aangebracht zonder te wachten op het afsluiten.

"Toekomstige stappen kunnen het zoeken naar hetzelfde model zijn met behulp van robuustere gegevens van de volgende runs van de Large Hadron Collider, " zei Xiaohe Jia, een afgestudeerde student aan Harvard die als student aan UChicago aan het experiment werkte. Een andere route om te verkennen, ze zei, zou vergelijkbare technieken kunnen gebruiken om de zoektocht naar langlevende deeltjes verder uit te breiden dan alleen slapers.

Voor nu, de voltooiing van het standaardmodel blijft een mysterie, maar het team is er trots op een eerste zoektocht naar dit supersymmetriemodel in ATLAS te hebben geleid.

"Het ontdekken van nieuwe natuurkunde is als het vinden van een speld in een hooiberg, ' zei Kim. 'Hoewel we niets in de huidige gegevens hebben gezien, er is een grote kans voor de toekomst!"