Пресс-центр

Эксперимент ATLAS отчитался о поисках суперсимметричных частиц

Эксперимент ATLAS, который проводится на Большом адронном коллайдере (БАК), рассказал о поисках суперсимметричных частиц – кандидатов на роль частиц тёмной материи. Физики провели поиск рождения таких частиц в событиях, характеризующихся нарушенным энергетическим балансом отклика детектора, при взаимодействии протонов высоких энергий. Пока никаких указаний на проявление Новой Физики (НФ) не обнаружено: результаты поиска находятся в согласии с предсказаниями Стандартной Модели (СМ).

Как мы уже не раз рассказывали, астрофизические и космологические наблюдения указывают на существование темной материи – гипотетической формы материи, которая не испускает электромагнитного излучения и напрямую не взаимодействует с ним. Выяснение микроскопической структуры темной материи – приоритетная задача экспериментов на Большом адронном коллайдере (БАК). Одним из перспективных расширений СМ, способных не только объяснить механизм образования частиц темной материи, но и разрешить некоторые теоретические проблемы (например, проблему тонкой подгонки параметров СМ), являются так называемые суперсимметричные теории. В таких теориях каждой из частиц СМ соответствует тяжелая частица-партнер. Некоторые из таких частицы называют, прибавляя букву «с» к названию частицы из СМ. Так скварк – суперпартнер кварка, а слептон – суперпартнер лептона. Легчайшая суперсимметричная частица (ЛСЧ), возникающая в теоретических построениях такого рода, интерпретируется как частицы темной материи. В апреле 2019 года эксперимент ATLAS сообщил о результатах поиска суперсимметричных частиц, выполненного на всем объеме экспериментальных данных, накопленных в ходе второго этапа работы БАК в 2015-2018 гг.

В новом анализе экспериментальных данных физики фокусировались на поиске парного рождения суперсимметричных частиц при столкновении протонов. Предполагалось, что эти частицы распадаются на обычные частицы и ЛСЧ. При этом, ЛСЧ покидают детектор, не взаимодействуя с веществом, из которого состоит экспериментальная установка, и, следовательно, не проявляют себя в отклике детектора. Такому сценарию должно соответствовать отсутствие баланса импульсов (в плоскости, перпендикулярной линии сталкивающихся пучков протонов) для зарегистрированных частиц. Для каждого экспериментального события-кандидата можно определить величину такого «потерянного» импульса – E_T^miss. При этом уже известные физические процессы, несовершенство детектора, а также тот факт, что при каждом «соударении» встречных пучков происходят несколько десятков взаимодействий протонов, могут также давать значительные E_T^miss.

В представленном анализе физики сконструировали новую наблюдаемую, которая характеризовала вероятность того, что зарегистрированная E_T^miss появляется из-за известных частиц, а не из-за присутствия ЛСЧ. Эта наблюдаемая зависела не только от кинематики  импульсов и энергий частиц, входящих в экспериментальное событие, но и включала в рассмотрение импульсное и энергетическое разрешение их детектирования, а также вероятность неправильной идентификации для каждой из реконструированных частиц. Такой анализ обладает большей чувствительностью к гипотетическим событиям, включающим частицы темной материи.

Эта новая техника выделения сигнала использовалась для поисков парного рождения супперсимметричных частиц: чарджино (chargino, заряженных частиц-суперпартнёров бозонов) или слептонов (sleptons, частиц-суперпартнёров лептонов). Эти гипотетические частицы предположительно распадаются с испусканием обычных лептонов (электронов или мюонов) и ЛЧС, которые и ответственны за появление больших E_T^miss. Основным фоновым процессов СМ для таких измерений является рождение двух W бозонов, которые, распадаясь на регистрируемый лептон и нерегистрируемое нейтрино, также дают вклад в распределение по E_T^miss. Форма этого фонового вклада может быть получена из моделирования. НФ должна проявлять себя как появление дополнительных событий к ожидаемым из СМ. Проявлений темной материи обнаружено не было и физики установили ограничения на массы чарджино и ЛСЧ (см. рисунок 1). Так как энергия сталкивающихся протонов на втором этапе работы БАК существенно повысилась с 8 до 13 ТэВ, область исключенных масс для частиц НФ значительно увеличилась.

Второй представленной экспериментальной работой, использующей преимущества новой техники определения E_T^miss, был поиск парного рождения суперсимметричных партнеров тяжелых b кварков. Каждый из таких скварков (squark) может распадаться на бозон Хиггса, обычный b кварк и ЛСЧ. Наиболее вероятным каналом распада бозона Хиггса является распад на пару b-кварк – анти-b-кварк: он происходит примерно в 58% случаев. Кварки столь высоких энергий образуют пучки адронов – адронные струи, причем физики умеют выделять струи, образованные именно b кварками (их называют b-струи). События с парным рождением таких скварков должны содержать шесть b-струй и характеризоваться большой E_T^miss. Топология таких событий показана на рисунке 2. Также, как и в поиск парного рождения чарджино и слептонов, поиск скварков не принес нового открытия (см. рисунок 2).

Оба экспериментальных результата накладывают строгие ограничения на пространство параметров суперсимметричных моделей НФ. В будущем экспериментаторы должны обратить внимание на еще оставшиеся неисследованными уголки суперсимметричных моделей. В заключении следует отметить, что сотрудники Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ принимают активное участие в работе эксперимента ATLAS на БАК, внося свой вклад в возможность проведения таких экспериментальных работ.