'Búsqueda del tiempo de vida' de partículas supersimétricas en el CERN

Un equipo de investigadores de la Universidad de Chicago se embarcó recientemente en la búsqueda de la vida, o más bien, una búsqueda del tiempo de vida de partículas supersimétricas de larga vida.



La supersimetría es una teoría propuesta para expandir el modelo estándar de física de partículas. Similar a la tabla periódica de elementos, el modelo estándar es la mejor descripción que tenemos para las partículas subatómicas en la naturaleza y las fuerzas que actúan sobre ellas.


Pero los físicos saben que este modelo está incompleto; no deja espacio para la gravedad o la materia oscura, por ejemplo. La supersimetría tiene como objetivo completar el cuadro emparejando cada partícula del modelo estándar con un socio supersimétrico, lo que abre una nueva clase de partículas hipotéticas para detectar y descubrir. En un nuevo estudio, los físicos de UChicago han descubierto las limitaciones de las propiedades que podrían tener estos supercompañeros, si existen.


"La supersimetría es realmente la teoría más prometedora que tenemos para resolver tantos problemas como sea posible en el Modelo Estándar", dijo Tova Holmes, profesora asistente en la Universidad de Tennessee, Knoxville, quien trabajó en el experimento como investigadora postdoctoral en UChicago. "Nuestro trabajo encaja en un esfuerzo mayor en el Gran Colisionador de Hadrones para reconsiderar cómo buscamos nueva física".


El Gran Colisionador de Hadrones, ubicado en Europa en el CERN, acelera los protones a casi la velocidad de la luz antes de obligarlos a chocar. Estas colisiones protón-protón producen una gran cantidad de partículas adicionales donde los investigadores esperan encontrar nueva física.


"Pero en el Gran Colisionador de Hadrones, los nuevos eventos físicos son extremadamente raros y difíciles de identificar en los escombros de las partículas en colisión", dijo el profesor Young-Kee Kim, presidente del departamento de física de UChicago y coautor del estudio, un esfuerzo dirigido íntegramente por mujeres.


El equipo de UChicago buscó la producción de sleptones (supuestos supercompañeros de los leptones de electrones, muones y tau existentes) utilizando datos recopilados en ATLAS, un detector de partículas del CERN. En el modelo de supersimetría probado, se teoriza que los sleptones tienen un tiempo de vida prolongado, lo que significa que pueden viajar mucho antes de descomponerse en algo detectable por ATLAS.


"Una de las formas en que podemos pasar por alto la nueva física es si la partícula no se descompone rápidamente cuando se produce", dijo Holmes. "Por lo general, somos ciegos a las partículas de larga duración en nuestras búsquedas, porque básicamente eliminamos cualquier cosa que no parezca una desintegración rápida estándar en nuestro detector".


Se espera que los sleptones eventualmente se descompongan en sus compañeros leptónicos habituales. Pero a diferencia de las desintegraciones convencionales, estos leptones se desplazarán, lo que significa que no apuntarán hacia el punto de colisión protón-protón original. Era esta característica única la que buscaban los físicos.


Sin embargo, en cuatro años de recopilación de datos de ATLAS, los investigadores de UChicago no encontraron eventos de leptones desplazados. Esa falta de descubrimiento les permitió establecer lo que se llama un límite, descartando un rango de masas y vidas que podrían tener los durmientes longevos.



Contornos de exclusión esperados (discontinuos) y observados (sólidos) para los sleptones. Crédito: ATLAS, CERN

"Estamos al menos un 95% seguros de que, en caso de que exista un slepton en este modelo, no tiene las masas y vidas en las partes sombreadas de la gráfica", dijo Lesya Horyn, Ph.D. de UChicago quien recientemente completó su disertación sobre esta medida. ¿Un resultado nulo decepciona al equipo? De ningún modo.


"No encontrar nada te dice tanto", dijo Horyn. Saber que los sleptons longevos no tienen ciertas masas y vidas informa a los investigadores sobre dónde enfocar las búsquedas futuras.



"Desde mi punto de vista, esta búsqueda era lo que los teóricos decían haber cubierto", dijo Holmes. "Parecía que podíamos hacerlo, ¡y lo hicimos!"


El resultado ha dado energía al equipo para ampliar aún más los límites. En algún momento de la próxima década, el Gran Colisionador de Hadrones entrará en su apagado periódico, dejando tiempo suficiente para actualizar el hardware ATLAS.


"Este fue un primer paso en el análisis, por lo que definitivamente hay lugares para mejorar", dijo Horyn. Una actualización urgente será una renovación del sistema de activación, que selecciona si los eventos deben guardarse o desecharse. El disparador está optimizado actualmente para almacenar desintegraciones de partículas de vida corta, no de los sleptones de vida larga que son fundamentales para esta búsqueda de supersimetría.


Se pueden realizar mejoras más inmediatas sin esperar el cierre. "Los pasos futuros podrían incluir la búsqueda del mismo modelo utilizando datos más sólidos de las próximas ejecuciones del Gran Colisionador de Hadrones", dijo Xiaohe Jia, un estudiante graduado de Harvard que trabajó en el experimento como estudiante universitario de UChicago. Otra ruta para explorar, dijo, podría ser el uso de técnicas similares para expandir la búsqueda de partículas de larga duración más allá de los sleptons.


Por ahora, la finalización del modelo estándar sigue siendo un misterio, pero el equipo se enorgullece de haber liderado una primera búsqueda de este modelo de supersimetría en ATLAS. "Descubrir nueva física es como encontrar una aguja en un pajar", dijo Kim. "Aunque no vimos nada en los datos actuales, ¡hay una gran oportunidad para el futuro!"




 

Más información: Search for displaced leptons in √s = 13 TeV pp collisions with the ATLAS detector: https://cds.cern.ch/record/2740685/files/ATLAS-CONF-2020-051.pdf

 

Nota original: University of Chicago

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