Căutați supersimetrie ascunsă în colizorul mare al barei de protecție

Un eveniment înregistrat în cursul anului 2016 cu detectorul CMS conținând 10 jeturi (conuri portocalii) și un muon (linia roșie). Credit: Colaborare CMS

Modelul standard de fizică a particulelor cuprinde cunoștințele noastre actuale despre particulele elementare și interacțiunile lor. Modelul standard nu este complet; de exemplu, nu descrie observații precum gravitația, nu are predicții despre materia întunecată, care alcătuiește cea mai mare parte a materiei din univers, sau că neutrinii au masă.

Pentru a aborda punctele slabe ale modelului standard, fizicienii propun extinderi și verifică coliziunile la LHC pentru a vedea dacă predicțiile acestor modele „fizice dincolo de modelul standard” ar apărea ca particule noi sau modificări ale comportamentului LHC. . Supersimetria sau SUSY pe scurt, este una dintre aceste extensii ale modelului standard. Supersimetria prezice că toate tipurile de particule cunoscute în modelul standard au un partener supersimetric. Numărul de tipuri de particule din natură s-ar dubla eficient și ar fi posibil să se facă multe interacțiuni noi între particulele obișnuite și noile particule SUSY.

Într-un experiment în ciocnire, cum ar fi CMS, speranța este să producă niște particule SUSY și apoi să caute semne ale degradării lor în interiorul detectorului. Una dintre cele mai frecvente semnături pentru supersimetrie ar fi măsurată ca aparent lipsă de particule care creează un dezechilibru energetic substanțial în detector numit lipsă de energie transversală. Aceasta este o semnătură de stat finală, care este greu de ratat.

Multe căutări au fost efectuate pe CMS pentru a căuta aceste semnături energetice transversale lipsă, dar nu s-au găsit dovezi de supersimetrie. Dar poate există supersimetrie și este mai „furtună” decât se credea inițial. Există multe semnături diferite posibile pe care le-ar putea crea supersimetria și, în unele versiuni modificate ale supersimetriei, o caracteristică cheie este prezicerea că toate particulele SUSY s-ar descompune în particule model standard, de exemplu, quarcuri, fiecare dintre ele ar apărea în detector. ca spray de particule, care se numește fulger. Dacă această versiune a supersimetriei este reală, producția de particule SUSY într-o coliziune proton-proton va avea ca rezultat o stare finală cu multe jeturi în loc de una cu o lipsă considerabilă de energie. În acest caz, ar avea sens de ce aceste căutări anterioare nu au găsit nimic.

Dramatizarea coliziunii de protoni a protonilor

Figura 1. O dramatizare a unei coliziuni proton-proton care produce particule SUSY, care se descompun în obiecte observate în detector (aceasta este o semnătură a așa-numitei parități R care încalcă SUSY). Credit: Colaborare CMS

Scopul acestei căutări este de a afla dacă supersimetria a fost sau nu ascunsă prin căutarea specifică a producției a doi quarks superiori simetrici (numiți quarks superiori). Acești squarks superiori se descompun în detector, creând doi quarks superiori și multe alte jeturi, așa cum se arată în Figura 1. Această semnătură nu este la fel de evidentă ca una care include cantități mari de energie lipsă, deoarece există multe modalități diferite de a produce doi quarkuri modele și multe avioane. Cu toate acestea, acest semnal de top squark tinde să producă mai multe jeturi în medie decât oricare dintre procesele de fundal cunoscute. Modelarea evenimentelor cu un număr foarte mare de jeturi este, de asemenea, foarte complicată și chiar și cele mai bune instrumente de simulare nu merg întotdeauna bine. Prin urmare, datele se bazează pe prezicerea numărului de evenimente cu un număr dat de jeturi.

Strategia noastră nu ar fi fost posibilă fără a valorifica puterea învățării automate și a rețelelor neuronale. O tehnică de învățare automată care a fost utilizată pentru a identifica coliziuni care ar putea conține decăderile squarks superioare se numește inversiune în gradient, care poate fi explicată după cum urmează. Imaginați-vă că sortați bomboanele în două categorii: bomboane bomboane și bomboane obișnuite. Știi că bomboanele bomboane sunt mai grele decât bomboanele normale, deoarece sunt umplute cu bomboane. Să spunem, de asemenea, că bomboanele au doar două forme între toate soiurile de bomboane și cele obișnuite: pătrate sau cercuri. În cele din urmă, vi se spune că bomboanele pătrate sunt, în medie, mai grele decât cele circulare.

O modalitate de a sorta bomboanele este de a sorta toate bomboanele pătrate ca bomboane bomboane și toate bomboanele circulare ca bomboane normale. La urma urmei, ambele bomboane pătrate și caramel sunt, în general, mai grele. Această abordare de notare este incorectă, deoarece nu toate bomboanele pătrate au bomboane, deci este probabil cel mai bine să sortați bomboanele, indiferent de forma lor. Ignorarea formei atunci când ordonăm este echivalentă cu ceea ce inversiunea gradientului ne permite să facem în contextul fizicii. În locul bomboanelor și bomboanelor normale, comanda se face între semnal și evenimentele de fundal și, în locul formei, aranjamentul trebuie să fie independent de numărul de jeturi.

Această strategie este exact ceea ce este necesar pentru a modela distribuția numărului de jeturi direct din date. Evenimentele din categoria de fundal sunt folosite pentru a prezice câte evenimente ar trebui să existe cu un număr dat de jeturi din categoria de semnal. Deoarece modelul de semnal tinde să producă mai multe jeturi decât fundalurile standard ale modelului, orice abatere de la predicție ar putea însemna că există ceva SUSY ascuns acolo.

Figura 2 prezintă o comparație a numărului de distribuții de aeronave obținute din datele colectate cu cel al predicției noastre finale de fundal. În acest caz, predicția presupune că nu există nicio contribuție din modelele noastre de semnale ipotetizate. Aici, acordul dintre date și predicția noastră din patru categorii standard de proces model este rezonabil de bun.

Numărul parcelei Jete

Figura 2. Arată distribuția numărului de evenimente cu un număr dat de jeturi pentru datele colectate (puncte negre) și contribuțiile așteptate din fundalurile modelului standard cunoscute (blocuri de culori). Diferite linii de culoare sau stil arată distribuția numărului de aeronave pentru diferite modele SUSY cu mase de squark superioare specifice. Credit: Colaborare CMS

Când datele sunt împărțite în mai multe categorii decât cele prezentate în Figura 2, se constată o mică abatere de la predicția noastră. Cu toate acestea, abaterea nu este suficient de mare pentru a face o afirmație fermă dacă acest lucru indică sau nu că supersimetria poate fi corectă. Cel mai probabil, există doar o fluctuație statistică a datelor sau există o problemă de modelare necunoscută.

În fizica particulelor, „etalonul aurului” este să declare o descoperire a noii fizici atunci când un rezultat are o semnificație de 5 sau mai multe abateri standard. Aceasta înseamnă că există doar 1 din 3,5 milioane de șanse ca rezultatul să fie doar o fluctuație aleatorie a datelor. Dovezile sau care afirmă că ceva este suficient de interesant pentru a lua în considerare posibilitatea ca acesta să fie nou, se fac doar cu o importanță de 3 abateri standard, reprezentând o șansă de 1 la 740 ca rezultatul să fie o fluctuație. Acest standard este foarte strict în comparație cu majoritatea celorlalte discipline științifice. LHC produce o cantitate mare de date, deci se poate întâmpla ca o abatere de la predicția modelului standard să fie obținută doar întâmplător. În fizica particulelor, cu siguranță nu există nicio garanție de a pretinde vreo abatere fără a examina în mod serios validitatea sa statistică.

Magnitudinea celei mai mari abateri observate în această analiză, fără a corecta efectul privirii în altă parte, este de 2,8 abateri standard. Aceasta înseamnă că, chiar dacă nu există supersimetrie, se așteaptă să se vadă un astfel de rezultat o dată la 368 de ori, cu mult sub pragul a 5 abateri standard. Având în vedere că CMS a publicat mai mult de 1000 de articole, multe dintre ele analizând zeci sau sute de site-uri, se poate observa că o fluctuație ocazională a unui rezultat nu este deloc surprinzătoare. Rezultatele pot fi, de asemenea, interpretate ca o limită în scenariile de supersimetrie stealth permise, care sunt încă în concordanță cu datele. În funcție de detaliile modelului, masele mai mari de ~ 700 GeV pot fi excluse.

Această căutare este prima de acest gen la LHC, care face lumină asupra unei semnături neexplorate anterior. Discrepanța ușoară constatată este tentantă și provoacă studii de urmărire pentru a investiga dacă originea sa este o simplă fluctuație statistică, dacă se datorează înțelegerii noastre a modelului standard, care ar fi interesant în sine sau dacă ar putea fi primul semn de fizică nouă. În plus, începând cu 2022, va începe următoarea perioadă de colectare a datelor LHC. Acest lucru va ajuta CMS să ajungă la concluzii și mai puternice cu privire la posibilitatea unei noi fizici. Dacă într-adevăr există o supersimetrie furtivă, aceste date suplimentare ar permite un rezultat mai semnificativ, care ar putea împinge spre standardul de aur pentru descoperire.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Zirconii antici datează începutul tectonicii plăcilor în urmă cu 3,6 miliarde de ani – un eveniment critic pentru a face pământul ospitalier pentru viață

Zirconii examinați de echipa de cercetare, fotografiați cu catodoluminiscență, tehnică cu care echipa a putut vizualiza interiorul cristalelor cu un microscop electronic cu scanare...

Putem face opioidele mai puțin dependente? [Video]

În 2017, milioane de oameni din întreaga lume erau dependenți de opioide și 115.000 au murit din cauza unui supradozaj. Opioidele sunt cele mai puternice...

Măsurile neconvenționale împotriva pandemiei și apărării nucleare pot proteja omenirea de catastrofe catastrofale

Lansarea mânerului SM-3 Block IB de la un crucișător cu rachete ghidate USS Lake Erie (CG 70). Credit: Marina SUA În curând viața pe...

Situl de legare a anticorpilor conservat în variantele de virus COVID-19 – impact mare pentru vaccinurile viitoare

O echipă de cercetare Penn State a descoperit că proteinele N din barza-covi-2 sunt stocate în toate coronavirusurile epidemice legate de îngrășăminte (sus, stânga:...

Mișcări ale electronilor de ceas în interiorul unui atom: viteza obturatorului de o milionime dintr-o miliardime de secundă

Reprezentarea artistică a experimentului. Întârzierea inerentă între emisia celor două tipuri de electroni duce la o elipsă caracteristică în datele analizate. În...

Newsletter

Subscribe to stay updated.