Der Artikel enthält Informationen zu den aktuellen (für 2013) Ergebnissen der Suche nach Supersymmetrie - eine von mehreren spekulativen Ideen darüber, was über die Grenzen bekannter Partikel und Wechselwirkungen hinausgehen könnte. Supersymmetrie ist eine der Optionen (die beliebteste und vielleicht die am meisten kritisierte - aber nicht die einzige), mit der das sogenannte "
Natürlichkeit " -Problem gelöst werden kann, das eng mit dem "
Eichhierarchieproblem " zusammenhängt. Warum ist die Schwerkraft so schwächer als andere Wechselwirkungen? Warum ist die Masse des Higgs-Teilchens so klein im Vergleich zur Masse des kleinstmöglichen Schwarzen Lochs?
Mitte 2011, als der Large Hadron Collider (LHC) noch jung war,
kündigte mein Kollege John Conway
in seinem Blog die Supersymmetrie an (insbesondere Supersymmetrie als Lösung für das Problem der Natürlichkeit, das ich als "natürliche Supersymmetrie" bezeichnen werde, EU). Tatsächlich wurde es durch Daten abgelehnt, die in den ATLAS- und CMS-Experimenten am LHC erhalten wurden. Ein kurzer Blick und ein paar Minuten genügten, um zu verstehen, dass diese Aussage falsch war - und dies zeigt sich darin, dass die Menschen bislang weiterhin nach Anzeichen für die EU suchen. Warum ist es so schwierig, die EU abzulehnen? Weil dieses Thema eine Vielzahl von Optionen bietet - unglaublich viele Optionen für Supersymmetrie, die das Rätsel der Natürlichkeit lösen können. Um sie alle auszuschließen, ist viel Arbeit erforderlich! Viel mehr Daten als am LHC für mehrere Monate gesammelt wurden.
Bis Mitte 2012, nachdem wir fünfmal mehr Daten erhalten und viel mehr an deren Sortierung gearbeitet hatten, stellten wir fest, dass die Situation etwas kompliziert war. Diesmal dauerte es etwas länger, in der Größenordnung von mehreren Stunden, um zu verstehen, dass die Ergebnisse mit ATLAS und CMS die EU nicht ablehnten. Es gab zwei Schwierigkeiten. Das erste ist das Ergebnis einer sehr wichtigen Messung aus dem LHCb-Experiment (obwohl es den Experimentatoren zweimal gelang, die Öffentlichkeit zu verwirren, indem sie fälschlicherweise feststellten, dass sie die Möglichkeit der EU ausgeschlossen oder zumindest „in ein Krankenhausbett geschickt“ haben - eine der bedeutungslosesten Aussagen auf dem Gebiet der Physik, die ich habe gehört). Das zweite ist die Entdeckung eines 126-GeV-Higgs-Partikels, das leicht genug ist, um die EU zu befriedigen, aber zu schwer, um in seine einfachsten Varianten zu passen. Und doch war es zu früh, um konkrete Aussagen über die EU oder irgendetwas anderes zu machen.
Was ist heute mit uns los [2013]? Was 2011 ein paar Minuten und 2012 ein paar Stunden dauerte, dauerte 2013 sechs Monate harter Arbeit. Die 2012 bei ATLAS und CMS gesammelten Daten erwiesen sich als viel umfangreicher, und die Experimentatoren mussten viel mehr Zeit damit verbringen, sie zu durchbrechen. Nach all den Bemühungen wurde es möglich zu verstehen, welche Supersymmetrievarianten ausgeschlossen sind und welche nicht. Schließlich sind wir in der Lage, wichtige, wenn auch unvollständige Schlussfolgerungen über die natürlichen Varianten der Supersymmetrie zu ziehen.
Wie gesagt, Supersymmetrie bietet eine erstaunliche Anzahl von Optionen, von denen jede leicht unterschiedliche Vorhersagen in Bezug auf Experimente mit dem LHC macht. Im Prinzip können Sie unter Verwendung vorhandener Daten von ATLAS und CMS bestimmte Aussagen über die EU machen, die nicht spezifisch für eine bestimmte Unterklasse von Supersymmetrieoptionen sind. Können Sie jedoch Aussagen machen, die für alle (oder für eine sehr große Klasse) EU-Theorien gelten? Meine Kollegen und ich beantworten diese Frage in
unserer wissenschaftlichen Arbeit .
Wir haben gezeigt, dass die Antwort ja sein wird. Dieses „Ja“ ist etwas begrenzt, da es mehrere kleine logische Lücken gibt, aber ich betone - kleine. Gegenüber 2012 ist dies eine wesentliche Verbesserung, da durch diese Lücken ein Lkw geführt werden konnte. Hier sind unsere Argumente:
Zunächst nehmen wir an, dass es sich um eine natürliche Version der Supersymmetrie handelt, bei der es erforderlich ist, dass
Higgsino (theoretische Superpartner von Higgs-Partikeln - Supersymmetrie erfordert fünf Arten von Higgs-Partikeln) eine Masse von nicht mehr als 400 GeV / s
2 aufweist . Und dies ist eine ziemlich konservative Anforderung - die meisten EU-Optionen erfordern, dass Partikel viel leichter sind.
Zweitens gehen wir davon aus, dass uns Gluinos (Gluon-Superpartner) in folgendem Sinne zur Verfügung stehen: Ihre Masse überschreitet 1400 GeV / s
2 nicht und ist klein genug, um bei der Datenerfassung 2011-2012 mehrere solcher Partikel zu erhalten .
Dann stellen wir Folgendes fest: Wenn und wann Gluinos bei Protonenkollisionen auf dem LHC erhalten werden, treten in fast allen EU-Modellen mit verfügbaren Gluinos eines oder mehrere der folgenden Phänomene auf:
- Fehlender seitlicher Impuls. Ein klares Zeichen dafür, dass Kollisionen sowohl beobachtbare als auch nicht beobachtbare Partikel erzeugen und die Observablen offensichtlich von denen abprallen, die wir nicht sehen können.
- Obere Quarks und Antiquarks: ziemlich schwere Partikel (die Masse des oberen Quarks beträgt 175 GeV / s 2 ), die häufig in ein Elektron oder Myon, Neutrino (nicht beobachtbar) und unteres Quark (oder deren Antiteilchen) zerfallen.
- Eine große Anzahl energiereicher Elementarteilchen: Quarks, Antiquarks, Gluonen, Leptonen, Antileptonen oder Photonen. Eine typische Anzahl beträgt 3 bis 10 Elementarteilchen pro Gluino und daher 6 bis 20 Teilchen bei einer Proton-Proton-Kollision.
Schließlich weisen wir darauf hin, dass die Suche nach all diesen experimentellen Merkmalen sowohl bei ATLAS als auch bei CMS effizient und mit geringen oder keinen Annahmen durchgeführt wurde. Die Suche nach den ersten beiden Zeichen ist so genau, dass es fast unmöglich ist, das EU-Modell zu übersehen, bei dem Gluino in den oberen Quark zerfällt und ein fehlender Querimpuls entsteht, wenn die Masse des Gluinos 1000 GeV / s
2 nicht überschreitet und manchmal 1200 GeV / s
2 erreichen kann . Wenn während des Zerfalls von Gluino mehrere obere Quarks auftreten und praktisch kein Querimpuls fehlt, aber viele Quarks, Antiquarks und Gluonen vorhanden sind, werden die Beschränkungen für die Masse der Gluinos schwächer - vielleicht um 800 GeV / s
2 , aber normalerweise sind sie immer noch im Bereich von 1000 GeV / s
2 . Wir haben auch angegeben, wie Sie Ihre Suche nach Gluino in dieser letzten Kategorie verbessern können.
Diese Beobachtungen schließen die meisten EU-Varianten aus, bei denen sich die Gluino-Masse in der für uns zugänglichen Region befindet, bis zu oder in der Region von 1000 GeV / s
2 . Nur Optionen mit schwereren Gluinoen oder mit dem Abbau von Gluino, bei denen keines der drei oben genannten Zeichen beobachtet wird, oder mit unnatürlich schwerem Higgsino fallen hier nicht. Das Ergebnis ist in der folgenden Abbildung zusammengefasst. Was ist wichtig, im Gegensatz zu den früheren Supersymmetrie-Suchen, basierend auf drei Schlüsselannahmen aus Supersymmetrie-Versionen, die am beliebtesten waren:
- In jedem Prozess kann sich die Anzahl der Superpartner nur um eine gerade Zahl ändern.
- Der leichteste Superpartner (der, wie aus Absatz 1 hervorgeht, stabil ist) ist der Superpartner des Partikels, den wir kennen (und um Konflikte mit den verfügbaren Daten zu vermeiden, handelt es sich daher um ein nicht beobachtbares Neutralino oder Sneytrino).
- Superpartner, die starken nuklearen Wechselwirkungen ausgesetzt sind, sind viel schwerer als andere Superpartner von Partikeln, die uns bekannt sind.
Unsere Ergebnisse erweisen sich auch dann als anwendbar, wenn wir einige oder alle dieser Annahmen ablehnen. Wir gehen auch nicht davon aus, dass die Supersymmetrie „minimal“ ist - das heißt, wir müssen nur Superpartner von Partikeln entdecken, die wir bereits kennen (und zusätzliche Higgs-Partikel, die für die Supersymmetrie erforderlich sind).
Die Vertikale ist die Masse von Higgsino, die Horizontale ist Gluino. Der obere Rand des Diagramms zeigt unangenehm unnatürliche Ergebnisse. Unten links ist eine fast vollständige Abdeckung von 800 bis 1000 GeV / s
2 - einige bekannte Lücken, dann große Lücken und dann von 1400 GeV / s
2 - Neuland.
Und wie kann man in diesem Zusammenhang die Suche nach natürlicher Supersymmetrie charakterisieren? Man könnte sagen, sie sind zu 3/4 fertig. Für EU-Optionen ohne Gluino, die in den Jahren 2011-12 erhältlich waren, wurden viele Suchen nach anderen Superpartner-Partikeln durchgeführt. Wie meine Kollegen Jared Evans und Eugene Katz
jedoch gezeigt haben , kann dies nicht als vollständige Abdeckung bezeichnet werden. Zum Beispiel gab es viele Suchen nach oberen Squarks, Superpartnern für die oberen Quarks, aber jeder von ihnen musste bestimmte Annahmen darüber treffen, wie die oberen Squarks zerfallen. Und für eine solche Aufschlüsselung gibt es Möglichkeiten, die nicht den aktuellen Suchmethoden unterliegen. Gleiches gilt für Higgsino und andere ähnliche Superpartner-Partikel.
Es ist unmöglich, die EU mit fast vollständiger Sicherheit und sehr kleinen Lücken auszuschließen, bis der LHC noch einige Jahre mit Protonenkollisionen bei Energien von 13 TeV gearbeitet hat - und diese Arbeit wird erst 2015 beginnen [Von 2015 bis 2017 hat der LHC wirklich gearbeitet Mit dieser berechneten Kapazität werden die Ergebnisse derzeit verarbeitet / ca. übersetzt.]. Bis 2017 müssen wir Daten erhalten, die fast alle EU-Varianten mit einer Gluino-Masse von bis zu 1600-1800 GeV / s
2 ausschließen (wenn wir natürlich keine Option eröffnen). Bis dahin werden auch die Beschränkungen für obere Squarks und Higgsino viel stärker sein, und dies wird sehr wenig Raum für Supersymmetrie lassen.
Ich möchte einige Lücken in unserer Logik erwähnen. Die größte davon ist unsere Annahme, dass während des Zerfalls von Gluino keine neuen langlebigen Partikel oder andere seltsame Phänomene auftreten. Solche Fähigkeiten würden völlig andere Strategien erfordern, und es ist schwierig, sie zu untersuchen, ohne die Details zu kennen, wie Detektoren langlebige Partikel messen - dieses Thema ist ziemlich kompliziert. Für einige Arten langlebiger Partikel sind die vorhandenen Suchvorgänge sehr gut geeignet, für andere wurden überhaupt keine Suchvorgänge durchgeführt - daher ist die Abdeckung dieses Themas sehr fragmentarisch. Darüber hinaus stellten wir die Hypothese auf, dass sich die Massen von Gluino, Higgsino und allen anderen Partikeln von Superpartnern mit kleiner Masse nicht in einem sehr engen Spalt befinden, der mehrere zehn GeV / s2 breit ist. In einem solchen Fall sind andere als die von uns ergriffenen Sondermaßnahmen erforderlich. Es ist jedoch noch nicht klar, ob eine solche Entwicklung der Ereignisse innerhalb der EU möglich ist. Schließlich kann man sich im Prinzip eine so komplexe Aufteilung von Gluino vorstellen, dass sie alle modernen Suchmethoden verwirrt. Ob solche Zerfälle existieren können, ist eine Frage einer separaten theoretischen Studie. Es mag andere Lücken geben, aber wir halten sie für klein genug.
Für diejenigen, die keine Experten sind, ist es wichtig zu verstehen, dass ATLAS- oder CMS-Experimentatoren sagen, dass „wir die Suche nach X beendet haben“, wobei X ein Partikel irgendeiner Art oder eines Phänomens oder einer Idee ist. Dies bedeutet nicht, dass diese Suche Es war notwendigerweise nutzlos für Y, wo Y sich sehr von X unterscheidet. Experimentatoren suchen nach Supersymmetrie, nicht nur, weil sie gefunden werden kann, sondern auch, weil sich die Strategien, die sie verwenden, uns und etwas anderem öffnen können. Und umgekehrt erweist sich manchmal die Suche nach etwas, das nicht mit Supersymmetrie zusammenhängt, als nützlich für die Suche nach bestimmten Varianten der Supersymmetrie.
Einfach ausgedrückt, auch wenn Sie aufrichtig glauben, dass X nicht existiert, bedeutet dies nicht, dass Sie davon ausgehen müssen, dass die Suche nach X eine völlige Zeitverschwendung ist. Keine Notwendigkeit, die Experimentatoren für die verlorene "auf der Suche nach Supersymmetrie" oder "zusätzliche Dimensionen" oder etwas anderes Zeit zu kritisieren. Dieselben Suchanfragen sind nützlich und notwendig, um viele andere Theorien zu entdecken oder auszuschließen. Zum Beispiel haben wir in der Arbeit gezeigt, dass eine bestimmte Suche nach zusätzlichen räumlichen Dimensionen (genauer gesagt die Suche nach mikroskopisch kleinen, sofort verdampfenden Schwarzen Löchern) eine der fruchtbarsten Möglichkeiten ist, Gluino zu eliminieren, bei dessen Zerfall viele Elementarteilchen auftreten.
Letztendlich möchte ich denken, dass unsere Ergebnisse ein Fortschritt sind, um zu verstehen, was ATLAS und CMS über die Teilchenphysik aussagen und wie es in Zukunft notwendig sein wird, Suchen durchzuführen. Eine mögliche Lehre wäre, dass in vielen Situationen eine kleine Anzahl breiter und umfassender Suchen nach einem allgemeinen Phänomen effektiver ist als eine große Anzahl extrem optimierter und sehr enger Suchen nach einem sehr spezifischen Phänomen. Im letzteren Fall bleiben viel mehr Löcher übrig, und wenn sie keine Entdeckung machen, erweisen sie sich als weniger nützlich als der erste Fall, um allgemeine und feste Schlussfolgerungen über die Funktionsweise der Welt zu ziehen.