El artículo proporciona información sobre los resultados actuales (para 2013) de la búsqueda de la supersimetría, una de varias ideas especulativas sobre lo que puede estar más allá de los límites de las partículas e interacciones conocidas. La supersimetría es una de las opciones (la más popular y quizás la más criticada, pero no la única) de lo que puede resolver el llamado problema de "
naturalidad ", estrechamente relacionado con el "
problema de la jerarquía de indicadores ". ¿Por qué la gravedad es más débil que otras interacciones? ¿Por qué la masa de la partícula de Higgs es tan pequeña en comparación con la masa del agujero negro más pequeño posible?
A mediados de 2011, cuando el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) aún era joven, mi colega John Conway
anunció en su blog que la supersimetría (específicamente, la supersimetría como una solución al problema de la naturalidad, que llamaré "supersimetría natural", UE)) De hecho, fue rechazado por los datos obtenidos en los experimentos ATLAS y CMS en el LHC. Una mirada rápida y un par de minutos fueron suficientes para comprender que esta declaración era errónea, y esto se demuestra por el hecho de que la gente continúa buscando señales de la UE hasta ahora. ¿Por qué es tan difícil rechazar a la UE? Debido a que este tema tiene una gran cantidad de opciones, una increíble cantidad de opciones para la supersimetría que puede resolver el enigma de la naturalidad. Para excluirlos a todos, ¡se requerirá mucho trabajo! Muchos más datos de los que se recopilaron en el LHC durante varios meses.
A mediados de 2012, después de haber recibido cinco veces más datos y haber trabajado mucho más en su clasificación, nos dimos cuenta de que la situación era un poco complicada. Esta vez, tardó un poco más, del orden de varias horas, en comprender que los resultados con ATLAS y CMS no rechazaron a la UE. Hubo dos dificultades. El primero son los resultados de una medición muy importante del experimento LHCb (aunque los experimentadores lograron confundir al público dos veces, afirmando erróneamente que descartaron la posibilidad de la UE, o al menos "lo enviaron a una cama de hospital", una de las declaraciones más sin sentido en el campo de la física, que Escuché) El segundo es el descubrimiento de una partícula de 126 GeV Higgs, lo suficientemente ligera como para satisfacer a la UE, pero demasiado pesada para adaptarse a sus variantes más simples. Y, sin embargo, era demasiado pronto para hacer declaraciones específicas sobre la UE o cualquier otra cosa.
¿Qué está pasando con nosotros hoy [2013]? Lo que tomó un par de minutos en 2011, y unas pocas horas en 2012, en 2013 tomó seis meses de arduo trabajo. Los datos recopilados en 2012 en ATLAS y CMS resultaron ser mucho más grandes en volumen, y los experimentadores tuvieron que pasar mucho más tiempo tratando de superarlos. Después de todos los esfuerzos, se hizo posible comprender qué variantes de supersimetría están excluidas y cuáles no. Finalmente, estamos en condiciones de comenzar a sacar conclusiones importantes, aunque incompletas, sobre las variantes naturales de la supersimetría.
Como dije, la supersimetría tiene una increíble cantidad de opciones, cada una de las cuales hace predicciones ligeramente diferentes con respecto a los experimentos en el LHC. En principio, utilizando los datos existentes de ATLAS y CMS, puede hacer ciertas declaraciones sobre la UE que no son específicas de ninguna subclase particular de opciones de supersimetría, pero ¿puede hacer declaraciones que se apliquen a todas (o a una clase muy grande) de teorías de la UE? Mis colegas y yo respondemos esta pregunta en
nuestro trabajo científico .
Hemos demostrado que la respuesta será sí. Este "sí" es un poco limitado, porque hay varias lagunas lógicas pequeñas, pero enfatizo - las pequeñas. En comparación con 2012, esta es una mejora importante, porque a través de esas lagunas podría obtener un camión. Aquí están nuestros argumentos:
Primero, suponemos que estamos tratando con una versión natural de la supersimetría, en la que se requiere que
Higgsino (
supercompañeros teóricos de partículas de Higgs: la supersimetría requiere cinco variedades de partículas de Higgs) tenga una masa de no más de 400 GeV / s
2 . Y este es un requisito bastante conservador: la mayoría de las opciones de la UE requieren que las partículas sean mucho más ligeras.
En segundo lugar, suponemos que los gluinos (supercompañeros de gluones) están disponibles para nosotros en el siguiente sentido: su masa no supera los 1400 GeV / s
2 , y esto es lo suficientemente pequeño como para que podamos obtener varias de esas partículas durante la recopilación de datos en 2011-2012 .
Luego observamos lo siguiente: si, y cuándo, se obtendrán gluinos en el LHC en colisiones de protones, en casi todos los modelos de la UE con gluinos disponibles se producirá uno o más de los siguientes fenómenos:
- Falta de impulso lateral. Una clara señal de que las colisiones crean partículas observables y no observables, y los observables obviamente rebotan en aquellos que no podemos ver.
- Quarks y antiquarks superiores: partículas bastante pesadas (la masa del quark superior es de 175 GeV / s 2 ), que a menudo se descompone en un electrón o muón, neutrino (no observable) y quark inferior (o sus antipartículas).
- Una gran cantidad de partículas elementales de alta energía: quarks, antiquarks, gluones, leptones, antileptones o fotones. Un número típico es de 3 a 10 partículas elementales por gluino y, por lo tanto, de 6 a 20 partículas en una colisión protón-protón.
Finalmente, señalamos que la búsqueda de todas estas características experimentales se realizó de manera eficiente y con pocos o ningún supuesto, tanto en ATLAS como en CMS. La búsqueda de los dos primeros signos es tan precisa que es casi imposible perderse el modelo de la UE, en el que el gluino se desintegra en el quark superior y surge un impulso transversal perdido si la masa de gluino no supera los 1000 GeV / s
2 , y a veces puede alcanzar 1200 GeV / s
2 . Si, durante la descomposición del gluino, aparecen varios quarks superiores y prácticamente no hay falta de impulso transversal, pero hay muchos quarks, antiquarks y gluones, entonces las restricciones en la masa de gluinos se debilitan, tal vez alrededor de 800 GeV / s
2 , pero por lo general todavía están en la región de 1000 GeV / s
2 . También le indicamos cómo mejorar su búsqueda de gluino en esta última categoría.
Este conjunto de observaciones excluye la mayoría de las variantes de la UE en las que la masa de gluino se encuentra en la región accesible para nosotros, hasta o en la región de 1000 GeV / s
2 . Solo las opciones con gluinoes más pesados, o con la descomposición del gluino, en la que no se observa ninguno de los tres signos mencionados anteriormente, o con Higgsino anormalmente pesado, no caen aquí. El resultado se resume en la figura a continuación. Lo que es importante, a diferencia de las búsquedas de supersimetría anteriores, basadas en tres supuestos clave de las versiones de supersimetría que fueron los más populares:
- En cualquier proceso, el número de súper socios solo puede cambiar en un número par.
- El supercompañero más ligero (que, como se desprende del párrafo 1, es estable) es el supercompañero de la partícula que conocemos (y, por lo tanto, para evitar conflictos con los datos disponibles, este es un neutralino o sneytrino no observable).
- Los supercompañeros, que están sujetos a fuertes interacciones nucleares, son mucho más pesados que otros supercompañeros de partículas que conocemos.
nuestros resultados resultan aplicables incluso si rechazamos cualquiera o todos estos supuestos. Además, no asumimos que la supersimetría es "mínima", es decir, tenemos que descubrir solo supercompañeros de partículas que ya conocemos (y partículas de Higgs adicionales requeridas por la supersimetría).
La vertical es la masa de Higgsino, la horizontal es el gluino. La parte superior del gráfico es resultados desagradablemente antinaturales. Abajo a la izquierda hay una cobertura casi completa, entonces, de 800 a 1000 GeV / s
2 - algunas brechas conocidas, luego brechas grandes, y luego, a partir de 1400 GeV / s
2 - territorio desconocido.
¿Y cómo se puede caracterizar la búsqueda de supersimetría natural a este respecto? Se podría decir que están 3/4 terminados. Para las opciones de la UE sin gluino, que podrían obtenerse en 2011-12, se realizaron muchas búsquedas de otras partículas de supercompañero, pero, como
han demostrado mis colegas Jared Evans y Eugene Katz, esto no se puede llamar cobertura total. Por ejemplo, hubo muchas búsquedas de squarks superiores, súper socios de los quarks superiores, pero cada uno de ellos tuvo que hacer ciertas suposiciones sobre cómo decaen los squarks superiores. Y para tal desglose, hay oportunidades que no están sujetas a los métodos de búsqueda actuales. Lo mismo es cierto para Higgsino y otras partículas supercompañeras similares.
Es imposible excluir a la UE con certeza casi completa y lagunas muy pequeñas hasta que el LHC haya trabajado durante un par de años más con colisiones de protones a energías de 13 TeV, y este trabajo comenzará solo en 2015 [De 2015 a 2017, el LHC realmente trabajó con Con esta capacidad calculada, los resultados se están procesando actualmente / aprox. transl.]. Para 2017, tendremos que obtener datos que excluyan casi todas las variantes de la UE con una masa de gluino de hasta 1600-1800 GeV / s
2 (por supuesto, si no abrimos ninguna opción). Para entonces, las restricciones sobre las escuadras superiores y Higgsino también serán mucho más fuertes, y esto dejará muy poco espacio para la supersimetría.
Quiero mencionar un par de lagunas en nuestra lógica. El más grande de ellos es nuestra suposición de que durante la descomposición del gluino no aparecen nuevas partículas duraderas u otros fenómenos extraños. Dichas capacidades requerirían un conjunto completamente diferente de estrategias, y es difícil estudiarlas sin conocer los detalles de cómo los detectores miden las partículas de larga vida; este tema es bastante complicado. Para algunos tipos de partículas de larga vida, las búsquedas existentes son muy adecuadas, para otros no se han realizado búsquedas en absoluto; por lo tanto, la cobertura de este tema es muy fragmentaria. Además, planteamos la hipótesis de que las masas de gluino, Higgsino y todas las demás partículas de supercompañeros de masa pequeña no están en un espacio muy estrecho de varias decenas de GeV / s2 de ancho. Para tal caso, se requerirán medidas especiales que no sean las que tomamos nosotros; sin embargo, aún no está claro si tal desarrollo de eventos dentro de la UE es posible. Finalmente, en principio, uno puede imaginar una descomposición tan compleja del gluino que confundirá cualquier método de búsqueda moderno. Si pueden existir tales desintegraciones es una cuestión de un estudio teórico separado. Puede haber otras lagunas, pero las consideramos lo suficientemente pequeñas.
Lo que es importante entender para aquellos que no son expertos es cuando los experimentadores de ATLAS o CMS dicen que "hemos terminado de buscar X", donde X es una partícula de algún tipo o fenómeno o idea, esto no significa que esta búsqueda fue necesariamente inútil para Y, donde Y es muy diferente de X. Los experimentadores buscan la supersimetría, no solo porque se puede encontrar, sino también porque las estrategias que utilizan pueden abrirse a nosotros y a algo más. Y viceversa, a veces las búsquedas de algo que no está relacionado con la supersimetría resultan útiles para las búsquedas de ciertas variantes de la supersimetría.
En pocas palabras, incluso si cree sinceramente que X no existe, esto no significa que deba asumir que la búsqueda de X es una completa pérdida de tiempo. No es necesario criticar a los experimentadores por la pérdida "en busca de la supersimetría" o "dimensiones adicionales" o algo más de tiempo. Las mismas búsquedas son útiles y necesarias para descubrir o excluir muchas otras teorías. Por ejemplo, en el trabajo mostramos que una cierta búsqueda de dimensiones espaciales adicionales (más precisamente, la búsqueda de agujeros negros microscópicos que se evaporan instantáneamente) es una de las formas más fructíferas de eliminar el gluino, en cuya descomposición aparecen muchas partículas elementales.
Al final, quiero pensar que nuestros resultados son un paso adelante hacia la comprensión de lo que ATLAS y CMS nos dicen sobre la física de partículas, y cómo será necesario realizar búsquedas en el futuro. Una posible lección sería que, en muchas situaciones, una pequeña cantidad de búsquedas amplias e integrales de un fenómeno general será más efectiva que una gran cantidad de búsquedas extremadamente optimizadas y muy limitadas de un fenómeno muy específico. En el último caso, quedan muchos más agujeros, y si no hacen un descubrimiento, resultan menos útiles que el primer caso en términos de sacar conclusiones generales y firmes sobre cómo funciona el mundo.