L'article fournit des informations sur les résultats actuels (pour 2013) de la recherche de supersymétrie - l'une des nombreuses idées spéculatives sur ce qui peut être au-delà des limites des particules et interactions connues. La supersymétrie est l'une des options (la plus populaire et peut-être la plus critiquée - mais pas la seule) de ce qui peut résoudre le problème dit de "
naturalité ", étroitement lié au "
problème de hiérarchie des jauges ". Pourquoi la gravité est-elle plus faible que les autres interactions? Pourquoi la masse de la particule de Higgs est-elle si petite par rapport à la masse du plus petit trou noir possible?
À la mi-2011, alors que le Grand collisionneur de hadrons (LHC) était encore jeune, mon collègue John Conway a
annoncé sur son blog que la supersymétrie (en particulier, la supersymétrie comme solution au problème de la naturalité, que j'appellerai «supersymétrie naturelle», UE)) En fait, il a été rejeté par les données obtenues dans les expériences ATLAS et CMS sur le LHC. Un coup d'œil rapide et quelques minutes ont suffi pour comprendre que cette déclaration était erronée - et cela est démontré par le fait que les gens continuent à rechercher des signes de l'UE jusqu'à présent. Pourquoi est-il si difficile de rejeter l'UE? Parce que ce sujet a un grand nombre d'options - un nombre incroyablement élevé d'options de supersymétrie qui peuvent résoudre l'énigme du naturel. Pour les exclure tous, beaucoup de travail sera nécessaire! Beaucoup plus de données que celles recueillies au LHC depuis plusieurs mois.
À la mi-2012, après avoir reçu cinq fois plus de données et avoir fait beaucoup plus de travail pour les trier, nous avons réalisé que la situation était un peu compliquée. Cette fois, il a fallu un peu plus de temps, de l'ordre de plusieurs heures, pour comprendre que les résultats avec ATLAS et CMS n'ont pas rejeté l'UE. Il y avait deux difficultés. Le premier est le résultat d'une mesure très importante de l'expérience LHCb (bien que les expérimentateurs aient réussi à confondre le public à deux reprises, déclarant à tort qu'ils ont exclu la possibilité de l'UE, ou du moins "l'ont envoyée dans un lit d'hôpital" - l'une des déclarations les plus dénuées de sens dans le domaine de la physique, qui J'ai entendu). La seconde est la découverte d'une particule de Higgs 126 GeV, suffisamment légère pour satisfaire l'UE, mais trop lourde pour s'adapter à ses variantes les plus simples. Et pourtant, il était trop tôt pour faire des déclarations spécifiques sur l'UE ou autre chose.
Que se passe-t-il avec nous aujourd'hui [2013]? Ce qui a pris quelques minutes en 2011, et quelques heures en 2012, en 2013 a pris six mois de dur labeur. Les données collectées en 2012 à ATLAS et CMS se sont avérées être beaucoup plus volumineuses, et les expérimentateurs ont dû passer beaucoup plus de temps à essayer de les traverser. Après tous les efforts, il est devenu possible de comprendre quelles variantes de supersymétrie sont exclues et lesquelles ne le sont pas. Enfin, nous sommes en mesure de commencer à tirer des conclusions importantes, quoique incomplètes, sur les variantes naturelles de la supersymétrie.
Comme je l'ai dit, la supersymétrie a une quantité incroyable d'options, chacune faisant des prédictions légèrement différentes concernant les expériences sur le LHC. En principe, en utilisant les données existantes d'ATLAS et de CMS, vous pouvez faire certaines déclarations sur l'UE qui ne sont pas spécifiques à une sous-classe particulière d'options de supersymétrie - mais pouvez-vous faire des déclarations qui s'appliquent à toutes (ou à une très grande classe) de théories de l'UE? Mes collègues et moi répondons à cette question dans
nos travaux scientifiques .
Nous avons montré que la réponse sera oui. Ce «oui» est un peu limité, car il existe plusieurs petites failles logiques, mais j'insiste - de petites. Par rapport à 2012, il s'agit d'une amélioration majeure, car grâce à ces échappatoires, il était possible de conduire un camion. Voici nos arguments:
Tout d'abord, nous supposons que nous avons affaire à une version naturelle de la supersymétrie, dans laquelle il est nécessaire que
Higgsino (superpartenaires théoriques des particules de Higgs - la supersymétrie nécessite cinq variétés de particules de Higgs) ait une masse ne dépassant pas 400 GeV / s
2 . Et c'est une exigence assez conservatrice - la plupart des options de l'UE exigent que les particules soient beaucoup plus légères.
Deuxièmement, nous supposons que les gluinos (superpartenaires des gluons) sont à notre disposition dans le sens suivant: leur masse ne dépasse pas 1400 GeV / s
2 , ce qui est suffisamment petit pour que nous puissions obtenir plusieurs de ces particules lors de la collecte des données en 2011-2012 .
Ensuite, nous notons ce qui suit: si, et quand, des gluinos seront obtenus sur le LHC lors de collisions de protons, alors dans presque tous les modèles de l'UE avec des gluinos disponibles, un ou plusieurs des phénomènes suivants se produiront:
- Élan latéral manquant. Un signe clair que les collisions créent des particules observables et non observables, et les observables rebondissent évidemment sur celles que nous ne pouvons pas voir.
- Quarks supérieurs et antiquarks: particules plutôt lourdes (la masse du quark supérieur est de 175 GeV / s 2 ), se désintégrant souvent en un électron ou un muon, neutrino (inobservable) et quark inférieur (ou leurs antiparticules).
- Un grand nombre de particules élémentaires de haute énergie: quarks, antiquarks, gluons, leptons, antileptons ou photons. Un nombre typique est de 3 à 10 particules élémentaires par gluino, et donc de 6 à 20 particules dans une collision proton-proton.
Enfin, nous soulignons que la recherche de toutes ces fonctionnalités expérimentales a été effectuée efficacement et avec peu ou pas d'hypothèses, à la fois sur ATLAS et CMS. La recherche des deux premiers signes est si précise qu'il est presque impossible de manquer le modèle de l'UE, dans lequel le gluino se désintègre dans le quark supérieur et un élan transversal manquant se produit si la masse de gluino ne dépasse pas 1000 GeV / s
2 , et peut parfois atteindre 1200 GeV / s
2 . Si, pendant la désintégration du gluino, plusieurs quarks supérieurs apparaissent et qu'il n'y a pratiquement pas d'élan transversal manquant, mais qu'il y a beaucoup de quarks, d'antiquarks et de gluons, alors les restrictions sur la masse des gluinos deviennent plus faibles - peut-être autour de 800 GeV / s
2 , mais généralement elles sont toujours de l'ordre de 1000 GeV / s
2 . Nous avons également indiqué comment améliorer votre recherche de gluino dans cette dernière catégorie.
Cet ensemble d'observations exclut la plupart des variantes de l'UE dans lesquelles la masse gluino est dans la région qui nous est accessible, jusqu'à ou dans la région de 1000 GeV / s
2 . Seules les options avec des gluino plus lourds, ou avec la décomposition du gluino, dans lesquelles aucun des trois signes mentionnés ci-dessus n'est observé, ou avec un Higgsino anormalement lourd, ne tombent pas ici. Le résultat est résumé dans la figure ci-dessous. Ce qui est important, contrairement aux recherches précédentes en supersymétrie, basé sur trois hypothèses clés des versions de supersymétrie qui étaient les plus populaires:
- Dans tous les processus, le nombre de super partenaires ne peut changer que d'un nombre pair.
- Le superpartenaire le plus léger (qui, comme il ressort de la section 1, est stable) est le superpartenaire de la particule que nous connaissons (et, par conséquent, afin d'éviter les conflits avec les données disponibles, il s'agit d'un neutrino ou sneytrino inobservable).
- Les super partenaires, qui sont soumis à de fortes interactions nucléaires, sont beaucoup plus lourds que les autres super partenaires des particules que nous connaissons.
nos résultats s'avèrent applicables même si nous rejetons une ou toutes ces hypothèses. De plus, nous ne supposons pas que la supersymétrie est «minimale» - c'est-à-dire que nous devons découvrir uniquement les superpartenaires de particules que nous connaissons déjà (et les particules de Higgs supplémentaires requises par la supersymétrie).
La verticale est la masse de Higgsino, l'horizontale est gluino. Le haut du graphique est désagréablement des résultats contre nature. En bas à gauche, la couverture est presque complète, puis de 800 à 1000 GeV / s
2 - quelques lacunes connues, puis de grandes lacunes, puis, à partir de 1400 GeV / s
2 - un territoire inexploré.
Et comment caractériser la recherche de la supersymétrie naturelle à cet égard? On pourrait dire qu'ils sont 3/4 finis. Pour les options de l'UE sans gluino, qui pourraient être obtenues en 2011-12, de nombreuses recherches ont été effectuées pour d'autres particules superpartenaires - mais, comme mes collègues Jared Evans et Eugene Katz l'
ont montré , cela ne peut pas être qualifié de couverture complète. Par exemple, il y avait beaucoup de recherches pour les squarks supérieurs, super partenaires pour les quarks supérieurs, mais chacun d'eux devait faire certaines hypothèses sur la façon dont les squarks supérieurs se désintègrent. Et pour une telle ventilation, il existe des opportunités qui ne sont pas soumises aux méthodes de recherche actuelles. Il en va de même pour Higgsino et d'autres particules superpartenaires similaires.
Il est impossible d'exclure l'UE avec une certitude presque complète et de très petites lacunes tant que le LHC n'a pas travaillé pendant quelques années de plus avec des collisions de protons à des énergies de 13 TeV - et ce travail ne commencera qu'en 2015 [De 2015 à 2017, le LHC a vraiment travaillé avec Avec cette capacité calculée, les résultats sont en cours de traitement / env. trad.]. D'ici 2017, nous devrons obtenir des données qui excluent presque toutes les variantes de l'UE avec une masse gluino allant jusqu'à 1600-1800 GeV / s
2 (si nous n'ouvrons aucune option, bien sûr). D'ici là, les restrictions sur les squarks supérieurs et Higgsino seront également beaucoup plus fortes, ce qui laissera très peu de place à la supersymétrie.
Je veux mentionner quelques failles dans notre logique. Le plus grand d'entre eux est notre hypothèse selon laquelle pendant la désintégration du gluino aucune nouvelle particule à longue durée de vie ou autre phénomène étrange n'apparaît. De telles capacités nécessiteraient un ensemble de stratégies complètement différent, et il est difficile de les étudier sans connaître les détails de la façon dont les détecteurs mesurent les particules à vie longue - ce sujet est plutôt compliqué. Pour certains types de particules à longue durée de vie, les recherches existantes sont très bien adaptées, pour d'autres aucune recherche n'a été entreprise du tout - la couverture de ce sujet est donc très fragmentaire. De plus, nous avons émis l'hypothèse que les masses de gluino, de Higgsino et de toutes les autres particules de superpartenaires de petite masse ne sont pas dans un intervalle très étroit de plusieurs dizaines de GeV / s2 de large. Dans un tel cas, des mesures spéciales seront nécessaires autres que celles que nous avons prises - cependant, il n'est pas encore clair si une telle évolution des événements au sein de l'UE est possible. Enfin, en principe, on peut imaginer une ventilation si complexe du gluino qu'elle confondra toutes les méthodes de recherche modernes. La question de savoir si de telles désintégrations peuvent exister est une question d'étude théorique distincte. Il peut y avoir d'autres failles, mais nous les considérons comme suffisamment petites.
Ce qu'il est important de comprendre pour ceux qui ne sont pas des experts, c'est quand les expérimentateurs ATLAS ou CMS disent que «nous avons fini de chercher X», où X est une particule d'une sorte ou d'un phénomène ou d'une idée, cela ne signifie pas que cette recherche c'était nécessairement inutile pour Y, où Y est très différent de X. Les expérimentateurs recherchent la supersymétrie, non seulement parce qu'elle peut être trouvée, mais aussi parce que les stratégies qu'ils utilisent peuvent s'ouvrir à nous et à autre chose. Et vice versa, la recherche de quelque chose qui n'est pas lié à la supersymétrie s'avère parfois utile pour la recherche de certaines variantes de la supersymétrie.
Autrement dit, même si vous croyez sincèrement que X n'existe pas, cela ne signifie pas que vous devez supposer que la recherche de X est une perte de temps complète. Pas besoin de critiquer les expérimentateurs pour la perte «à la recherche de supersymétrie» ou «dimensions supplémentaires» ou autre chose du temps. Les mêmes recherches sont utiles et nécessaires pour découvrir ou exclure de nombreuses autres théories. Par exemple, dans le travail, nous avons montré qu'une certaine recherche de dimensions spatiales supplémentaires (plus précisément, la recherche de trous noirs microscopiques qui s'évaporent instantanément) est l'une des façons les plus fructueuses d'éliminer le gluino, dans la désintégration de laquelle apparaissent de nombreuses particules élémentaires.
En fin de compte, je veux penser que nos résultats sont un pas en avant vers la compréhension de ce que ATLAS et CMS nous disent sur la physique des particules, et comment il sera nécessaire d'effectuer des recherches à l'avenir. Une leçon possible serait que dans de nombreuses situations, un petit nombre de recherches larges et complètes pour un phénomène général seront plus efficaces qu'un grand nombre de recherches extrêmement optimisées et très étroites pour un phénomène très spécifique. Dans ce dernier cas, il reste encore beaucoup de trous, et s'ils ne font pas de découverte, ils s'avèrent moins utiles que le premier cas pour tirer des conclusions générales et fermes sur le fonctionnement du monde.