Comment rechercher la supersymétrie au Grand collisionneur de hadrons

Si dans la rue vous demandez à une personne au hasard: "comment rechercher la supersymétrie?" alors il est susceptible de changer rapidement de côté. Mais si vous posez cette question dans la rue au CERN, le laboratoire gérant le Grand collisionneur de hadrons, vous obtiendrez probablement quelque chose comme: "Recherchez un nombre inattendu de collisions avec des jets et de l'énergie manquante."

Et une telle réponse peut déjà vous faire rapidement traverser l'autre côté de la rue. Mais il n'est pas si inexplicable, il a juste besoin d'une traduction. Cela signifie ce qui suit:

Il est nécessaire de rechercher un nombre étonnamment élevé de collisions de protons avec des protons, dans lesquelles il y a des signes comme (a) des quarks, des antiquarks ou des gluons (particules à l'intérieur des protons et autres hadrons) émanant d'une collision à très haute énergie, comme d'un canon (et créant des pulvérisations de particules , appelés " jets "), et (b) des particules indéfinissables, s'envolant de façon invisible et emportant avec elles une grande quantité de mouvement et d'énergie.

Le but de cet article est de vous expliquer pourquoi les gens donneront une réponse similaire, et quelles sont ses forces et ses faiblesses.

Informations préliminaires

Vous devez lire un article sur ce qu'est la supersymétrie et ce que signifient ses prédictions. En bref: pour chaque type de particules que nous connaissons dans la nature, pour la supersymétrie, une ou deux particules supplémentaires sont nécessaires, que les physiciens appellent généralement des super partenaires, qui ont des propriétés similaires, mais diffèrent sur un aspect:

Si la particule que nous connaissons déjà est un boson, alors son super-partenaire sera un fermion, et vice versa (dans cet article, vous pouvez lire ce que sont les bosons et les fermions).

Afin d'éviter les contradictions avec les données déjà obtenues, la supersymétrie doit être cachée de manière astucieuse, à cause de laquelle une seconde différence apparaît entre la particule et son superpartenaire:

La masse du superpartenaire est supérieure à la masse de la particule déjà connue de nous.

Dans la version la plus populaire de la supersymétrie, le superpartenaire de chaque particule que nous connaissons s'avère être suffisamment lourd pour dépasser à peine la puissance des expériences précédentes, mais en même temps être à la portée du LHC.


Fig. 1: les particules connues et de Higgs, ainsi que leurs super partenaires ( sleptons , sneytrino, squark , gluino, chargeino et neutralino ), prédits par supersymétrie. Particules plus lourdes au sommet.

La raison pour laquelle de nombreux physiciens pensent que les super partenaires sont susceptibles d'être dans les capacités du LHC est qu'ils pensent que la supersymétrie peut être la solution à une énigme connue sous le nom de problème de hiérarchie de jauge . Si les super partenaires sont beaucoup plus difficiles, alors une solution au problème de la hiérarchie devra être recherchée ailleurs.

Supposons que les physiciens aient raison - pourquoi devons-nous alors rechercher des collisions conduisant à l'apparition de nombreux jets (signes de quarks / antiquarks / gluons à haute énergie) et d'une grande quantité d'énergie manquante (signes de particules invisibles)?

D'où vient la réponse «jets et énergie manquante»?

Permettez-moi d'abord de vous dire ce que les physiciens ont à l'esprit, puis je vous dirai d'où tout cela vient.

Voici ce qu'ils en pensent:


Fig. 2: deux protons (vue en perspective) se précipitent l'un vers l'autre, et le quark supérieur à l'intérieur du proton proche entrera bientôt en collision avec le quark supérieur à l'intérieur du proton lointain au point de collision

Étant donné que le proton se compose de quarks, d'antiquarks et de gluons, qui sont soumis à de fortes interactions nucléaires, lors de collisions de protons avec le LHC, il est plus facile d'obtenir pour eux de super partenaires de tous les super partenaires: squarks, antiquarks et gluino. Par exemple (dans les figures 2 et 3), lors de la collision de protons, deux quarks supérieurs peuvent entrer en collision et former deux quarks supérieurs.


Fig. 3: Collision des quarks supérieurs avec la fig. 2 produisent une paire de squarks supérieurs, dont chacun se désintègre presque immédiatement dans le quark supérieur et le neutralino (un mélange de superpartenaires d'un photon, de particules de Z et de Higgs).

Que se passera-t-il ensuite? Comme la plupart des particules, le squark se désintègre. Pourquoi? Dans de nombreuses variantes de la supersymétrie, les squarks se décomposeront en un quark et un autre superpartenaire, neutralino (un mélange de superpartenaires d'un photon, de particules de Z et de Higgs). Les quarks transportent beaucoup d'énergie et se transforment en jets, et neutre ne volent pas à travers les détecteurs sans laisser de trace. En conséquence, nous devrions voir deux jets à haute énergie, un pour chaque quark, et des signes qu'ils rebondissent sur quelque chose d'invisible et non détecté.


Fig. 4: chaque quark à haute énergie avec fig. 3 se transformera en un flux de hadrons, et neutralino glissera inchangé

La collision elle-même et l'apparence avec la décroissance ultérieure des squarks sont illustrées à la Fig. 3. Les jets et le neutrino volant hors du point de collision sont illustrés à la Fig. 4. Ce que le détecteur voit réellement - les seules informations que les scientifiques reçoivent - est illustré à la Fig. 5.

Le déséquilibre apparent vu sur la fig. 5, où la majeure partie de la substance va vers la droite et vers le haut, mais rien ne va vers la gauche et vers le bas, pour des raisons historiques malheureuses et pour des raisons de brièveté est appelé "énergie manquante". En fait, c'est «une impulsion manquante dans des directions perpendiculaires aux rayons en collision» - la phrase est longue, ce qui explique en partie le désir de brièveté.


Fig. 5: le détecteur du LHC (ATLAS ou CMS) détectera deux jets de la Fig. 4 sous la forme de signaux électroniques localisés qui apparaissent lorsque des particules traversent un équipement de suivi et s'arrêtent dans un détecteur d'énergie. Deux neutrinos ne laissent aucune trace et leur présence ne peut être jugée que par l’absence de tout reflet des jets.

Si des paires de gluino apparaissent à la place, la situation sera légèrement différente. Habituellement, chacun des deux gluinos se désintègre en un quark, un antiquark et un neutralino, de sorte que les détecteurs verront à nouveau des jets (dans ce cas quatre), ainsi que «l'énergie manquante» des deux neutrinos.

C'est une telle image que les physiciens imaginent lorsqu'ils répondent à votre question sur la recherche de la supersymétrie. Pour comprendre d'où il vient, il est nécessaire d'étudier les hypothèses sous-jacentes.

Hypothèses sous-jacentes à la réponse «jets et énergie manquante»

Nous allons maintenant faire ce voyage logique - il est illustré sur la Fig. 6. À la fin de notre tournée, vous serez en mesure, dans une certaine mesure, de juger des forces et des faiblesses de cette réponse à votre question initiale.

Trois hypothèses de base sont incluses dans la logique.

Hypothèse 1 : nous supposons qu'il existe un principe supplémentaire dans la nature que la supersymétrie elle-même n'exige pas, et selon lequel dans tout processus physique, le nombre de super partenaires peut changer d'un nombre pair (son nom technique est la conservation de la parité R ; je n'informe pas parce que son nom est très important, mais parce que vous pourriez le rencontrer ailleurs).

Pourquoi les théoriciens imposent-ils un tel critère? Sans l'hypothèse 1, la supersymétrie prédirait l'existence de nouvelles interactions entre les particules de matière, et généralement elles conduisent à la désintégration rapide des protons. Et cela entre en conflit avec les données. Un proton est extrêmement stable (heureusement, même un taux de décroissance lent des protons nous tuerait, ferait fondre la Terre, etc.). Vous pouvez prendre un réservoir avec un milliard de milliards de milliards de protons, attendre dix ans et ne pas trouver un seul proton en décomposition (oui, et les gens ont essayé de le faire! Pour cela, vous avez besoin de 180 000 tonnes d'eau). Donc sans hypothèse 1 supersymétrie et nous serions morts.

Mais si l'hypothèse 1 est vraie - la parité R est préservée, alors ces nouvelles interactions sont interdites. La supersymétrie plus la conservation de la parité R prédit un proton à très très longue durée de vie, ce qui correspond (dans un cas favorable) aux données.

Il est à noter que cette exigence de préservation de la parité R n'est pas imposée car elle nécessite une supersymétrie ou basée sur certains principes théoriques. Il est ajouté car le respect des données l'exige. Il s'agit également d'une exigence parfaitement raisonnable d'un point de vue théorique.

Hypothèse 2 : De tous les super partenaires dans la nature, le partenaire de la particule de Higgs sera le plus léger, et c'est donc l'un des super partenaires de la Fig. 1: gluino, squark, slepton chargé, sneutrino, chargeino ou neutralino.

Cette hypothèse est discutable. Premièrement, si la supersymétrie est vraie, alors le graviton (le porteur de la gravité) doit également avoir un super partenaire, gravitino - et son dans la Fig. 1 non. Quel est le poids du gravitino? Nous ne le savons pas. Dans certaines versions de la supersymétrie, elle est aussi lourde que les super partenaires les plus lourds de la Fig. 1, squark et gluino. Dans d'autres versions, il est beaucoup plus léger et peut même être plus léger qu'un électron! Et cela violerait l'hypothèse 2.

Ou dans la nature, il peut y avoir des particules avec de très petites masses, que nous ne connaissons pas encore, car elles sont très difficiles à créer ou à détecter - des particules qui ne sont affectées par aucune des trois forces de la Fig. 1, interactions nucléaires électromagnétiques, faibles ou fortes. De telles particules sont généralement appelées "cachées", du fait qu'elles sont difficiles à obtenir, malgré leur faible poids. (Si nous parlons de plusieurs types de particules cachées, elles sont souvent appelées le "secteur caché"). Si la supersymétrie est vraie, ces particules ont également des superpartenaires - comme mentionné dans l'article sur la supersymétrie, la supersymétrie est la symétrie de l'espace et du temps, donc tout type de particule se déplaçant dans l'espace et le temps doit avoir un superpartenaire. Et si l'un de ces super partenaires est plus léger que le super partenaire le plus léger de la fig. 1, alors l'hypothèse 2 est fausse.

L'hypothèse 2 n'est pas requise par les données expérimentales. Les meilleurs arguments théoriques contre les particules cachées indiquent que la nature est susceptible d'être simple et élégante, et puisque les particules cachées sont des déchets superflus, la probabilité de leur existence est faible (que cet argument vous convainc ou non est une question de goût). Le meilleur argument contre le gravitino léger est que le gravitino stable pourrait causer de nombreux problèmes différents pendant le Big Bang. En faveur de l'hypothèse 2, il y a un autre argument lié au fait que le super partenaire le plus léger peut jouer le rôle de la matière noire de l'Univers, mais pour le comprendre, nous devons d'abord comprendre quelques-unes de ses conséquences supplémentaires, donc nous n'entrerons pas encore dedans.

Hypothèse 3 : les superpartenaires soumis à de fortes interactions nucléaires - squarks, antiquarks, gluinos - sont susceptibles d'être lourds, beaucoup plus lourds que les autres superpartenaires, mais pas assez lourds pour ne pas apparaître assez souvent sur le LHC.

Cette hypothèse est plus précaire que les deux autres - que voulez-vous dire par «lourd» et «souvent»? Mais au lieu de me plonger dans de telles considérations, je dirai simplement que dans de nombreuses versions de la supersymétrie, cela s'avère vrai. Les calculs théoriques montrent que dans de nombreux cas différents, ces super partenaires exposés à de fortes interactions nucléaires sont plus difficiles que la plupart des autres. Mais ce n'est pas toujours le cas.


Fig. 6: une chaîne logique conduisant les physiciens à rechercher la supersymétrie par des recherches de collision, dont les résultats sont similaires à la Fig. 5. SP - super partenaires, LSP - les super partenaires les plus légers.

Que découle de ces hypothèses? Quelques conséquences très importantes; pour suivre la chaîne, utilisez la fig. 6.

L'hypothèse 1 a trois conséquences principales:

1. Si vous commencez sans super partenaires (ce qui se produit dans le cas d'une collision de deux protons) et que vous les obtenez après une collision, alors au moins deux d'entre eux devraient apparaître. Vous ne pouvez pas partir de zéro de super partenaires et en obtenir un.
2. Si vous avez un super partenaire et qu'il se casse, il devrait y avoir au moins un super partenaire parmi les résultats de la pause (peut-être trois ou cinq, mais presque toujours un). Vous ne pouvez pas commencer avec un super partenaire et obtenir zéro.
3. Le superpartenaire le plus léger ne peut pas se désintégrer - c'est une particule stable - puisque les particules ne peuvent se désintégrer qu'en particules de plus petite masse, donc si le superpartenaire le plus léger s'est désintégré, cela signifierait qu'un superpartenaire s'est transformé en zéro superpartenaires.

Comme c'est incroyable! De la supersymétrie et de la conservation de la parité R, il découle de l'existence d'une particule stable encore inconnue - le superpartenaire le plus léger (LSP). Quelles propriétés une telle particule peut-elle avoir?

Supposons qu'une interaction électromagnétique ou nucléaire forte agisse sur cette particule. Puis (i) au début de l'Univers, pendant le Big Bang, de nombreuses particules de ce type apparaissaient; (ii) ils affecteraient l'abondance de divers éléments, comme le lithium, pendant le Big Bang, de sorte que cette abondance ne serait pas cohérente avec les observations d'aujourd'hui; (iii) ils voleraient toujours autour de l'Univers, certains d'entre eux entreraient en collision avec la Terre, créeraient des atomes exotiques, qui auraient longtemps été découverts par une recherche approfondie de nouveaux atomes inhabituels. Bien que cela mérite une discussion plus longue, la principale conclusion est que toute nouvelle particule stable ne doit pas être exposée à des interactions électromagnétiques et nucléaires fortes.

Eh bien, en tenant compte de cela, découle de l'hypothèse 2? Le super partenaire le plus léger peut être l'un des neutrinos ou l'un des neutros. Tous les autres super partenaires (squarks, sleptons, chargeino et gluino) de particules connues sont exposés à une interaction électromagnétique ou nucléaire forte. Pour des raisons techniques, la plupart (mais pas tous) des experts en physique des particules préfèrent les modèles dans lesquels neutralino est le super partenaire le plus léger. Il peut être un excellent candidat pour une particule de matière noire - ce qui est un argument en faveur de l'Assomption 2. Mais même si le neutrino s'avère être le plus léger, l'argument en faveur de la recherche de jets et d'énergie manquante reste presque le même, avec quelques changements mineurs.

Et enfin, Assomption 3 suggère qu'il est facile d'obtenir du squash et du gluino, et qu'ils sont relativement lourds. Cela signifie qu'ils explosent avec une énergie relativement élevée; l'énergie et l'élan portés par les quarks et les neutros dans lesquels ils se désintègrent sont grands. Les jets résultants porteront des énergies élevées et l'énergie manquante sera grande.

Par conséquent, j'espère que vous pouvez comprendre l'idée des figures 3, 4 et 5. Si la supersymétrie est vraie, alors, logiquement, nous aurons des squarks lourds et du gluino; ils se désintégreront en quarks et neutros à haute énergie; les quarks se manifesteront sous la forme de jets à haute énergie faciles à détecter, et la présence d'un neutrino, que nous ne détecterons pas, découlera du déséquilibre de la dynamique des jets.

Eh bien, nous allons chercher, et le trouver ou non. Et ensuite?

Par conséquent, si nous voyons un grand nombre de collisions avec des jets de hautes énergies et d'énergie manquante, alors c'est cool; peut-être avons-nous découvert la supersymétrie. Cependant, AVERTISSEMENT: d'autres types de nouveaux phénomènes peuvent créer des événements similaires - cela peut prendre des années et beaucoup de travail sera nécessaire avant de commencer à avoir confiance que nous avons trouvé la supersymétrie ou que nous avons trouvé quelque chose quelque chose de nouveau qui ressemble à la supersymétrie à première vue. Juste que nous verrons quelque chose comme du riz. 5 ne signifie pas que nous avons reçu ce qui est montré sur la fig. 3!

Mais si nous ne voyons pas un excès de tels événements, cela signifie-t-il que la supersymétrie n'est certainement pas une propriété de la nature? Avant de tirer des conclusions existentielles d'une telle portée sur l'Univers sur la base de l'interprétation du résultat de l'expérience, nous devons nous demander ce qui aurait pu mal tourner avec les trois hypothèses énumérées (ou avec quelques hypothèses moins importantes que je n'ai pas données ici). Je vous ai déjà dit quelque chose sur ce qui pourrait mal se passer, et bien que je n'entre pas dans le détail, vous pouvez voir par vous-même que si nous ne trouvons pas de tels événements, alors tout ce que nous pouvons en conclure:

• soit la supersymétrie n'est pas une propriété de la nature,
• ou la supersymétrie est une propriété de la nature, mais quelque chose ne va pas avec l'une des trois hypothèses.