Artikel ini memberikan informasi tentang hasil pencarian supersimetri saat ini (untuk 2013) - salah satu dari beberapa ide spekulatif tentang apa yang mungkin berada di luar batas partikel dan interaksi yang diketahui. Supersimetri adalah salah satu opsi (yang paling populer dan mungkin yang paling banyak dikritik - tetapi bukan satu-satunya) dari apa yang dapat memecahkan apa yang disebut masalah "
kealamian ", yang berkaitan erat dengan "
masalah hirarki ukuran ". Mengapa gravitasi begitu lemah dari interaksi lainnya? Mengapa massa partikel Higgs sangat kecil dibandingkan dengan massa lubang hitam sekecil mungkin?
Pada pertengahan 2011, ketika Large Hadron Collider (LHC) masih muda, rekan saya John Conway
mengumumkan di blog-nya bahwa supersimetri (khususnya, supersimetri sebagai solusi untuk masalah kealamian, yang saya sebut "supersimetri alami", EU) Bahkan, itu ditolak oleh data yang diperoleh dalam percobaan ATLAS dan CMS pada LHC. Pandangan sekilas dan beberapa menit sudah cukup untuk memahami bahwa pernyataan ini keliru - dan ini ditunjukkan oleh fakta bahwa orang-orang terus mencari tanda-tanda Uni Eropa sejauh ini. Mengapa begitu sulit untuk menolak UE? Karena topik ini memiliki sejumlah besar opsi - opsi yang sangat banyak untuk supersimetri yang dapat memecahkan teka-teki kealamian. Untuk mengecualikan mereka semua, banyak pekerjaan akan diperlukan! Lebih banyak data daripada yang dikumpulkan di LHC selama beberapa bulan.
Pada pertengahan 2012, setelah menerima data lima kali lebih banyak dan telah melakukan lebih banyak pekerjaan penyortiran, kami menyadari bahwa situasinya sedikit rumit. Kali ini, butuh sedikit lebih lama, dari urutan beberapa jam, untuk memahami bahwa hasil dengan ATLAS dan CMS tidak menolak UE. Ada dua kesulitan. Yang pertama adalah hasil pengukuran yang sangat penting dari percobaan LHCb (meskipun para peneliti berhasil membingungkan publik dua kali, secara keliru menyatakan bahwa mereka mengesampingkan kemungkinan UE, atau setidaknya "mengirimnya ke ranjang rumah sakit" - salah satu pernyataan paling tidak berarti di bidang fisika, yang Saya dengar). Yang kedua adalah penemuan partikel 126 GeV Higgs, cukup ringan untuk memuaskan UE, tetapi terlalu berat untuk masuk ke varian yang paling sederhana. Namun masih terlalu dini untuk membuat pernyataan spesifik tentang UE atau hal lainnya.
Apa yang terjadi dengan kami hari ini [2013]? Apa yang memakan waktu beberapa menit pada 2011, dan beberapa jam pada 2012, pada 2013 membutuhkan enam bulan kerja keras. Data yang dikumpulkan pada 2012 di ATLAS dan CMS ternyata jauh lebih besar volumenya, dan para peneliti harus menghabiskan lebih banyak waktu untuk mencoba menerobosnya. Setelah semua upaya, menjadi mungkin untuk memahami varian supersimetri mana yang dikecualikan dan mana yang tidak. Akhirnya, kita berada dalam posisi untuk mulai membuat kesimpulan yang penting, meskipun tidak lengkap, tentang varian alami supersimetri.
Seperti yang saya katakan, supersimetri memiliki jumlah opsi yang luar biasa, yang masing-masing membuat prediksi yang sedikit berbeda mengenai eksperimen pada LHC. Pada prinsipnya, dengan menggunakan data yang ada dari ATLAS dan CMS, Anda dapat membuat pernyataan tertentu tentang UE yang tidak spesifik untuk subkelas tertentu opsi supersimetri - tetapi dapatkah Anda membuat pernyataan yang berlaku untuk semua (atau untuk kelas yang sangat besar) teori UE? Rekan-rekan saya dan saya menjawab pertanyaan ini dalam
karya ilmiah kami .
Kami telah menunjukkan bahwa jawabannya adalah ya. "Ya" ini agak terbatas, karena ada beberapa celah logis kecil, tapi saya tekankan - yang kecil. Dibandingkan dengan tahun 2012, ini merupakan peningkatan besar, karena melalui celah itu dimungkinkan untuk memimpin sebuah truk. Inilah argumen kami:
Pertama, kita berasumsi bahwa kita sedang berhadapan dengan versi alami supersimetri, di mana diperlukan bahwa
Higgsino (superpartner teoretis partikel Higgs - supersimetri membutuhkan lima varietas partikel Higgs) memiliki massa tidak lebih dari 400 GeV / s
2 . Dan ini adalah persyaratan yang cukup konservatif - sebagian besar opsi UE membutuhkan partikel yang jauh lebih ringan.
Kedua, kami berasumsi bahwa gluino (gluon superpartners) tersedia bagi kami dalam pengertian berikut: massanya tidak melebihi 1400 GeV / s
2 , dan ini cukup kecil sehingga kami dapat memperoleh beberapa partikel seperti itu selama pengumpulan data pada 2011-2012 .
Kemudian kita perhatikan hal berikut: jika, dan kapan, gluino akan diperoleh pada LHC dalam tabrakan proton, maka di hampir semua model UE dengan gluino yang tersedia satu atau lebih dari fenomena berikut akan terjadi:
- Momentum lateral yang hilang. Sebuah tanda yang jelas bahwa tabrakan menciptakan partikel yang dapat diamati dan tidak dapat diobservasi, dan yang dapat diamati jelas memantul dari yang tidak dapat kita lihat.
- Quark atas dan antiquark: partikel yang agak berat (massa quark atas adalah 175 GeV / s 2 ), sering membusuk menjadi elektron atau muon, neutrino (tidak teramati) dan quark yang lebih rendah (atau antipartikelnya).
- Sejumlah besar partikel unsur berenergi tinggi: quark, antiquarks, gluon, lepton, antilepton atau foton. Jumlah tipikal adalah 3 hingga 10 partikel elementer per gluino, dan karenanya dari 6 hingga 20 partikel dalam tumbukan proton-proton.
Akhirnya, kami menunjukkan bahwa pencarian untuk semua fitur eksperimental ini dilakukan secara efisien dan dengan sedikit atau tanpa asumsi, baik pada ATLAS dan CMS. Pencarian untuk dua tanda pertama sangat akurat sehingga hampir tidak mungkin untuk melewatkan model EU, di mana gluino meluruh ke dalam quark atas dan momentum melintang yang hilang muncul jika massa gluino tidak melebihi 1000 GeV / s
2 , dan kadang-kadang bisa mencapai 1200 GeV / s
2 . Jika, selama peluruhan gluino, beberapa quark atas muncul dan praktis tidak ada momentum transversal yang hilang, tetapi ada banyak quark, antiquarks, dan gluon, maka pembatasan pada massa gluino menjadi lebih lemah - mungkin sekitar 800 GeV / s
2 , tetapi biasanya mereka masih di wilayah 1000 GeV / s
2 . Kami juga menunjukkan cara meningkatkan pencarian gluino di kategori terakhir ini.
Rangkaian pengamatan ini mengecualikan sebagian besar varian UE di mana massa gluino berada di wilayah yang dapat diakses oleh kami, hingga atau di wilayah 1000 GeV / s
2 . Hanya opsi dengan gluino yang lebih berat, atau dengan pemecahan gluino, di mana tidak satu pun dari tiga tanda yang disebutkan di atas yang diamati, atau dengan Higgsino yang beratnya tidak wajar, tidak jatuh di sini. Hasilnya dirangkum dalam gambar di bawah ini. Yang penting, tidak seperti pencarian supersimetri sebelumnya, berdasarkan pada tiga asumsi utama dari versi supersimetri yang paling populer:
- Dalam proses apa pun, jumlah mitra super hanya dapat berubah dengan angka genap.
- Superpartner paling ringan (yang, sebagai berikut dari Bagian 1, stabil) adalah superpartner dari partikel yang kita tahu (dan, oleh karena itu, untuk menghindari konflik dengan data yang tersedia, itu adalah neutralino atau sneytrino yang tidak dapat diobservasi).
- Superpartners, yang mengalami interaksi nuklir yang kuat, jauh lebih berat daripada partikel superpartikel lain yang kita kenal.
hasil kami ternyata berlaku bahkan jika kami menolak salah satu atau semua asumsi ini. Juga, kita tidak berasumsi bahwa supersimetri adalah "minimal" - yaitu, kita harus menemukan hanya superpartner partikel yang sudah kita kenal (dan partikel Higgs tambahan yang dibutuhkan oleh supersimetri).
Vertikal adalah massa Higgsino, horizontal adalah gluino. Bagian atas grafik adalah hasil yang tidak wajar dan tidak menyenangkan. Kiri bawah adalah cakupan yang hampir lengkap, kemudian, dari 800 hingga 1000 GeV / s
2 - beberapa celah yang diketahui, kemudian celah besar, dan kemudian, dari 1400 GeV / s
2 - wilayah yang belum dipetakan.
Dan bagaimana seseorang dapat mencirikan pencarian supersimetri alami dalam hubungan ini? Bisa dibilang mereka selesai 3/4. Untuk opsi UE tanpa gluino, yang dapat diperoleh pada 2011-12, banyak pencarian dilakukan untuk partikel superpartner lainnya - tetapi, seperti yang
telah ditunjukkan rekan saya Jared Evans dan Eugene Katz, untuk saat ini tidak dapat disebut cakupan penuh. Sebagai contoh, ada banyak pencarian untuk kuadrat atas, mitra super untuk kuark atas, tetapi masing-masing dari mereka harus membuat asumsi tertentu tentang bagaimana peluruhan kuadrat atas. Dan untuk gangguan seperti itu, ada peluang yang tidak tunduk pada metode pencarian saat ini. Hal yang sama berlaku untuk Higgsino dan partikel superpartner serupa lainnya.
Tidak mungkin untuk mengecualikan UE dengan kepastian yang hampir lengkap dan celah yang sangat kecil sampai LHC telah bekerja selama beberapa tahun lagi dengan tabrakan proton dengan energi 13 TeV - dan pekerjaan ini akan dimulai hanya pada tahun 2015 [Dari 2015 hingga 2017, LHC benar-benar bekerja dengan Dengan kapasitas yang dihitung ini, hasilnya saat ini sedang diproses / kira-kira. diterjemahkan.]. Pada 2017, kami harus mendapatkan data yang mengecualikan hampir semua varian UE dengan massa gluino hingga 1600-1800 GeV / s
2 (tentu saja, jika kami tidak membuka opsi apa pun). Pada saat itu, pembatasan kuadrat atas dan Higgsino juga akan jauh lebih kuat, dan ini akan menyisakan sedikit ruang untuk supersimetri.
Saya ingin menyebutkan beberapa celah dalam logika kita. Yang terbesar adalah asumsi kami bahwa selama peluruhan gluino tidak ada partikel berumur panjang atau fenomena aneh lainnya yang muncul. Kemampuan seperti itu akan membutuhkan serangkaian strategi yang sama sekali berbeda, dan sulit untuk mempelajarinya tanpa mengetahui detail bagaimana detektor mengukur partikel berumur panjang - topik ini agak rumit. Untuk beberapa jenis partikel berumur panjang, pencarian yang ada sangat cocok, untuk yang lain tidak ada pencarian yang dilakukan sama sekali - oleh karena itu cakupan topik ini sangat terpisah-pisah. Selain itu, kami berhipotesis bahwa massa gluino, Higgsino, dan semua partikel superpartner massa kecil lainnya tidak berada dalam celah yang sangat sempit beberapa puluh lebar GeV / s2. Untuk kasus seperti itu, langkah-langkah khusus akan diperlukan selain yang dilakukan oleh kami - namun, belum jelas apakah perkembangan peristiwa di UE itu mungkin. Akhirnya, pada prinsipnya, orang dapat membayangkan pemecahan gluino yang sedemikian rumit sehingga akan membingungkan metode pencarian modern. Apakah peluruhan semacam itu bisa ada adalah pertanyaan dari studi teoretis yang terpisah. Mungkin ada celah lain, tetapi kami menganggapnya cukup kecil.
Apa lagi yang penting untuk dipahami bagi mereka yang bukan ahli adalah ketika peneliti ATLAS atau CMS mengatakan bahwa "kami telah selesai mencari X", di mana X adalah partikel dari beberapa jenis atau fenomena atau ide, ini tidak berarti bahwa pencarian ini itu tentu tidak berguna untuk Y, di mana Y sangat berbeda dari X. Eksperimen mencari supersimetri, bukan hanya karena dapat ditemukan, tetapi juga karena strategi yang mereka gunakan dapat membuka bagi kita dan hal lain. Dan sebaliknya, terkadang mencari sesuatu yang tidak terkait dengan supersimetri ternyata berguna untuk mencari varian supersimetri tertentu.
Sederhananya, bahkan jika Anda benar-benar percaya bahwa X tidak ada, ini tidak berarti Anda perlu berasumsi bahwa pencarian X adalah buang-buang waktu. Tidak perlu mengkritik para eksperimen untuk "mencari supersimetri" yang hilang atau "dimensi ekstra" atau waktu lainnya. Pencarian yang sama berguna dan perlu untuk menemukan atau mengecualikan banyak teori lainnya. Sebagai contoh, dalam karya kami menunjukkan bahwa pencarian tertentu untuk dimensi spasial tambahan (lebih tepatnya, mencari lubang hitam mikroskopis, langsung menguap) adalah salah satu cara yang paling bermanfaat untuk menghilangkan gluino, dalam peluruhan di mana banyak partikel unsur muncul.
Pada akhirnya, saya ingin berpikir bahwa hasil kami adalah langkah maju untuk memahami apa yang dikatakan ATLAS dan CMS tentang fisika partikel, dan bagaimana akan diperlukan untuk melakukan pencarian di masa depan. Satu pelajaran yang mungkin adalah bahwa dalam banyak situasi sejumlah kecil pencarian luas dan komprehensif untuk fenomena umum akan lebih efektif daripada sejumlah besar pencarian sangat dioptimalkan dan sangat sempit untuk fenomena yang sangat spesifik. Dalam kasus yang terakhir, masih banyak lubang yang tersisa, dan jika mereka tidak membuat penemuan, mereka ternyata menjadi kurang berguna daripada kasus pertama dalam hal menyusun kesimpulan umum dan tegas tentang bagaimana dunia bekerja.