O artigo fornece informações sobre os resultados atuais (para 2013) da busca por supersimetria - uma das várias idéias especulativas sobre o que pode estar além dos limites de partículas e interações conhecidas. A supersimetria é uma das opções (a mais popular e talvez a mais criticada - mas não a única) do que pode resolver o chamado problema da "
naturalidade ", intimamente relacionado ao "
problema da hierarquia de medidores ". Por que a gravidade é tão mais fraca que outras interações? Por que a massa da partícula de Higgs é tão pequena se comparada à massa do menor buraco negro possível?
Em meados de 2011, quando o Large Hadron Collider (LHC) ainda era jovem, meu colega John Conway
anunciou em seu blog que supersimetria (especificamente, supersimetria como uma solução para o problema da naturalidade, que chamarei de “supersimetria natural”, UE). De fato, foi rejeitado pelos dados obtidos nas experiências ATLAS e CMS no LHC. Uma rápida olhada e alguns minutos foram suficientes para entender que essa afirmação estava errada - e isso é demonstrado pelo fato de as pessoas continuarem procurando sinais da UE até agora. Por que é tão difícil rejeitar a UE? Como este tópico possui um grande número de opções - são incrivelmente muitas as opções de supersimetria que podem resolver o enigma da naturalidade. Para excluir todos eles, será necessário muito trabalho! Muito mais dados do que foram coletados no LHC por vários meses.
Em meados de 2012, tendo recebido cinco vezes mais dados e trabalhando muito mais para classificá-los, percebemos que a situação era um pouco complicada. Desta vez, demorou um pouco mais, da ordem de várias horas, para entender que os resultados com o ATLAS e o CMS não rejeitavam a UE. Houve duas dificuldades. O primeiro é o resultado de uma medição muito importante do experimento LHCb (embora os pesquisadores tenham conseguido confundir o público duas vezes, afirmando erroneamente que descartaram a possibilidade da UE, ou pelo menos "a enviaram para uma cama de hospital" - uma das afirmações mais sem sentido no campo da física, que Eu ouvi). O segundo é a descoberta de uma partícula de 126 GeV Higgs, leve o suficiente para satisfazer a UE, mas pesada demais para atender às suas variantes mais simples. E, no entanto, era muito cedo para fazer declarações específicas sobre a UE ou qualquer outra coisa.
O que está acontecendo conosco hoje [2013]? O que levou alguns minutos em 2011 e algumas horas em 2012, em 2013 levou seis meses de trabalho duro. Os dados coletados em 2012 no ATLAS e no CMS acabaram sendo muito maiores em volume, e os pesquisadores tiveram que gastar muito mais tempo tentando descobri-los. Depois de todos os esforços, tornou-se possível entender quais variantes de supersimetria são excluídas e quais não são. Finalmente, estamos em posição de começar a tirar conclusões importantes, embora incompletas, sobre as variantes naturais da supersimetria.
Como eu disse, a supersimetria tem uma quantidade incrível de opções, cada uma das quais faz previsões ligeiramente diferentes em relação a experimentos no LHC. Em princípio, usando dados existentes do ATLAS e CMS, você pode fazer certas declarações sobre a UE que não são específicas para nenhuma subclasse específica de opções de supersimetria - mas você pode fazer declarações que se aplicam a todas (ou a uma classe muito grande) de teorias da UE? Meus colegas e eu respondemos a essa pergunta em
nosso trabalho científico .
Mostramos que a resposta será sim. Esse "sim" é um pouco limitado, porque existem várias pequenas brechas lógicas, mas enfatizo - pequenas. Em comparação com 2012, essa é uma grande melhoria, pois através dessas brechas era possível liderar um caminhão. Aqui estão nossos argumentos:
Primeiro, assumimos que estamos lidando com uma versão natural da supersimetria, na qual é necessário que
Higgsino (superparceiros teóricos de partículas de Higgs - a supersimetria requer cinco variedades de partículas de Higgs) tenha uma massa não superior a 400 GeV / s
2 . E esse é um requisito bastante conservador - a maioria das opções da UE exige que as partículas sejam muito mais leves.
Em segundo lugar, assumimos que os gluinos (superparceiros de glúons) estão disponíveis para nós no seguinte sentido: sua massa não excede 1400 GeV / s
2 e é pequena o suficiente para que possamos obter várias dessas partículas durante a coleta de dados em 2011-2012 .
Depois, observamos o seguinte: se, e quando, os gluinos serão obtidos no LHC em colisões de prótons, em quase todos os modelos da UE com gluinos disponíveis, ocorrerá um ou mais dos seguintes fenômenos:
- Momento lateral ausente. Um sinal claro de que as colisões criam partículas observáveis e não observáveis, e os observáveis obviamente refletem aquelas que não podemos ver.
- Quarks e antiquarks superiores: partículas bastante pesadas (a massa do quark superior é de 175 GeV / s 2 ), decaindo em um elétron ou múon, neutrino (não observável) e quark inferior (ou suas antipartículas).
- Um grande número de partículas elementares de alta energia: quarks, antiquarks, gluons, leptons, antileptons ou fótons. Um número típico é de 3 a 10 partículas elementares por gluino e, portanto, de 6 a 20 partículas em uma colisão próton-próton.
Por fim, ressaltamos que a busca por todas essas características experimentais foi realizada de forma eficiente e com poucas ou nenhuma premissa, tanto no ATLAS quanto no CMS. A busca pelos dois primeiros recursos é tão precisa que é quase impossível perder o modelo da UE, no qual o gluino decai no quark superior e surge um momento transversal ausente se a massa de gluino não exceder 1000 GeV / s
2 e às vezes chegar a 1200 GeV / s
2 . Se, durante a decadência do gluino, vários quarks superiores aparecerem e o momento transversal ausente estiver praticamente ausente, mas houver muitos quarks, antiquarks e gluons, as restrições na massa do gluino se tornarão mais fracas - talvez em torno de 800 GeV / s
2 , mas geralmente na região de 1000 GeV / s
2 . Também indicamos como melhorar sua pesquisa por gluino nesta última categoria.
Esse conjunto de observações exclui a maioria das variantes da UE nas quais a massa de gluino está na região acessível a nós, até ou na região de 1000 GeV / s
2 . Apenas as opções com gluinoes mais pesados, ou com o colapso do gluino, no qual nenhum dos três sinais mencionados acima são observados, ou com Higgsino artificialmente pesado, não se enquadram aqui. O resultado está resumido na figura abaixo. O que é importante, diferente das pesquisas de supersimetria anteriores, com base em três suposições principais das versões de supersimetria mais populares:
- Em qualquer processo, o número de super parceiros pode mudar apenas por um número par.
- O superparceiro mais leve (que, como segue o parágrafo 1, é estável) é o superparceiro da partícula que conhecemos (e, portanto, para evitar conflitos com os dados disponíveis, esse é um neutralino ou sintrino inobservável).
- Os superparceiros, sujeitos a fortes interações nucleares, são muito mais pesados do que outros superparceiros de partículas conhecidas por nós.
nossos resultados acabam sendo aplicáveis mesmo se rejeitarmos uma ou todas essas premissas. Além disso, não assumimos que a supersimetria é "mínima" - isto é, temos que descobrir apenas superparceiros de partículas que já conhecemos (e partículas adicionais de Higgs exigidas pela supersimetria).
A vertical é a massa de Higgsino, a horizontal é gluino. O topo do gráfico apresenta resultados desagradáveis e não naturais. Em baixo, à esquerda, está a cobertura quase completa, de 800 a 1000 GeV / s
2 - algumas lacunas conhecidas, depois grandes lacunas e, a partir de 1400 GeV / s
2 - território desconhecido.
E como se pode caracterizar a busca por supersimetria natural nessa conexão? Você poderia dizer que eles estão 3/4 acabados. Para opções da UE sem gluino, que poderiam ser obtidas em 2011-12, muitas pesquisas foram realizadas para outras partículas de superparceiros - mas, como meus colegas Jared Evans e Eugene Katz
demonstraram , isso não pode ser chamado de cobertura total. Por exemplo, houve muitas pesquisas por quadrados superiores, super parceiros para os quarks superiores, mas cada um deles teve que fazer certas suposições sobre como os quadrados superiores decaem. E, para esse colapso, há oportunidades que não estão sujeitas aos métodos de pesquisa atuais. O mesmo vale para Higgsino e outras partículas semelhantes de superparceiros.
É impossível excluir a UE com certeza quase completa e brechas muito pequenas até que o LHC tenha trabalhado por mais alguns anos com colisões de prótons com energias de 13 TeV - e esse trabalho começará apenas em 2015 [de 2015 a 2017, o LHC realmente trabalhou com Com essa capacidade calculada, os resultados estão sendo processados / aprox. transl.]. Até 2017, teremos que obter dados que excluam quase todas as variantes da UE com uma massa de gluino de até 1600-1800 GeV / s
2 (se não abrirmos nenhuma opção, é claro). Até lá, as restrições aos quadrantes superiores e Higgsino também serão muito mais fortes, e isso deixará muito pouco espaço para supersimetria.
Quero mencionar algumas brechas em nossa lógica. A maior delas é a nossa suposição de que, durante a decadência do gluino, não aparecem novas partículas de vida longa ou outros fenômenos estranhos. Tais recursos exigiriam um conjunto completamente diferente de estratégias, e é difícil estudá-las sem conhecer os detalhes de como os detectores medem partículas de vida longa - esse tópico é bastante complicado. Para alguns tipos de partículas de vida longa, as pesquisas existentes são muito adequadas, para outras, nenhuma pesquisa foi realizada - portanto, a cobertura deste tópico é muito fragmentária. Além disso, levantamos a hipótese de que as massas de gluino, Higgsino e todas as outras partículas de pequenos superparceiros de massa não estão em um espaço muito estreito com várias dezenas de GeV / s2 de largura. Nesse caso, serão necessárias medidas especiais que não sejam as adotadas por nós - no entanto, ainda não está claro se tal desenvolvimento de eventos na UE é possível. Finalmente, em princípio, pode-se imaginar uma quebra tão complexa do gluino que confunde qualquer método de busca moderno. A existência de tais decaimentos é uma questão de um estudo teórico separado. Pode haver outras brechas, mas as consideramos pequenas o suficiente.
O que mais é importante entender para quem não é especialista é quando os pesquisadores do ATLAS ou CMS dizem que "terminamos de pesquisar por X", onde X é uma partícula de algum tipo ou fenômeno ou idéia, isso não significa que essa pesquisa era necessariamente inútil para Y, onde Y é muito diferente de X. Os experimentadores estão procurando por supersimetria, não apenas porque ela pode ser encontrada, mas também porque as estratégias usadas podem se abrir para nós e para outras coisas. E vice-versa, às vezes a pesquisa de algo que não está relacionado à supersimetria acaba sendo útil para pesquisas de determinadas variantes de supersimetria.
Simplificando, mesmo que você acredite sinceramente que X não existe, isso não significa que você precise assumir que a pesquisa por X é uma completa perda de tempo. Não há necessidade de criticar os pesquisadores pelos perdidos "em busca de supersimetria" ou "dimensões extras" ou qualquer outra coisa. As mesmas pesquisas são úteis e necessárias para descobrir ou excluir muitas outras teorias. Por exemplo, no trabalho, mostramos que uma certa pesquisa por dimensões espaciais adicionais (mais precisamente, pesquisas por buracos negros microscópicos que evaporam instantaneamente) é uma das maneiras mais proveitosas de eliminar o gluino, na decomposição em que muitas partículas elementares aparecem.
No final, quero pensar que nossos resultados são um passo à frente no sentido de entender o que o ATLAS e o CMS nos dizem sobre a física de partículas e como será necessário realizar pesquisas no futuro. Uma lição possível seria que, em muitas situações, um pequeno número de pesquisas amplas e abrangentes para um fenômeno geral seja mais eficaz do que um grande número de pesquisas extremamente otimizadas e muito restritas para um fenômeno muito específico. Neste último caso, ainda existem muitos outros buracos e, se não fizerem uma descoberta, serão menos úteis do que o primeiro caso em termos de elaboração de conclusões gerais e firmes sobre como o mundo funciona.