Como procurar supersimetria no Large Hadron Collider

Se na rua você perguntar a uma pessoa aleatória: "como procurar supersimetria?" então é provável que ele mude rapidamente de lado. Mas se você fizer essa pergunta na rua do CERN, o laboratório que administra o Large Hadron Collider, provavelmente obterá algo como: "Procure um número inesperado de colisões com jatos e energia perdida".

E essa resposta já pode fazer você atravessar rapidamente o outro lado da rua. Mas ele não é tão inexplicável, ele só precisa de uma tradução. Significa o seguinte:

É necessário procurar um número inesperadamente grande de colisões de prótons com prótons, nas quais existem sinais como (a) quarks, antiquarks ou gluons (partículas dentro de prótons e outros hádrons) que emanam de uma colisão com energia muito alta, como se fossem um canhão (e criando partículas , chamados " jatos ") e (b) partículas indefiníveis, voando invisivelmente para longe e levando consigo uma grande quantidade de impulso e energia.

O objetivo deste artigo é explicar por que as pessoas vão dar uma resposta semelhante e quais são seus pontos fortes e fracos.

Informações preliminares

Você precisa ler um artigo sobre o que é supersimetria e o que suas previsões significam. Em resumo: para cada tipo de partículas que conhecemos na natureza por supersimetria, são necessárias uma ou duas partículas adicionais, que os físicos costumam chamar de super-parceiros com propriedades semelhantes, mas diferindo em um aspecto:

Se a partícula já conhecida por nós é um bóson, seu super parceiro será um férmion e vice-versa ( neste artigo, você pode ler sobre o que são os bósons e os férmions).

Para evitar contradições com os dados já obtidos, a supersimetria deve ser ocultada de maneira astuta, por causa da qual uma segunda diferença aparece entre a partícula e seu super parceiro:

A massa do super parceiro é maior que a massa da partícula já conhecida por nós.

Na versão mais popular da supersimetria, o superparceiro de cada partícula conhecida por nós acaba sendo pesado o suficiente para mal ultrapassar o poder das experiências anteriores, mas ao mesmo tempo estar dentro das capacidades do LHC.


Fig. 1: as partículas conhecidas e de Higgs, bem como seus super parceiros (sleptons, sneutrinos, squarks , gluino, chargeino e neutralino ), previstos por supersimetria. Partículas mais pesadas no topo.

A razão pela qual muitos físicos acreditam que os super parceiros provavelmente estão dentro das capacidades do LHC é que eles acreditam que a supersimetria pode ser a solução para um enigma conhecido como problema da hierarquia de medidores . Se os super parceiros forem muito mais difíceis, será necessário buscar uma solução para o problema da hierarquia em outro lugar.

Suponha que os físicos estejam certos - por que precisamos procurar colisões que levem ao aparecimento de muitos jatos (sinais de quarks / antiquarques / glúons de alta energia) e uma grande quantidade de energia perdida (sinais de partículas invisíveis)?

De onde vem a resposta "jatos e falta de energia"?

Primeiro, deixe-me dizer o que os físicos têm em mente, e depois vou lhe dizer de onde tudo veio.

Aqui está o que eles pensam:


Fig. 2: dois prótons (vista em perspectiva) avançam um contra o outro, e o quark superior dentro do próton próximo logo colidirá com o quark superior dentro do próton distante no ponto de colisão

Como o próton consiste em quarks, antiquarques e glúons, sujeitos a fortes interações nucleares, em colisões de prótons com o LHC de todos os super parceiros, é mais fácil obter super parceiros para eles: squarks, antiquarks e gluinos. Por exemplo, (nas figuras 2 e 3), na colisão de prótons, dois quarks superiores podem colidir e formar dois quarks superiores.


Fig. 3: Colisão dos quarks superiores com a fig. 2 produzem um par de quadrados superiores, cada um dos quais decai quase imediatamente no quark superior e no neutralino (uma mistura de superparceiros de um fóton, partículas de Z e Higgs).

O que acontecerá depois? Como a maioria das partículas, o squark decai. Para que? Em muitas variantes da supersimetria, os quadrados se decompõem em um quark e outro super parceiro, neutralino (uma mistura de super parceiros de um fóton, partículas de Z e Higgs). Os quarks carregam muita energia e se transformam em jatos, e neutralizam-se sem passar pelos detectores. Assim, devemos ver dois jatos de alta energia, um para cada quark, e sinais de que estão refletindo em algo invisível e não detectado.


Fig. 4: cada quark de alta energia com a fig. 3 se transformará em uma corrente de hádrons, e o neutralino escapará inalterado

A colisão em si e a aparência com deterioração subsequente dos quadrados são mostrados na Fig. 3. Os jatos e o neutralino voando para fora do ponto de colisão são mostrados na Fig. 4. O que o detector realmente vê - a única informação que os cientistas recebem - é mostrado na Fig. 5)

O aparente desequilíbrio visto na fig. 5, onde a maior parte da substância vai para a direita e para cima, mas nada sai para a esquerda e para baixo, por infelizes razões históricas e por brevidade, chamada "falta de energia". De fato, este é "um impulso ausente nas direções perpendiculares aos raios que colidem" - a frase é longa, o que explica parcialmente o desejo de brevidade.


Fig. 5: o detector no LHC (ATLAS ou CMS) detectará dois jatos da Fig. 4 na forma de sinais eletrônicos localizados que aparecem quando as partículas passam pelo equipamento de rastreamento e param em um detector de energia. Dois neutralinos não deixam vestígios, e sua presença só pode ser julgada pela ausência de qualquer coisa refletida nos jatos.

Se aparecerem pares de gluinos, a situação será um pouco diferente. Normalmente, cada um dos dois gluinos se decompõe em um quark, antiquark e neutralino, de modo que os detectores verão novamente jatos (neste caso, quatro), juntamente com a "energia perdida" dos dois neutralinos.

Essa é uma imagem que os físicos imaginam quando respondem à sua pergunta sobre a busca por supersimetria. Para entender de onde vem, é necessário estudar as suposições subjacentes.

Pressupostos subjacentes à resposta "jatos e falta de energia"

Vamos fazer essa jornada lógica agora - é ilustrado na Fig. 6. No final do nosso tour, você poderá, em certa medida, julgar os pontos fortes e fracos desta resposta à sua pergunta inicial.

Três suposições básicas estão incluídas na lógica.

Suposição 1 : assumimos que existe um princípio adicional na natureza que a supersimetria em si não exige, e segundo o qual em qualquer processo físico o número de super parceiros pode mudar por um número par (seu nome técnico é a conservação da paridade R ; não o informa porque o nome dele é muito importante, mas porque você pode encontrá-lo em outro lugar).

Por que os teóricos impõem esse critério? Sem a suposição 1, a supersimetria previa a existência de novas interações entre partículas da matéria e, geralmente, levam ao rápido decaimento dos prótons. E isso entra em conflito com os dados. Um próton é extremamente estável (felizmente, mesmo uma lenta taxa de decaimento de prótons nos mataria, derreteria a Terra etc.). Você pode pegar um tanque com um bilhão de trilhões de trilhões de prótons, esperar dez anos e não encontrar um único próton em decomposição (sim, e as pessoas tentaram fazer isso! Para isso, você precisa de 180.000 toneladas de água). Portanto, sem suposição 1 supersimetria e estaríamos mortos.

Mas se a suposição 1 for verdadeira - a paridade R é preservada, essas novas interações são proibidas. A supersimetria mais a conservação da paridade R prevê um próton de vida muito, muito longa, o que corresponde (em um caso favorável) aos dados.

Observe que esse requisito de preservar a paridade R não é imposto porque requer supersimetria ou com base em alguns princípios teóricos. É adicionado porque a conformidade com os dados exige isso. Este também é um requisito perfeitamente razoável do ponto de vista teórico.

Suposição 2 : De todos os super parceiros da natureza, o parceiro da partícula de Higgs será o mais leve e, portanto, este é um dos super parceiros da Fig. 1: gluino, squark, slepton carregado, sneutrino, chargeino ou neutralino.

Esta suposição é discutível. Primeiro, se a supersimetria for verdadeira, então o graviton (o portador da gravidade) também deve ter um super parceiro, o gravitino - e está na Fig. 1 não. Qual o peso do gravitino? Nós não sabemos. Em algumas versões da supersimetria, é tão pesada quanto os super parceiros mais pesados ​​da Fig. 1, squark e gluino. Em outras versões, é muito mais leve e pode até ser mais leve que um elétron! E isso violaria a suposição 2.

Ou na natureza pode haver partículas com massas muito pequenas, que ainda não conhecemos, uma vez que são muito difíceis de criar ou detectar - partículas que não são afetadas por nenhuma das três forças da Fig. 1, interações nucleares eletromagnéticas, fracas ou fortes. Tais partículas são geralmente chamadas de "ocultas", devido ao fato de serem difíceis de obter, apesar do baixo peso. (Se estamos falando de vários tipos de partículas ocultas, elas costumam ser chamadas de "setor oculto"). Se a supersimetria for verdadeira, essas partículas também terão superparceiros - como mencionado no artigo sobre supersimetria, supersimetria é a simetria do espaço e do tempo; portanto, qualquer tipo de partícula que se mova no espaço e no tempo deve ter um superparceiro. E se algum desses super parceiros for mais leve que o super parceiro mais leve da fig. 1, a suposição 2 é falsa.

A suposição 2 não é exigida pelos dados experimentais. Os melhores argumentos teóricos contra partículas ocultas sugerem que a natureza provavelmente é simples e elegante e, como as partículas ocultas são lixo em excesso, a probabilidade de existência delas é baixa (se esse argumento o convence ou não é uma questão de gosto). O melhor argumento contra o gravitino leve é ​​que o gravitino estável pode causar muitos problemas diferentes durante o Big Bang. A favor da suposição 2, há outro argumento relacionado ao fato de que o super parceiro mais leve pode desempenhar o papel da matéria escura do Universo, mas, para entendê-la, precisamos primeiro entender algumas de suas conseqüências adicionais, para que não entremos nela ainda.

Suposição 3 : super parceiros sujeitos a fortes interações nucleares - squarks, antiquarks, gluinos - provavelmente são pesados, muito mais pesados ​​que outros super parceiros, embora não tão pesados ​​que não apareçam no LHC com frequência.

Essa suposição é mais precária que as outras duas - o que você quer dizer com "pesada" e "frequentemente"? Mas, em vez de me aprofundar em tais considerações, direi simplesmente que, em muitas, muitas versões da supersimetria, isso acaba sendo verdade. Cálculos teóricos mostram que, em muitos casos diferentes, esses super parceiros expostos a fortes interações nucleares são mais difíceis do que a maioria dos demais. Mas nem sempre é esse o caso.


Fig. 6: uma cadeia lógica que leva os físicos a procurar supersimetria por meio de buscas por colisão, cujos resultados são semelhantes à Fig. 5. SP - super parceiros, LSP - os super parceiros mais leves.

O que se segue dessas suposições? Algumas consequências muito importantes; para rastrear a corrente, use a fig. 6

A suposição 1 tem três consequências principais:

1. Se você começar sem super parceiros (o que acontece no caso de uma colisão de dois prótons) e obtê-los após uma colisão, pelo menos dois deles deverão aparecer. Você não pode começar do zero super parceiros e obter um.
2. Se você tiver um super parceiro e ele se desfizer, deve haver pelo menos um super parceiro entre os resultados do intervalo (talvez três ou cinco, mas quase sempre um). Você não pode começar com um super parceiro e obter zero.
3. O super parceiro mais leve não pode decair - é uma partícula estável -, pois as partículas podem se decompor apenas em partículas de massa menor; portanto, se o super parceiro mais leve decair, isso significaria que um super parceiro se transforma em zero super parceiro.

Que incrível! Da supersimetria e conservação da paridade R, segue-se a existência de uma partícula estável ainda desconhecida - o super parceiro mais leve (LSP). Quais propriedades uma partícula pode ter?

Suponha que uma interação eletromagnética ou forte nuclear atue nessa partícula. Então (i) no início do Universo, durante o Big Bang, muitas dessas partículas apareceriam; (ii) afetariam a abundância de vários elementos, como o lítio, durante o Big Bang, para que essa abundância não fosse consistente com as observações de hoje; (iii) eles ainda voariam ao redor do Universo, alguns deles colidiriam com a Terra, criariam átomos exóticos, que seriam descobertos há muito tempo por uma busca minuciosa por novos átomos incomuns. Embora isso valha uma discussão mais longa, a principal conclusão é que qualquer nova partícula estável não deve ser exposta a interações nucleares eletromagnéticas e fortes.

Bem, levando isso em conta, segue-se da Assunção 2? O super parceiro mais leve pode ser um dos neutrinos ou um dos neutralos. Todos os outros super parceiros (squarks, sleptons, chargeino e gluino) de partículas conhecidas são expostos a forte interação eletromagnética ou nuclear. Por razões técnicas, a maioria (mas não todos) os especialistas em física de partículas preferem modelos nos quais o neutralino serve como o super parceiro mais leve. Pode ser um excelente candidato a uma partícula de matéria escura - que é um argumento a favor da Assunção 2. Mas, mesmo que o neutrino seja o mais leve, o argumento a favor de encontrar jatos e falta de energia permanece quase o mesmo, com algumas pequenas alterações.

E, finalmente, a suposição 3 sugere que é fácil obter squash e gluino e que eles são relativamente pesados. Isso significa que eles explodem com energia relativamente alta; a energia e o momento transportados pelos quarks e neutralos nos quais eles se decompõem são grandes. Os jatos resultantes terão altas energias e a energia perdida será grande.

Portanto, espero que você possa entender a idéia nas Figuras 3, 4 e 5. Se a supersimetria for verdadeira, logicamente obteremos quadrados pesados ​​e gluino; eles decairão em quarks e neutros de alta energia; os quarks se manifestam na forma de jatos de alta energia fáceis de detectar, e a presença de um neutralino, que não iremos detectar, seguirá do desequilíbrio do momento dos jatos.

Bem, vamos procurar e encontrar ou não. O que vem a seguir?

Portanto, se vemos um grande número de colisões com jatos de altas energias e falta de energia, então isso é legal; talvez tenhamos descoberto supersimetria. No entanto, AVISO: outros tipos de novos fenômenos podem criar eventos semelhantes - pode levar anos e será necessário muito trabalho antes de começarmos a ganhar confiança de que encontramos supersimetria ou que encontramos algo algo novo que parece supersimetria à primeira vista. Só que veremos algo como arroz. 5 não significa que recebemos o que é mostrado na fig. 3!

Mas se não vemos um excesso de tais eventos, isso significa que a supersimetria definitivamente não é uma propriedade da natureza? Antes de tirar conclusões existenciais tão abrangentes sobre o Universo, com base na interpretação do resultado do experimento, deveríamos nos perguntar o que poderia ter dado errado com as três suposições listadas (ou com algumas não tão importantes que eu não dei aqui). Eu já lhe disse algo sobre o que poderia dar errado, e, embora eu não vá entrar nisso, você pode ver por si mesmo que, se não encontrarmos tais eventos, tudo o que podemos concluir é:

• ou a supersimetria não é uma propriedade da natureza,
• ou supersimetria é uma propriedade da natureza, mas algo está errado com uma das três suposições.