L'expérience ATLAS au CERN recherche des signes de supersymétrie, une théorie qui étend le modèle standard pour répondre à de nombreuses questions non résolues sur l'Univers. Crédit :Collaboration ATLAS/CERN
Le modèle standard est une théorie remarquablement réussie mais incomplète. La supersymétrie (SUSY) offre une solution élégante aux limitations du modèle standard, l'étendre pour donner à chaque particule un "superpartenaire" lourd avec des propriétés de spin différentes (un nombre quantique important distinguant les particules de matière des particules de force et du boson de Higgs). Par exemple, les sleptons sont les superpartenaires de spin 0 des électrons de spin 1/2, muons et leptons tau, tandis que les charginos et les neutralinos sont les homologues de spin 1/2 des bosons de Higgs de spin 0 (SUSY postule un total de cinq bosons de Higgs) et des bosons de spin 1 de jauge.
Si ces superpartenaires existent et ne sont pas trop massifs, ils seront produits au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN et pourraient se cacher dans les données collectées par le détecteur ATLAS. Cependant, contrairement à la plupart des processus du LHC, qui sont régies par des interactions de forces fortes, ces superpartenaires seraient créés par l'interaction électrofaible beaucoup plus faible, diminuant ainsi leurs taux de production. Plus loin, la plupart de ces nouvelles particules SUSY devraient être instables. Les physiciens ne peuvent les rechercher qu'en traçant leurs produits de désintégration, généralement dans une particule connue du modèle standard et la particule supersymétrique la plus légère (LSP), qui pourrait être stable et sans interaction, formant ainsi un candidat naturel à la matière noire.
Le 20 mai, 2019, à la conférence Large Hadron Collider Physics (LHCP) à Puebla, Mexique, et à la conférence SUSY2019 à Corpus Christi, NOUS., la collaboration ATLAS a présenté de nombreuses nouvelles recherches pour SUSY basées sur l'ensemble de données LHC Run 2 (prises entre 2015 et 2018), y compris deux recherches particulièrement difficiles pour SUSY électrofaible. Les deux recherches ciblent des particules produites à des taux extrêmement faibles au LHC, et se désintègrent en particules du modèle standard qui sont elles-mêmes difficiles à reconstruire. La grande quantité de données collectées avec succès par ATLAS dans Run 2 offre une occasion unique d'explorer ces scénarios avec de nouvelles techniques d'analyse.
Rechercher le "stau"
Les expériences de physique des collisionneurs et des astroparticules ont fixé des limites à la masse de diverses particules SUSY. Cependant, un superpartenaire important :le tau slepton, connu sous le nom de stau — n'a pas encore été trouvé au-delà de la limite d'exclusion d'environ 90 GeV trouvée au prédécesseur du LHC au CERN, le Grand collisionneur électron-positon (LEP). Un stau léger, s'il existe, pourrait jouer un rôle dans la co-annihilation des neutralinos, modérer la quantité de matière noire dans l'univers visible, qui autrement seraient trop abondants pour expliquer les mesures astrophysiques.
Figure 1 :Gauche :Les limites observées (attendues) sur la production combinée de stau pair gauche et droite sont représentées par la ligne rouge (ligne pointillée noire). Droite :Les limites observées (attendues) sur la production de paire stau-gauche sont indiquées par la ligne rouge (ligne pointillée noire). La masse de stau est indiquée sur l'axe des abscisses, tandis que la masse du LSP est indiquée sur l'axe des y. Crédit :Collaboration ATLAS/CERN
La recherche d'un stau léger est un défi expérimental en raison de son taux de production extrêmement faible dans les collisions proton-proton du LHC, nécessitant des techniques avancées pour reconstruire les leptons tau du modèle standard dans lesquels il peut se désintégrer. En réalité, pendant la course 1, seule une région de paramètres étroite autour d'une masse stau de 109 GeV et d'un neutralino le plus léger sans masse pourrait être exclue par les expériences LHC.
Cette première recherche de stau d'ATLAS Run 2 vise la production directe d'une paire de stau, chacun se désintégrant en un lepton tau et un LSP invisible. Chaque lepton tau se désintègre en hadrons et en un neutrino invisible. Les événements de signal seraient ainsi caractérisés par la présence de deux ensembles de hadrons proches et d'une grande énergie transverse manquante (ETmiss) provenant du LSP invisible et des neutrinos. Les événements sont ensuite classés en régions avec un ETmiss moyen et élevé, pour examiner différents scénarios de masse de stau.
Les données ATLAS n'ont pas révélé d'indices pour la production de stau pair et donc de nouvelles limites d'exclusion ont été fixées sur la masse de staus. Ces limites sont représentées sur les figures 1 en utilisant différentes hypothèses sur la présence des deux types de stau possibles (gauche et droite, se référant aux deux états de spin différents du lepton partenaire tau). Les limites obtenues sont les plus fortes obtenues jusqu'à présent dans ces scénarios.
Recherche compressée
L'une des raisons pour lesquelles les physiciens n'ont pas encore vu les charginos et neutralinos est peut-être parce que leurs masses sont comprimées. En d'autres termes, ils sont très proches de la masse du LSP. Ceci est attendu dans les scénarios où ces particules sont des higgsinos, les superpartenaires des bosons de Higgs.
Figure 2 :Les limites observées (attendues) de la production de higgsino sont indiquées par la ligne rouge (ligne pointillée bleue). La masse du higgsino produit est indiquée sur l'axe des x, tandis que la différence de masse par rapport au LSP est indiquée sur l'axe des y. La région grise représente les modèles exclus par les expériences LEP; la région bleue, la contrainte de la recherche ATLAS précédente pour les higgsinos. Crédit :Collaboration ATLAS/CERN
Les higgsinos compressés se désintègrent en paires d'électrons ou de muons avec une très faible impulsion. Il est difficile d'identifier et de reconstruire ces particules dans un environnement avec plus d'un milliard de collisions à haute énergie chaque seconde et un détecteur conçu pour mesurer les particules à haute énergie, comme essayer de localiser une personne qui chuchote dans une pièce très encombrée et bruyante.
Une nouvelle recherche de higgsinos utilise des muons mesurés avec un niveau sans précédent - pour ATLAS, jusqu'à présent-moment. Il bénéficie également de techniques d'analyse nouvelles et uniques qui permettent aux physiciens de rechercher des higgsinos dans des zones qui étaient auparavant inaccessibles. Par exemple, la recherche utilise des traces de particules chargées, qui peut être reconstruit avec une très faible quantité de mouvement, comme un proxy pour l'un des électrons ou des muons dans la paire de désintégration. En raison de la faible différence de masse entre les higgsinos, la masse de la paire électron/muon et piste devrait également être faible.
Encore une fois, aucun signe de higgsinos n'a été trouvé dans cette recherche. Comme le montre la figure 2, les résultats ont été utilisés pour étendre les contraintes sur les masses de higgsino définies par ATLAS en 2017 et par les expériences LEP en 2004.
Globalement, les deux ensembles de résultats imposent de fortes contraintes sur les scénarios supersymétriques importants, qui guidera les futures recherches ATLAS. Plus loin, ils fournissent des exemples de la façon dont les techniques de reconstruction avancées peuvent aider à améliorer la sensibilité des nouvelles recherches physiques.
