Une équipe de chercheurs de l'Université de Chicago s'est récemment lancée dans la recherche d'une vie - ou plutôt, une recherche de la durée de vie des particules supersymétriques à vie longue.

La supersymétrie est une théorie proposée pour étendre le modèle standard de la physique des particules. Semblable au tableau périodique des éléments, le modèle standard est la meilleure description que nous ayons des particules subatomiques dans la nature et des forces agissant sur elles.

Mais les physiciens savent que ce modèle est incomplet :il ne fait pas de place à la gravité ou à la matière noire, par exemple. La supersymétrie vise à compléter le tableau en associant chaque particule du modèle standard à un partenaire supersymétrique, ouvrant une nouvelle classe de particules hypothétiques à détecter et à découvrir. Dans une nouvelle étude, Les physiciens d'UCicago ont découvert des limites pour les propriétés de ces superpartenaires, s'ils existent, Pourrais avoir.

"La supersymétrie est vraiment la théorie la plus prometteuse que nous ayons pour résoudre autant de problèmes que possible dans le modèle standard, " a déclaré Tova Holmes, professeur assistant à l'Université du Tennessee, Knoxville, qui a travaillé sur l'expérience en tant que chercheur postdoctoral à UChicago. "Notre travail s'inscrit dans un effort plus large au Large Hadron Collider pour reconsidérer la façon dont nous recherchons une nouvelle physique."

Le grand collisionneur de hadrons, situé en Europe au CERN, accélère les protons à presque la vitesse de la lumière avant de les forcer à entrer en collision. Ces collisions proton-proton produisent une multitude de particules supplémentaires où les chercheurs espèrent découvrir une nouvelle physique.

"Mais au Grand collisionneur de hadrons, les nouveaux événements physiques sont extrêmement rares et difficiles à identifier dans les débris de particules en collision, " a déclaré le professeur Young-Kee Kim, président du département de physique UChicago et co-auteur de l'étude, un effort entièrement dirigé par des femmes.

L'équipe d'UCicago a recherché la production de sleptons, supposés superpartenaires de l'électron existant, muon, et les leptons tau—en utilisant les données collectées dans ATLAS, un détecteur de particules au CERN. Dans le modèle de supersymétrie testé, les sommeils sont théorisés pour avoir de longues durées de vie, ce qui signifie qu'ils peuvent voyager loin avant de se décomposer en quelque chose de détectable par ATLAS.

"L'une des façons dont nous pouvons manquer la nouvelle physique est si la particule ne se désintègre pas rapidement lorsqu'elle est produite, " a déclaré Holmes. " En général, nous sommes aveugles aux particules à longue durée de vie dans nos recherches, parce que nous supprimons essentiellement tout ce qui ne ressemble pas à une décroissance rapide standard dans notre détecteur. »

On s'attend à ce que les sommeils finissent par se désintégrer en leurs partenaires leptoniques habituels. Mais contrairement aux désintégrations conventionnelles, ces leptons seront déplacés, ce qui signifie qu'ils ne pointent pas vers le point de collision proton-proton d'origine. C'était cette caractéristique unique que les physiciens recherchaient.

En quatre ans de collecte de données ATLAS, cependant, Les chercheurs d'UCicago n'ont trouvé aucun événement leptonique déplacé. Ce manque de découverte leur a permis de fixer ce qu'on appelle une limite, excluant une gamme de masses et de durées de vie que les dormeurs à longue durée de vie pourraient avoir.

« Nous sommes sûrs à au moins 95 % que, si un dormeur dans ce modèle existe, il n'a pas les masses et les durées de vie dans les parties ombrées de cette parcelle, " dit Lesya Horyn, doctorat nouvellement créé. de UChicago qui a récemment terminé sa thèse sur cette mesure.

Un résultat nul déçoit-il l'équipe ? Pas du tout.

" Ne rien trouver vous en dit autant, ", a déclaré Horyn. Savoir que les dormeurs à longue durée de vie n'ont pas certaines masses et durées de vie informe les chercheurs sur les domaines sur lesquels concentrer les recherches futures.

"De mon point de vue, cette recherche était la chose numéro un que les théoriciens réclamaient d'avoir couvert, " Holmes a déclaré. "Il semblait que nous pouvions le faire - et nous l'avons fait!"

Le résultat a dynamisé l'équipe pour repousser les limites encore plus loin. À un moment donné de la décennie suivante, le Grand collisionneur de hadrons entrera dans son arrêt périodique, laissant suffisamment de temps pour la mise à niveau du matériel ATLAS.

"C'était une première passe à l'analyse, il y a donc certainement des endroits à améliorer, " dit Horyn.

Une mise à niveau urgente sera une refonte du système de déclenchement, qui sélectionne si les événements doivent être enregistrés ou supprimés. Le déclencheur est actuellement optimisé pour stocker les désintégrations des particules à courte durée de vie, pas les sleptons à longue durée de vie au centre de cette recherche de supersymétrie.

Des améliorations plus immédiates peuvent être apportées sans attendre la fermeture.

"Les prochaines étapes pourraient inclure la recherche du même modèle en utilisant des données plus robustes des prochaines exécutions du grand collisionneur de hadrons, " a déclaré Xiaohe Jia, un étudiant diplômé de Harvard qui a travaillé sur l'expérience en tant qu'étudiant de premier cycle à l'UCicago. Une autre route à explorer, elle a dit, pourrait utiliser des techniques similaires pour étendre la recherche de particules à longue durée de vie au-delà des seuls sommeils.

Pour l'instant, l'achèvement du modèle standard reste un mystère, mais l'équipe est fière d'avoir mené une première recherche de ce modèle de supersymétrie dans ATLAS.

"Découvrir une nouvelle physique, c'est comme trouver une aiguille dans une botte de foin, " Kim a déclaré. "Bien que nous n'ayons rien vu dans les données actuelles, il y a une grande opportunité pour l'avenir!"