La supersimmetria è un'estensione del Modello Standard che potrebbe spiegare l'origine della materia oscura e aprire la strada a una grande teoria unificata della natura. Per ogni particella del Modello Standard, la supersimmetria introduce un nuovo esotico "super-partner, " che possono essere prodotte nelle collisioni protone-protone. La ricerca di queste particelle è attualmente una delle massime priorità del programma di fisica LHC. Una scoperta trasformerebbe la nostra comprensione degli elementi costitutivi della materia e delle forze fondamentali, portando a un cambiamento di paradigma nella fisica simile a quando la relatività di Einstein sostituì la fisica newtoniana classica nei primi anni '20 ^ns secolo.

Le particelle supersimmetriche (o "sparticelle") sono raggruppate in due categorie con proprietà diverse che dipendono dalla forza delle loro interazioni con i protoni. Le particelle che interagiscono fortemente possono essere prodotte con velocità elevate e portare a colpi, eventi energetici nel rivelatore. Le particelle che interagiscono debolmente sono prodotte a velocità inferiori e portano a firme meno evidenti, rendendoli più difficili da distinguere dai processi in background del Modello Standard.

Poiché l'energia di collisione di LHC è stata aumentata da 8 a 13 trilioni di elettronvolt (TeV) nel Run 2 per aumentare la portata della scoperta, è stata eseguita un'ampia varietà di ricerche per sparticelle fortemente interagenti. I risultati null in queste ricerche indicano che se esistono, le particelle che interagiscono fortemente devono essere molto pesanti, almeno diverse centinaia di volte più pesanti del protone. A causa dei tassi di produzione inferiori, sono necessari campioni di dati più grandi per sondare le particelle che interagiscono debolmente, e sono necessari criteri di selezione più ottimizzati per separare il piccolo segnale dallo sfondo.

I fisici di ATLAS hanno presentato una delle prime ricerche di Run 2 per le sparticelle che interagiscono debolmente alla conferenza LHCP 2017. La ricerca mira alla produzione di particelle chiamate charginos, neutralini pesanti, e dormiglioni. Se prodotto all'LHC, queste particelle decadrebbero in leptoni (elettroni o loro cugini più pesanti, i muoni) e particelle stabili di materia oscura chiamate neutralini leggeri. Questi neutralini di materia oscura porterebbero via energia invisibile poiché non interagiscono con il rivelatore, portando a eventi di collisione sbilanciati che sembrano violare la conservazione della quantità di moto. Questo "momento trasversale mancante" è la firma chiave sfruttata dal rivelatore ATLAS per dedurre la produzione di particelle di materia oscura.

L'analisi ha selezionato eventi di collisione contenenti due o tre elettroni e muoni e un grande momento trasversale mancante. La figura mostra la distribuzione misurata (punti dati) del momento trasversale mancante in eventi con tre leptoni, rispetto a quello atteso dal Modello Standard (istogramma colorato). Non è stata osservata alcuna deviazione significativa dalle aspettative. I risultati sono stati utilizzati per impostare limiti rigorosi su sparticelle che interagiscono debolmente con masse grandi come 1150 miliardi di elettronvolt (GeV), le particelle di questo tipo più pesanti mai sondate ad ATLAS.

Le particelle che interagiscono debolmente possono essere sfuggite al rilevamento in questa ricerca se sono prodotte con velocità molto piccole o non producono molta energia nel rivelatore. Entrambe queste caratteristiche sono previste nei modelli con higgsinos leggeri, i super-partner del bosone di Higgs. Le ricerche future sfrutteranno campioni di dati più grandi per ottenere la sensibilità a tassi di produzione ancora più piccoli. Sono in corso miglioramenti a queste ricerche che impiegano soglie di quantità di moto leptone ridotte e nuove variabili discriminanti tra segnale e sfondo per migliorare la sensibilità ai modelli che producono ancora meno energia nel rivelatore. Una scoperta in queste ricerche potrebbe far luce sulla natura della materia oscura e aiutare a risolvere il "problema della gerarchia, " un difetto teorico fondamentale del Modello Standard che porta a una massa del bosone di Higgs prevista che è di circa 16 ordini di grandezza troppo grande.