Il Modello Standard è una teoria di notevole successo ma incompleta. La supersimmetria (SUSY) offre una soluzione elegante ai limiti del modello standard, estendendolo per dare a ciascuna particella un "superpartner" pesante con diverse proprietà di spin (un numero quantico importante che distingue le particelle di materia dalle particelle di forza e dal bosone di Higgs). Per esempio, i sleptoni sono i superpartner con spin 0 degli elettroni con spin 1/2, muoni e leptoni tau, mentre charginos e neutralinos sono le controparti con spin 1/2 dei bosoni di Higgs con spin 0 (SUSY postula un totale di cinque bosoni di Higgs) e dei bosoni di gauge con spin 1.

Se questi superpartner esistono e non sono troppo massicci, saranno prodotti al Large Hadron Collider (LHC) del CERN e potrebbero nascondersi nei dati raccolti dal rivelatore ATLAS. Però, a differenza della maggior parte dei processi dell'LHC, che sono governati da interazioni di forza forte, questi superpartner verrebbero creati attraverso l'interazione elettrodebole molto più debole, abbassando così i loro ritmi di produzione. Ulteriore, la maggior parte di queste nuove particelle SUSY dovrebbero essere instabili. I fisici possono cercarli solo tracciando i loro prodotti di decadimento, in genere in una particella del Modello standard nota e nella particella supersimmetrica più leggera (LSP), che potrebbe essere stabile e non interagente, formando così un candidato naturale per la materia oscura.

Il 20 maggio, 2019, alla conferenza Large Hadron Collider Physics (LHCP) a Puebla, Messico, e alla conferenza SUSY2019 a Corpus Christi, NOI., la collaborazione ATLAS ha presentato numerose nuove ricerche per SUSY basate sull'intero set di dati LHC Run 2 (preso tra il 2015 e il 2018), comprese due ricerche particolarmente impegnative per la SUSY elettrodebole. Entrambe le ricerche mirano a particelle che vengono prodotte a velocità estremamente basse all'LHC, e decadono in particelle del Modello Standard che sono esse stesse difficili da ricostruire. La grande quantità di dati raccolti con successo da ATLAS in Run 2 offre un'opportunità unica per esplorare questi scenari con nuove tecniche di analisi.

Cerca lo "stau"

Gli esperimenti di fisica dei collisori e delle astroparticelle hanno fissato limiti alla massa di varie particelle SUSY. Però, un importante superpartner:il tau slepton, noto come stau, deve ancora essere trovato oltre il limite di esclusione di circa 90 GeV trovato al predecessore dell'LHC al CERN, il grande collisore elettrone-positrone (LEP). Una luce stau, se esiste, potrebbe svolgere un ruolo nella co-annientamento neutralino, moderare la quantità di materia oscura nell'universo visibile, che altrimenti sarebbe troppo abbondante per spiegare le misurazioni astrofisiche.

La ricerca di una luce è sperimentalmente impegnativa a causa del suo tasso di produzione estremamente basso nelle collisioni protone-protone di LHC, richiedendo tecniche avanzate per ricostruire i leptoni tau del Modello Standard in cui può decadere. Infatti, durante la manche 1, solo una ristretta regione di parametro intorno a una massa stau di 109 GeV e un neutralino più leggero senza massa potrebbe essere esclusa dagli esperimenti di LHC.

Questa prima ricerca di stau ATLAS Run 2 mira alla produzione diretta di una coppia di stau, ognuno decade in un leptone tau e un invisibile LSP. Ogni leptone tau decade ulteriormente in adroni e in un invisibile neutrino. Gli eventi di segnale sarebbero quindi caratterizzati dalla presenza di due insiemi di adroni vicini e di una grande energia trasversa mancante (ETmiss) proveniente dall'LSP invisibile e dai neutrini. Gli eventi sono ulteriormente suddivisi in regioni con ETmiss medio e alto, per esaminare diversi scenari di massa stau.

I dati ATLAS non hanno rivelato indizi per la produzione di stau pair e quindi sono stati fissati nuovi limiti di esclusione sulla massa di staus. Questi limiti sono mostrati nelle Figure 1 utilizzando diverse ipotesi sulla presenza di entrambi i possibili tipi di stau (sinistra e destra, riferito ai due diversi stati di spin del leptone partner tau). I limiti ottenuti sono i più forti ottenuti finora in questi scenari.

Ricerca compressa

Uno dei motivi per cui i fisici devono ancora vedere charginos e neutralinos potrebbe essere perché le loro masse sono compresse. In altre parole, sono molto vicini alla massa dell'LSP. Ciò è previsto in scenari in cui queste particelle sono higgsinos, i superpartner dei bosoni di Higgs.

Gli higgsino compressi decadono in coppie di elettroni o muoni con momenti molto bassi. È difficile identificare e ricostruire queste particelle in un ambiente con più di un miliardo di collisioni ad alta energia ogni secondo e un rilevatore progettato per misurare particelle ad alta energia, come cercare di localizzare una persona che sussurra in una stanza molto affollata e rumorosa.

Una nuova ricerca di higgsinos utilizza muoni misurati con valori senza precedenti:per ATLAS, finora:momento. Beneficia anche di nuove e uniche tecniche di analisi che consentono ai fisici di cercare higgsinos in aree che prima erano inaccessibili. Per esempio, la ricerca utilizza tracce di particelle cariche, che può essere ricostruito con un momento molto basso, come proxy per uno degli elettroni o muoni nella coppia di decadimento. A causa della piccola differenza di massa tra gli higgsinos, anche la massa della coppia elettrone/muone e traccia dovrebbe essere piccola.

Di nuovo, nessun segno di higgsinos è stato trovato in questa ricerca. Come mostrato in Figura 2, i risultati sono stati utilizzati per estendere i vincoli sulle masse higgsino fissati da ATLAS nel 2017 e dagli esperimenti LEP nel 2004.

Globale, entrambi i set di risultati pongono forti vincoli su importanti scenari supersimmetrici, che guiderà le future ricerche di ATLAS. Ulteriore, forniscono esempi di come le tecniche di ricostruzione avanzate possono aiutare a migliorare la sensibilità delle nuove ricerche di fisica.