Un team di ricercatori dell'Università di Chicago ha recentemente intrapreso la ricerca di una vita, o meglio, una ricerca per la vita di particelle supersimmetriche a vita lunga.

La supersimmetria è una teoria proposta per espandere il Modello Standard della fisica delle particelle. Simile alla tavola periodica degli elementi, il Modello Standard è la migliore descrizione che abbiamo delle particelle subatomiche in natura e delle forze che agiscono su di esse.

Ma i fisici sanno che questo modello è incompleto, non lascia spazio alla gravità o alla materia oscura, Per esempio. La supersimmetria mira a completare il quadro accoppiando ogni particella del Modello Standard con un partner supersimmetrico, aprendo una nuova classe di particelle ipotetiche da rilevare e scoprire. In un nuovo studio, I fisici di Chicago hanno scoperto limiti per quali proprietà questi superpartner, se esistono, potrebbe avere.

"La supersimmetria è davvero la teoria più promettente che abbiamo per risolvere il maggior numero possibile di problemi nel Modello Standard, " ha detto Tova Holmes, professore assistente presso l'Università del Tennessee, Knoxville, che ha lavorato all'esperimento come ricercatore post-dottorato presso UChicago. "Il nostro lavoro si inserisce in uno sforzo più ampio al Large Hadron Collider per riconsiderare il modo in cui cerchiamo nuova fisica".

Il Large Hadron Collider, situato in Europa al CERN, accelera i protoni quasi alla velocità della luce prima di costringerli a scontrarsi. Queste collisioni protone-protone producono una sfilza di particelle aggiuntive in cui i ricercatori sperano di trovare una nuova fisica.

"Ma al Large Hadron Collider, nuovi eventi fisici sono estremamente rari e difficili da identificare nei detriti di particelle in collisione, " ha detto il prof. Young-Kee Kim, presidente del dipartimento di fisica dell'UChicago e coautore dello studio, uno sforzo guidato interamente da donne.

Il team di UChicago ha cercato la produzione di sleptoni, ipotetici superpartner dell'elettrone esistente, muone, e leptoni tau, utilizzando i dati raccolti in ATLAS, un rivelatore di particelle al CERN. Nel modello di supersimmetria testato, si teorizza che i leptoni abbiano una vita lunga, il che significa che possono viaggiare molto prima di decadere in qualcosa di rilevabile da ATLAS.

"Uno dei modi in cui possiamo perdere la nuova fisica è se la particella non decade prontamente quando viene prodotta, "disse Holmes. "In genere, siamo ciechi alle particelle di lunga durata nelle nostre ricerche, perché fondamentalmente eliminiamo tutto ciò che non sembra un decadimento rapido standard nel nostro rilevatore."

Ci si aspetta che i sleptoni alla fine decadano nei loro normali partner leptonici. Ma a differenza dei decadimenti convenzionali, questi leptoni saranno spostati, il che significa che non indicheranno il punto di collisione protone-protone originale. Era questa caratteristica unica che i fisici stavano cercando.

In quattro anni di dati ATLAS raccolti, però, I ricercatori di Chicago non hanno trovato eventi di leptoni spostati. Quella mancanza di scoperta ha permesso loro di stabilire quello che viene chiamato un limite, escludendo una gamma di masse e vite che potrebbero avere sleptoni longevi.

"Siamo sicuri almeno al 95% che, dovrebbe esistere un leptone in questo modello, non ha le masse e le vite nelle parti in ombra di questa trama, " ha detto Lesya Horyn, dottorato di ricerca appena coniato da UChicago che ha recentemente completato la sua tesi su questa misurazione.

Un risultato nullo delude la squadra? Affatto.

"Non trovare niente ti dice tanto, " ha detto Horyn. Sapere che i leptoni longevi non hanno determinate masse e vite informa i ricercatori su dove concentrare le ricerche future.

"Dal mio punto di vista, questa ricerca era la cosa numero uno che i teorici chiedevano di aver coperto, " ha detto Holmes. "Sembrava che potessimo farcela - e l'abbiamo fatto!"

Il risultato ha stimolato il team a spingersi oltre i limiti. Ad un certo punto nel prossimo decennio, il Large Hadron Collider entrerà nel suo arresto periodico, lasciando tempo sufficiente per l'aggiornamento dell'hardware ATLAS.

"Questo è stato un primo passaggio all'analisi, quindi ci sono sicuramente posti dove migliorare, " disse Horyn.

Un aggiornamento urgente sarà un rinnovamento del sistema di innesco, che seleziona se gli eventi devono essere salvati o eliminati. Il trigger è attualmente ottimizzato per memorizzare decadimenti da particelle di breve durata, non i longevi sleptoni centrali in questa ricerca sulla supersimmetria.

È possibile apportare miglioramenti più immediati senza attendere lo spegnimento.

"I passaggi futuri potrebbero includere la ricerca dello stesso modello utilizzando dati più solidi dalle prossime esecuzioni del Large Hadron Collider, " ha detto Xiaohe Jia, uno studente laureato ad Harvard che ha lavorato all'esperimento come studente universitario di Chicago. Un altro percorso da esplorare, lei disse, potrebbe utilizzare tecniche simili per espandere la ricerca di particelle di lunga durata oltre i semplici sleptoni.

Per adesso, il completamento del Modello Standard rimane un mistero, ma il team è orgoglioso di aver condotto una prima ricerca di questo modello di supersimmetria in ATLAS.

"Scoprire una nuova fisica è come trovare un ago in un pagliaio, " ha detto Kim. "Anche se non abbiamo visto nulla nei dati attuali, ci sono grandi opportunità per il futuro!"