Il modello standard della fisica delle particelle racchiude la nostra attuale conoscenza delle particelle elementari e delle loro interazioni. Il modello standard non è completo; Per esempio, non descrive osservazioni come la gravità, non ha predizioni per la materia oscura, che costituisce la maggior parte della materia nell'universo, o che i neutrini hanno massa.

Per correggere i punti deboli del modello standard, i fisici propongono estensioni e controllano le collisioni all'LHC per vedere se le previsioni di quei modelli di "fisica oltre il modello standard" si presenterebbero come nuove particelle o cambiamenti nel comportamento di particelle note. Supersimmetria, o SUSY in breve, è una di quelle estensioni del modello standard. La supersimmetria prevede che ogni tipo di particella conosciuta nel modello standard abbia un partner supersimmetrico. Il numero di tipi di particelle in natura verrebbe quindi effettivamente raddoppiato, e sarebbero possibili molte nuove interazioni tra le particelle regolari e le nuove particelle SUSY.

In un esperimento di collisione come CMS, la speranza è quella di produrre delle particelle SUSY e poi cercare i segni del loro decadimento all'interno del rivelatore. Una delle firme più comuni per la supersimmetria sarebbe misurata come particelle apparentemente mancanti che creano un sostanziale squilibrio energetico nel rivelatore chiamato energia trasversale mancante. Questa è una firma dello stato finale che è difficile non notare!

Molte ricerche hanno avuto luogo al CMS per cercare queste alte firme di energia trasversali mancanti, ma non è stata trovata alcuna prova del genere per la supersimmetria. Ma, forse la supersimmetria c'è, ed è solo "più furtivo" di quanto inizialmente pensato. Ci sono molte diverse possibili firme che la supersimmetria potrebbe creare, e in alcune versioni modificate della supersimmetria, una caratteristica chiave è la previsione che tutte le particelle SUSY decadrebbero di nuovo in particelle modello standard, Per esempio, quark, ognuno dei quali apparirebbe nel rivelatore come uno spruzzo di particelle, che si chiama getto. Se questa versione della supersimmetria è reale, La produzione di particelle SUSY in una collisione protone-protone risulterà in uno stato finale con molti getti piuttosto che uno con una notevole energia mancante. In questo caso, avrebbe senso perché queste ricerche precedenti non hanno trovato nulla!

L'obiettivo di questa ricerca è scoprire se la supersimmetria si è nascosta lì da sempre, cercando specificamente la produzione di due quark top supersimmetrici (chiamati top squark). Questi squark superiori decadono nel rivelatore, creando due quark top e molti altri jet, come mostrato nella Figura 1. Questa firma non è così evidente come quella che include grandi quantità di energia mancante poiché ci sono molti modi diversi in cui il modello standard può produrre due quark top e molti getti. Però, questo segnale squark superiore tende a produrre più getti in media rispetto a qualsiasi dei processi di fondo noti. Anche la modellazione di eventi con un numero molto elevato di getti è molto complicata, e anche i migliori strumenti di simulazione non sempre funzionano nel modo giusto. Perciò, i dati vengono utilizzati per prevedere il numero di eventi con un certo numero di getti.

La nostra strategia non sarebbe stata possibile senza sfruttare la potenza dell'apprendimento automatico e delle reti neurali. Una fantastica tecnica di apprendimento automatico che è stata utilizzata per identificare le collisioni che potrebbero contenere i decadimenti degli squark superiori è chiamata inversione del gradiente, che può essere spiegato nel modo seguente. Immagina di suddividere i cioccolatini in due categorie:cioccolatini con caramello e cioccolatini normali. Sai che i cioccolatini al caramello sono più pesanti dei normali cioccolatini perché sono pieni di caramello. Diciamo anche che i cioccolatini hanno solo due forme tra tutte le varietà caramellate e regolari:quadrati o cerchi. Finalmente, ti dicono che i cioccolatini quadrati sono, in media, più pesanti di quelli circolari.

Un modo per ordinare i cioccolatini è ordinare tutti i cioccolatini quadrati come cioccolatini al caramello e tutti i cioccolatini circolari come cioccolatini normali. Dopotutto, sia i cioccolatini quadrati che i cioccolatini al caramello sono in genere più pesanti. Questo approccio di smistamento non è corretto perché non tutti i cioccolatini quadrati contengono caramello, quindi probabilmente è meglio ordinare i cioccolatini indipendentemente dalla loro forma. Ignorare la forma durante l'ordinamento equivale a ciò che l'inversione del gradiente ci consente di fare nel contesto della fisica. Invece di caramello e cioccolatini normali, l'ordinamento è tra segnale ed eventi di fondo, e invece della forma, lo smistamento dovrebbe essere indipendente dal numero di getti.

Questa strategia è proprio ciò che serve per modellare la distribuzione del numero di jet direttamente dai dati. Gli eventi nella categoria di fondo vengono utilizzati per prevedere quanti eventi dovrebbero esserci con un certo numero di getti nella categoria di segnale. Poiché il modello di segnale tende a produrre più getti rispetto agli sfondi del modello standard, qualsiasi deviazione dalla previsione potrebbe significare che c'era davvero qualche SUSY nascosta lì.

La Figura 2 mostra un confronto tra la distribuzione del numero di getti ottenuta dai dati raccolti con quella della nostra previsione di fondo finale. In questo caso, la previsione presuppone che non vi sia alcun contributo dai nostri modelli di segnale ipotizzati. Qui, l'accordo tra i dati e la nostra previsione da quattro categorie di processi del modello standard è ragionevolmente buono.

Quando i dati sono suddivisi in più categorie di quelle mostrate nella Figura 2, si trova una piccola deviazione dalla nostra previsione. Però, la deviazione non è abbastanza grande da poter affermare con certezza se ciò indichi o meno che la supersimmetria potrebbe essere corretta. È molto probabile che ci fosse solo una fluttuazione statistica nei dati, o forse che c'è un problema di modellazione sconosciuto.

Nella fisica delle particelle, il "gold standard" è dichiarare una scoperta di nuova fisica quando un risultato ha un significato di 5 deviazioni standard o più. Ciò significa che c'è solo 1 su 3,5 milioni di possibilità che il risultato derivi solo da una fluttuazione casuale dei dati. Prova, o sostenendo che qualcosa è abbastanza interessante da considerare la possibilità che possa essere nuovo, è fatto solo con un significato di 3 deviazioni standard, che rappresenta una possibilità su 740 che il risultato sia una fluttuazione. Questo standard è molto rigoroso rispetto alla maggior parte delle altre discipline scientifiche. LHC produce un'enorme quantità di dati, quindi può effettivamente accadere che una deviazione dalla previsione del modello standard sia ottenuta solo per caso. Nella fisica delle particelle, non è assolutamente giustificato rivendicare alcuna deviazione senza esaminarne seriamente la validità statistica.

La significatività della deviazione più grande osservata in questa analisi, senza correzione per l'effetto sguardo altrove, è 2,8 deviazioni standard. Ciò significa che anche se non c'è supersimmetria, ci si aspetta di vedere un risultato del genere una volta ogni 368 volte, ben al di sotto della soglia di 5 deviazioni standard. Dato che CMS ha pubblicato più di 1000 articoli, molti cercano in decine o centinaia di posti, puoi vedere che una fluttuazione occasionale in un risultato non è affatto sorprendente. I risultati possono anche essere interpretati come un limite agli scenari di supersimmetria furtiva consentiti che sono ancora coerenti con i dati. A seconda dei dettagli del modello, le masse squark superiori inferiori a ~700 GeV possono essere escluse.

Questa ricerca è la prima del suo genere all'LHC, far luce su una firma precedentemente inesplorata. La leggera discrepanza riscontrata è allettante e richiede studi di follow-up per indagare se la sua origine sia una semplice fluttuazione statistica, se è dovuto alla nostra comprensione del Modello Standard, che sarebbe interessante di per sé, o se potrebbe essere il primo segno di una nuova fisica. Anche, a partire dal 2022, inizierà il prossimo periodo di acquisizione dati dell'LHC. Ciò aiuterà il CMS a trarre conclusioni ancora più solide sulla possibilità di una nuova fisica. Se la supersimmetria furtiva esiste davvero, allora questi dati extra permetterebbero un risultato più significativo, potenzialmente spingendo verso il gold standard per la scoperta.