O Modelo Padrão é uma teoria notavelmente bem-sucedida, mas incompleta. A supersimetria (SUSY) oferece uma solução elegante para as limitações do modelo padrão, estendendo-o para dar a cada partícula um "superparceiro" pesado com diferentes propriedades de spin (um número quântico importante que distingue partículas de matéria de partículas de força e o bóson de Higgs). Por exemplo, sleptons são os superparceiros de spin 0 dos elétrons de spin 1/2, múons e léptons tau, enquanto charginos e neutralinos são as contrapartes de spin 1/2 dos bósons de Higgs de spin 0 (SUSY postula um total de cinco bósons de Higgs) e bósons de calibre de spin 1.

Se esses superparceiros existem e não são muito grandes, eles serão produzidos no Large Hadron Collider (LHC) do CERN e podem estar escondidos nos dados coletados pelo detector ATLAS. Contudo, ao contrário da maioria dos processos no LHC, que são governados por fortes interações de força, esses superparceiros seriam criados por meio da interação eletrofraca muito mais fraca, reduzindo assim suas taxas de produção. Avançar, espera-se que a maioria dessas novas partículas SUSY sejam instáveis. Os físicos só podem procurá-los traçando seus produtos de decaimento - normalmente em uma partícula de modelo padrão conhecida e a partícula supersimétrica mais leve (LSP), que pode ser estável e sem interação, formando assim um candidato natural à matéria escura.

Em 20 de maio, 2019, na conferência Large Hadron Collider Physics (LHCP) em Puebla, México, e na conferência SUSY2019 em Corpus Christi, NÓS., a ATLAS Collaboration apresentou várias novas pesquisas para SUSY com base no conjunto de dados LHC Run 2 completo (feito entre 2015 e 2018), incluindo duas pesquisas particularmente desafiadoras para SUSY eletrofraca. Ambas as pesquisas visam partículas que são produzidas a taxas extremamente baixas no LHC, e decaem em partículas do Modelo Padrão que são difíceis de reconstruir. A grande quantidade de dados coletados com êxito pelo ATLAS na Execução 2 oferece uma oportunidade única de explorar esses cenários com novas técnicas de análise.

Procure o "stau"

Experimentos de física de astropartículas e colisões estabeleceram limites para a massa de várias partículas SUSY. Contudo, um superparceiro importante - o tau slepton, conhecido como stau - ainda não foi encontrado além do limite de exclusão de cerca de 90 GeV encontrado no predecessor do LHC no CERN, o grande colisor elétron-pósitron (LEP). Um stau leve, se existe, poderia desempenhar um papel na co-aniquilação neutralino, moderando a quantidade de matéria escura no universo visível, que de outra forma seria muito abundante para explicar as medições astrofísicas.

A busca por um estado de luz é experimentalmente desafiadora devido à sua taxa de produção extremamente baixa em colisões próton-próton do LHC, exigindo técnicas avançadas para reconstruir os léptons de tau do Modelo Padrão em que podem se decompor. Na verdade, durante a corrida 1, apenas uma região de parâmetro estreita em torno de uma massa stau de 109 GeV e um neutralino mais leve sem massa poderia ser excluída por experimentos do LHC.

Esta primeira pesquisa de stau ATLAS Run 2 visa a produção direta de um par de staus, cada um decaindo em um lepton tau e um LSP invisível. Cada tau leptão se decompõe em hádrons e um neutrino invisível. Os eventos de sinal seriam, portanto, caracterizados pela presença de dois conjuntos de hádrons próximos e grande energia transversal perdida (ETmiss) originada do LSP invisível e dos neutrinos. Os eventos são categorizados em regiões com ETmiss médio e alto, para examinar diferentes cenários de massa de stau.

Os dados do ATLAS não revelaram dicas para a produção de stau pair e, portanto, novos limites de exclusão foram definidos na massa de staus. Esses limites são mostrados nas Figuras 1 usando diferentes suposições sobre a presença de ambos os tipos de stau possíveis (esquerdo e direito, referindo-se aos dois diferentes estados de spin do leptão parceiro tau). Os limites obtidos são os mais fortes obtidos até agora nesses cenários.

Pesquisa comprimida

Uma das razões pelas quais os físicos ainda não viram charginos e neutralinos pode ser porque suas massas estão comprimidas. Em outras palavras, eles estão muito próximos da massa do LSP. Isso é esperado em cenários onde essas partículas são higgsinos, os superparceiros dos bósons de Higgs.

Os higgsinos comprimidos decaem em pares de elétrons ou múons com momentos muito baixos. É um desafio identificar e reconstruir essas partículas em um ambiente com mais de um bilhão de colisões de alta energia a cada segundo e um detector projetado para medir partículas de alta energia - como tentar localizar uma pessoa sussurrando em uma sala muito lotada e barulhenta.

Uma nova busca por higgsinos utiliza múons medidos com níveis inéditos - para ATLAS, até agora - momentos. Ele também se beneficia de técnicas de análise novas e exclusivas que permitem aos físicos procurar higgsinos em áreas que antes eram inacessíveis. Por exemplo, a pesquisa usa trilhas de partículas carregadas, que pode ser reconstruído com um momento muito baixo, como um proxy para um dos elétrons ou múons no par de decaimento. Por causa da pequena diferença de massa entre os higgsinos, a massa do par elétron / múon e da trilha também deve ser pequena.

Mais uma vez, nenhum sinal de higgsinos foi encontrado nesta pesquisa. Conforme mostrado na Figura 2, os resultados foram usados ​​para estender as restrições nas massas higgsino definidas pelo ATLAS em 2017 e pelos experimentos LEP em 2004.

Geral, ambos os conjuntos de resultados colocam fortes restrições em cenários supersimétricos importantes, que norteará futuras buscas no ATLAS. Avançar, eles fornecem exemplos de como técnicas de reconstrução avançadas podem ajudar a melhorar a sensibilidade de novas pesquisas físicas.