All'interno del rivelatore ATLAS con la ricercatrice di UChicago Lesya Horyn

Introduzione

Un team di ricercatori dell’Università di Chicago ha recentemente intrapreso la ricerca delle particelle supersimmetriche di lunga durata: “La supersimmetria è davvero la teoria più promettente che abbiamo per risolvere quanti più problemi possibili nel Modello Standard” afferma la ricercatrice Tova Holmes.

Supersimmetria per completare il modello

Tova Holmes

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 per le particelle subatomiche in natura e le forze che agiscono su di esse.

Ma i fisici sanno che questo modello è incompleto – non fa 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 dell’UChicago hanno scoperto i limiti di quali proprietà questi superpartner, se esistono, potrebbero avere.

La supersimmetria è davvero la teoria più promettente che abbiamo per risolvere quanti più problemi possibili nel Modello Standard“, ha detto Tova Holmes, assistente professore all’Università del Tennessee, Knoxville, che ha lavorato all’esperimento come ricercatore post-dottorato alla UChicago. “Il nostro lavoro si inserisce in un più ampio sforzo al Large Hadron Collider per riconsiderare il modo in cui cerchiamo una nuova fisica“.

Sleptoni: superpartner dei leptoni

Il Large Hadron Collider, che si trova in Europa presso il CERN, accelera i protoni a quasi la velocità della luce prima di costringerli a collidere. Queste collisioni protone-protone producono una serie di particelle aggiuntive dove i ricercatori sperano di trovare una nuova fisica.

Ma al Large Hadron Collider, i nuovi eventi fisici sono estremamente rari e difficili da identificare nei detriti delle particelle in collisione“, ha detto il Prof. Young-Kee Kim, presidente del dipartimento di fisica dell’UChicago e co-autore dello studio, uno sforzo condotto interamente da donne.

Il team dell’UChicago ha cercato la produzione di “superpartner dormienti” –  ipotizzati superpartner dei leptoni esistenti degli elettroni, muoi e tau – utilizzando i dati raccolti da ATLAS, un rivelatore di particelle del CERN. Nel modello di supersimmetria testato, gli sleptoni sono teorizzati per avere una lunga durata, il che significa che possono viaggiare molto prima di decadere in qualcosa di rilevabile da ATLAS.

Uno dei modi in cui possiamo perdere una nuova fisica è se la particella non decade prontamente quando viene prodotta“, ha detto Holmes. “Di solito, nelle nostre ricerche siamo ciechi di fronte alle particelle a lunga vita, perché in pratica tagliamo via tutto ciò che non assomiglia a un decadimento rapido standard nel nostro rilevatore“.

Quella caratteristica tanto cercata

Ci si aspetta che i dormienti alla fine decadano nei loro normali compagni di leptone. Ma a differenza dei decadimenti convenzionali, questi leptoni saranno spostati, il che significa che non punteranno indietro al punto di collisione originale protone-protone. Era questa caratteristica unica che i fisici stavano cercando.

In quattro anni di raccolta dei dati ATLAS, tuttavia, i ricercatori dell’UChicago non hanno trovato alcun evento di spostamento dei leptoni. Questa mancanza di scoperte ha permesso loro di fissare quello che viene chiamato un limite, escludendo una serie di masse e di vite che i dormienti di lunga vita potrebbero avere.

Siamo sicuri almeno al 95% che, se un sonnambulo in questo modello esistesse, non avrebbe le masse e le vite nelle zone d’ombra di questa trama“, ha detto Lesya Horyn, appena laureata alla UChicago, che ha recentemente completato la sua tesi di laurea su questo argomento.

Capire anche dai risultati negativi

Un risultato nullo delude la squadra? Per niente.

Non trovare nulla ti dice molto“, ha detto Horyn. Sapere che questi dormienti longevi non hanno determinate masse e vite umane, informa i ricercatori su dove concentrare le ricerche future.

La supersimmetria è davvero la teoria più promettente che abbiamo per risolvere quanti più problemi possibili nel Modello Standard” afferma Tova Holmes. “Dal mio punto di vista, questa ricerca era quella che più di ogni altra volevano comprendere i teorici“, ha detto Holmes. “Sembrava che potessimo farcela… e ci siamo riusciti!“.

Il risultato ha stimolato il team a spingere ancora più in là i limiti. Ad un certo punto del prossimo decennio, il Large Hadron Collider entrerà nel suo arresto periodico, lasciando un ampio margine di tempo per l’aggiornamento dell’Tova Holmes, assistente professore presso l’Università del Tennessee, Knoxville.

Questo è stato un primo passo nell’analisi, quindi ci sono sicuramente dei punti da migliorare“, ha detto Horyn.

Prossimi sviluppi della ricerca

Un upgrade pressante sarà un revamping del sistema di trigger, che seleziona se gli eventi devono essere salvati o buttati via. Il trigger è attualmente ottimizzato per memorizzare i decadimenti delle particelle di breve durata, non i dormienti di lunga durata centrali in questa ricerca di supersimmetria.

Miglioramenti più immediati possono essere apportati senza attendere l’arresto.

I passi futuri potrebbero includere la ricerca dello stesso modello utilizzando dati più robusti dalle prossime esecuzioni del Large Hadron Collider“, ha detto Xiaohe Jia, lauratosi ad Harvard che ha lavorato all’esperimento come studente universitario della UChicago. Un altro percorso da esplorare, ha detto, potrebbe essere l’utilizzo di tecniche simili per espandere la ricerca di particelle a lunga durata.

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

Scoprire la 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!“.

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