Модель суперсимметрии является наиболее
привлекательным вариантом новой физики за пределами Стандартной модели. В
эксперименте ATLAS проведен широкий поиск
проявлений суперсимметрии в рр соударениях при энергии 7 ТэВ и эти результаты
опубликованы. Не найдено прямых проявлений суперсимметрии, установлены нижние
пределы на существование частиц, суперсимметричных партнеров частиц Стандартной
модели. Несколько результатов опубликовано на полной интегральной светимости,
собранной при энергии 8 ТэВ в 2012г. Остальные в стадии завершения.
Можно структурировать
поиск явлений суперсимметрии по поиску частиц-суперпартнеров разного типа. Для
процессов с сохранением R-четности (RPC) проводится
раздельный анализ по поиску скварков 1-го и 2-го поколения и глюино, скварков
третьего поколения и суперпартнеров лептонов и электрослабых (векторных)
бозонов. Новое квантовое число, используемое при поиске проявлении суперсимметрии, R-четность является
мультипликативным квантовым числом, обеспечивающим сохранение барионного и
лептонного квантовых чисел. Значение Rравно 1 для частиц Стандартной модели и -1 для суперпартнеров. Ведется поиск процессов с нарушением R-четности (RPV) и долгоживущих частиц (LL).
Поиск глюино и легких скварков
Многие модели расширения
Стандартной модели физики частиц предсказывают существование сильно
взаимодействующих частиц на ТэВ-ном масштабе энергий, которые распадаются на
слабо взаимодействующие частицы. В модели суперсимметрии с сохранением R-четности (SUSY) [1-3] такими сильно
взаимодействующими родительскими частицами являются суперпартнеры кварков
(скварки,
) и глюонов (глюино,
), которые рождаются
парами. Наиболее легкая суперсимметричная частица (LSP) является
стабильной и может вносить вклад в плотность реликтовой темной материи во
вселенной [4,5]. Такие частицы могут рождаться в соударениях
протонов на БАК, если энергия соударений окажется достаточной для выполнения
законов кинематики.
Ожидается, что скварки и глюино распадаются в
каскаде, природа которого зависит от иерархии масс в модели. События с рождением
скварков и глюино должны иметь большой недостающий поперечный импульс из-за
нерегистрируемых слабо взаимодействующих продуктов распада и большое число струй
от испускания кварков и глюонов. Каскады могут включать распады глюино в
топ-скварк и анти-топ кварк процесса
→ +
t с последующим
распадом топ-скварка на на топ-кварк и нейтралино LSP,
обозначаемую χ̃01,
→ t + χ̃01.
В случае, если стоп-кварк тяжелее глюино, выполняется процесс трехчастичного
распада
→t +
t + χ̃01.
Другие возможности включают промежуточные чарджино, нетралино и/или скварки, в
том числе
b-скварк.
Поиск таких новых частиц
выполнен в эксперименте ATLAS на полной интегральной светимости 20.3 фб-1
рр соударений при энергии 8 ТэВ, собранной в 2012 г. [6]. Поиск, проведенный ранее при энергии 7 ТэВ, для событий с числом струй от 6 до
9, не показал отличий данных от предсказаний СМ [7] и установил границы на массы частиц в приведенных выше
распадах и модели mSUGRA/CMSSM, включающей
процессы рождения за счет сильных взаимодействий [см.6]. Новый
анализ включает события с большим числом струй (от 7 до 10, по крайней
мере) и использует дополнительные переменные. Рассматривалась также возможность
распада топ-скварка с рождением b-кварка и чарджино
→ b + χ̃±1
или нарушающий R-четность
распад →
b +
s. Результаты поиска
интерпретировались в простейшей модели распадов, приведенных выше, и в модели mSUGRA/CMSSM с
параметрами tanβ = 30, A0 = -2m0 и μ > 0. В
целом модель mSUGRA/CMSSM
характеризуется пятью параметрами для одной точки: универсальная масса скаляра
m0, универсальная (gaugino) масса m1/2,
универсальная константа связи скаляров A0, отношение
вакуумных средних от двух хиггсовских полей tanβ и знак
параметра массы хиггсино μ.
В анализе
использовались стандартные алгоритмы выделения струй, определения недостающего
импульса, обозначаемого условно как Етнед (Етmis).
Использовалась дополнительная переменная отбора Етmis/√НТ,
где НТ есть скалярная сумма поперечных импульсов всех струй с рТ
> 40 ГэВ/с и
|η| < 2.8. Эта переменная характеризует значимость
недостающего импульса в сравнении с разрешением в измерении энергии струй,
обусловленным вариацией стохастического слагаемого. Требовалось выполнение
условия Етmis/√НТ>
4 ГэВ1/2 для всех сигнальных областей анализа. После определения
числа энергичных струй с дистанционным параметром R=0.4 ирТ > 50 ГэВ/с , проводилась следующая
итерация поиска широких струй (R=1.0) с использованием
оставшихся струй с рТ > 20 ГэВ/с. Новые объекты обозначались
как составные струи. Вводилась переменная суммы массы таких составных струй mjR=1.0 , обозначаемая как МJΣ = Σj mjR=1.0. Рассматривались
контрольные области с разным полным числом Nj струй с R=0.4 и разным числом b-струй, а также с разным
числом таких струй Nj+ МJΣ и b-струй, соответственно.
На рис.15.1
приведены примеры распределений по величине Етmis/√НТ
для контрольных областей в событиях с 7 струями с рТ > 50 ГэВ/с,
определенных по Nj и с учетом МJΣ . Видно, что
всюду выполняется согласие с модельными распределениями СМ. Примеры
распределения для сигнальных областей показаны на рис.15.2 вместе с модельными
гистограммами сигналов суперпартнеров, показанных пунктирными диаграммами.
Рис.15.1 Распределения по Етmis/√НТ
для контрольных областей с точно 7 струями и без b-струй (слева) и то же,
но с использованием составных струй и условием МJΣ≥420 ГэВ
(1a,2б в[6]).
Рис.15.2 Распределения по Етmis/√НТ
для сигнальных областей с точно 8 струями и одной b-струй (слева) и то же,
но с 9 струями и двумя или более b-струй (5с,f в[6]).
Поиск суперсимметричных партнеров для кварков первого и второго поколения привел
к следующим ограничениям на массы глюино и скварков. На рис.15.3 показаны
области исключения для массы глюино gв анализе распада на четыре топ кварка и
два легчайших нейтралино χ̃01. Распад проходит через
рождение стоп кварка в промежуточном состоянии. Приведена диаграмма такого
процесса
→ttχ̃01.
На рис.15.4 показаны
исключенные на 95% CLобласти при 8 ТэВ на
плоскости(m0, m1/2) для моделей MSUGRA/CMSSM with the remaining parameters set to tan(β) = 30, A0 = -2m0, μ > 0.
Часть модельной плоскости включает легчайший нейтральный скалярный бозон Хиггса
с массой 125 ГэВ.
Рис.15.3. Исключенные на 95% CL области при 8 ТэВ на плоскости (m(глюино), m(нейтралино1))
для Gtt упрощенной модели, где пара глюино распадается непосредственно
через стоп, находящийся на массовой поверхности, на четыре топ кварка и два
легчайших нейтралино (LSP).
Рис.15.4. Исключенные на 95% CL области при 8 ТэВ на плоскости(m0, m1/2) для моделей MSUGRA/CMSSM с параметрами tan(β) = 30, A0 = -2m0, μ > 0.
Часть модельной плоскости включает легчайший нейтральный скаларный бозон Хиггса
с массой 125 ГэВ.
В частности, найдено, что в модели, где оба рожденных глюино распадаются по трехчастичному каналу →t + t + χ̃01, массы глюино менее 1.1 ТэВ исключены, если масса нейтралино менее 350 ГэВ.
Поиск скварков третьего поколения
Исследования спектра SUSY частиц [8] показывают,
что суперпартнеры кварков третьего поколения являются легчайшими цветными
суперсимметричными частицами. Это означает, что массы легчайших b-скварка (1) и
топ-скварка (1)
значительно меньше, чем массы других скварков и глюино, и сечения их парного
рождения на БАК имеют относительно большие сечения.
Результаты поиска пар скварков третьего поколения в рр соударениях при 8 ТэВ на
интегральной светимости 20.1 фб-1, в эксперименте ATLASпредставлены в [9]. Первый из анализов принял,
что
b-скварк является
единственной цветной суперчастицей и имеет один канал распада 1→
b+ χ̃01.
Во втором легчайшей цветной частицей является топ-скварк с единственной модой
распада
t1 →
b+ χ̃±1,
где легчайший чарджино χ̃±1 распадается через
виртуальный W в трехчастичное конечное состояние χ̃01ff’. Фермионы f и f' могут иметь поперечные
импульсы ниже порога реконструкции в анализе, как следствие малой разности масс
частиц Δm = m χ̃±1 - m χ̃01. В обоих анализах
требуется наличие в событиях двух струй от адронизации b-кварков и большого
недостающего импульса.
В результате проведенных анализов не найдено отклонений от предсказаний СМ и
установлены области исключения, приведенные на рис. 15.5 и 15.6.
Рис.15.5. Область
исключения на 95% CLна плоскости масс (mb1, mχ̃01) для сценария рождения
пар
b -скварков,
установленные в [9] в сравнении в более ранними результатами экспериментов.
Рис.15.6а. Области исключения на 95% CL на плоскости масс (mt1, m χ̃01) для сценария рождения
пар топ – скварков в сравнении в более ранними результатами экспериментов.
Рассмотрена мода распада 1 → b+ χ̃±1
с χ̃±1 →W* + χ̃01.
Фиксирована масса χ̃±1 (106 и 150 ГэВ), масса
χ̃±1 порядка
2 × масса χ̃01,
разность масс топ-скварка и χ̃±1
составляет 10 ГэВ и разность масс χ̃±1 и
χ̃01 равна
5 ГэВ.
Рис.15.6б. Области исключения на 95%
CL на плоскости масс (mt1, m χ̃01) для сценария рождения
пар топ – скварков в сравнении в более ранними результатами экспериментов.
Рассмотрена мода распада 1 → t++ χ̃01.
По итогам анализа [9] получены результаты,
согласующиеся с ожиданиями Стандартной модели. Ограничения для области масс b-скварка
(1) и
топ-скварка (1) в заданном
сценарии MSSM c заданными модами распадов. Для массы b-скварка исключены массы
до 620 ГэВ для массы χ̃01 менее 150 ГэВ.
Разности масс выше 50 ГэВ между b1 и
χ̃01 исключены до значений массы 1 300
ГэВ.
Для топ-скварка исключены массы до 580 ГэВ (440 ГэВ) для разности масс χ̃±1 и
χ̃01 равной 5 ГэВ (20 ГэВ) и массы
χ̃01 100 ГэВ. Для разности масс χ̃±1 и χ̃01,
равной 5 ГэВ (20 ГэВ), массы нейтралино исключены до 270 ГэВ (220 ГэВ)
для массы топ-скварка 420 ГэВ.
Электрослабое рождение
Поиск суперпартнеров калибровочных (векторных) бозонов и лептонов, образованных за счет электрослабого взаимодействия. Сечения такого рождения малы, но конечные состояния легко выделяются, поскольку в них присутствуют лептоны. Диаграммы процессов приведены на рис. 15.7 вместе с рисунком областей исключения.
Рис.15.7. Области исключения на 95% CL на плоскости
чарджино1(нейтралино2) – нейтралино1: χ̃±1 ( χ̃02)
- χ̃01 и
диаграммы процессов.
Поиск долгоживущих тяжелых частиц
В эксперименте ATLAS ведется поиск
долгоживущих тяжелых частиц, которые могут существовать в SUSY благодаря малым
эффектам нарушения
R-четности, наличию слабой
константы связи (например, с гравитацией), наличия малой разности масс частиц и
др. [10,11]. Времена жизни таких частиц могут изменяться от cτ = 10-6 – 108с.
Поиск прямо рожденных
чарджино проведен в рр соударениях при 8 ТэВ и интегральной светимости 20.3 фб-1
[10]. Модели суперсимметрии с аномальным нарушение симметрии (AMSB) [12,13] допускают
существование легчайшего чарджино (χ̃±1) , масса которого
чуть больше, чем масса легчайшего нейтралино (χ̃01).
Типичная разность масс этих частиц составляет Δmχ̃1 ~ 160 МэВ, что означает
значительное время жизни χ̃±1 (доли наносекунды) и
преимущественный распад на χ̃01 и π± -мезон с
небольшим импульсом ~ 100 МэВ/с. Существуют и другие модели суперсимметрии,
допускающие существование чарджино с подобным
временем жизни, распадающегося на легчайший нейтралино и мягкий пион, способный
пролететь в детекторе расстояние в десятые доли сантиметра. Поиск таких событий
показал, что количество кандидатов на распад чарджино и их спектр по рТ
соответствует оценкам фона от процессов Стандартной модели. Установлены
ограничения на массу чарджино, время жизни и величину расщепления массы Δmχ̃1 (рис.15.8).
Для
AMSB моделей массы чрджино
менее 270 ГэВ исключены на 95% CL.
Рис.15.8. Ограничения на разрешенные значения на
плоскости τ χ̃±1 - m χ̃±1 (слева) и на плоскости Δmχ̃1 - m χ̃±1 (справа) для tan
β = 5 и μ > 0
на 95%
CL [10].
В работе [11] выполнен поиск еще более долгоживущих частиц. Проведен отбор
событий в большим энерговыделением в калориметре при малой зарегистрированной
активности в остальных детекторах с отсутствии столкновений сгустков частиц.
Тщательный методический анализ и большой объем моделирования в этой работе
позволил установить пределы на массы глюино, топ-скварка, b-скварка для разных распадов, времен жизни масс
нейтралино. Для массы нейтралино 100 ГэВ исключены значения массы глюино mg < 832 ГэВ при значениях
времени жизни глюино между 10 мс и 1000с в G-модели R-адронов [14,15] и
равными вероятностями распадов в qqχ̃0 и g χ̃0. В предположении об
одинаковом времени жизни для mχ̃0 и скварка, массы
топ-скварка и
b-скварка исключены до
масс 379 ГэВ и 344 ГэВ, соответственно в реджевской модели R-адронов. На рис.15.9
приведены ограничения на массы глюино в зависимости от величины расщепления по
массе между глюино и нейтралино.
В эксперименте продолжаются многие направления поиска частиц суперсимметрии в рр
соударениях при 8 ТэВ. Новые ожидания связаны с проведением измерений по втором
сеансе работы БАК при большей энергии, стартующим 2015 г.
Рис.15.9. Ограничения на массы глюино в зависимости от
величины расщепления по массе между глюино и нейтралино [11] в G-модели R-адронов адронов [14,15]
и временем жизни глюино между 10-5 до 103с.
Литература к разделу 15
- R.Fayet, Supersymmetry and weak, electromagnrtic and strong interactions, Phys.Lett.B 64(1976) 159; Spontaneously broken supersymmetric theories of weak, electromagnrtic and strong interactions, Phys.Lett.B 69 (1977) 489; Phys.Lett.B 84 (1979) 416
- G.R.Farrar, R.Fayet, Phenomenology of the production, decay and detection of new hadronic states associated with supersymmetry, Phys.Lett.B 76 (1978) 575
- S.Dimopoulos, H.Georgi, Softly broken supersymmetry and SU(5), Nucl.Phys. B193 (1981) 150
- H.Golgberg, Constraints on the photino mass from cosmology, Phys.Rev.Lett 50 (1983)
- J.R.Ellis et al., Supersymmetric relics from the big band, Nucl.Phys.B238 (1984) 453
-
Search for new phenomena in final states with large jet multiplicities
and missing transverse momentum at
√s = 8 TeV proton-proton collisions using the ATLAS experiment ATLAS Collaboration, JHEP 10 (2013) 130, JHEP 01 (2014) 109 - ATLAS Collaboration, JHEP 11 (2011) 099; 07 (2012) 167; Eur.Phys.J. C72 (2012) 2174
- R.Barbieri, G.Giudice, Nucl.Phys.B 306 (1988) 63; B.de Carlos, J.Casa, Phys.Lett B 309 (1993) 320.
- Search for direct third-generation squark pair production in final states with missing transverse momentum and two b-jets in √s = 8 TeV pp collisions with the ATLAS detector, ATLAS Collaboration, JHEP 10 (2013) 189
- Search for charginos nearly mass-degenerate with the lightest neutralino based on a disappearing-track signature in pp collisions at √s = 8 TeV with the ATLAS detector, ATLAS Collaboration, Phys.Rev. D 88 (2013) 112006
- Search for long-lived stopped R-hadrons decaying out-of-time with pp collisions using the ATLAS detector, ATLAS Collaboration, Phys.Rev. D 88 (2013) 112003
- G.F.Giudice et al. JHEP 12 (1998) 027
- L.Randall, R.Sundrum, Nucl.Phys.B557 (1999) 79
- A.C.Kraan, Eur.Phys.J. C37 (2004) 91
- R.Mackeprang, A.Rizzi, Eur.Phys.J. C50 (2007) 353