Při hledání tajné supersymetrie u Velkého hadronového urychlovače

Událost zaznamenaná detektorem CMS v roce 2016, která obsahuje 10 trysek (oranžové kužely) a jeden muon (červená čára). Fotografický kredit: CMS Collaboration

Standardní model částicové fyziky shrnuje naše současné znalosti o elementárních částicích a jejich interakcích. Standardní model není kompletní. Například nepopisuje pozorování jako gravitace, nemá předpovědi temné hmoty, která tvoří většinu hmoty ve vesmíru, nebo že neutrina mají hmotnost.

K nápravě slabých stránek standardního modelu fyzici navrhují vylepšení a kontrolují srážky na LHC, aby určili, zda se předpovědi z těchto modelů „fyziky nad standardní model“ budou jevit jako nové částice nebo změny v chování známých částic. Supersymetrie, zkráceně SUSY, je jedním z těchto rozšíření standardního modelu. Supersymetrie předpovídá, že každý známý typ částic ve standardním modelu má supersymetrického partnera. Počet typů částic v přírodě by se potom účinně zdvojnásobil a bylo by možné mnoho nových interakcí mezi běžnými částicemi a novými částicemi SUSY.

V experimentu s urychlovačem, jako je CMS, je nadějí vyprodukovat nějaké částice SUSY a poté hledat v detektoru známky jejich rozpadu. Jedním z nejběžnějších podpisů pro supersymetrii by byly zdánlivě chybějící částice, které v detektoru vytvářejí významnou energetickou nerovnováhu známou jako chybějící příčná energie. Toto je podpis posledního stavu, který je těžké přehlédnout!

V CMS bylo provedeno mnoho hledání těchto vysoko chybějících příčných energetických podpisů, ale žádný takový důkaz supersymetrie nebyl nalezen. Ale možná existuje supersymetrie a je to jen „kradmější“, než se původně myslelo. Existuje mnoho různých možných podpisů, které by mohly být generovány supersymetrií, a v některých upravených verzích supersymetrie je klíčovým rysem předpověď, že všechny částice SUSY spadnou zpět do standardních modelových částic, jako jsou kvarky, z nichž každá by se objevila v detektor jako sprej částice zvané jet. Pokud je tato verze supersymetrie skutečná, pak produkce SUSY částic při srážce proton-proton bude mít za následek spíše vysoký tryskový koncový stav než stav významného nedostatku energie. V tomto případě by dávalo smysl, proč tato předchozí hledání nic nenalezla!

Dramatizace srážky protonů s protony

Obrázek 1. Dramatizace srážky proton-proton, při které vznikají částice SUSY, které se rozpadají na objekty pozorované v detektoru (toto je podpis pro tzv. R paritu, která porušuje SUSY). Fotografický kredit: CMS Collaboration

Cílem tohoto hledání je zjistit, zda se tam supersymetrie skrývala po celou dobu nebo ne, konkrétním hledáním produkce dvou supersymetrických top kvarků (top squarks). Tyto horní kvarky se v detektoru rozpadají a vytvářejí dva vrchní kvarky a mnoho dalších trysek, jak je znázorněno na obrázku 1. Tento podpis není tak zřejmý jako ten, který obsahuje velké množství chybějící energie, protože standardní model může generovat dva top kvarky a mnoho trysek mnoha různými způsoby. Tento špičkový signál však generuje v průměru více trysek než kterýkoli ze známých procesů na pozadí. Modelování událostí s velkým počtem trysek je také velmi obtížné a ani ty nejlepší simulační nástroje to ne vždy napraví. Proto se data používají k předpovědi počtu událostí s určitým počtem trysek.

Naše strategie by nebyla možná bez využití síly strojového učení a neuronových sítí. Jedna skvělá technika strojového učení, která byla použita k identifikaci kolizí, které by mohly obsahovat rozpad horních kvarků, se nazývá gradientní obrácení. Představte si, že třídíte čokolády do dvou kategorií: čokolády s karamelem a běžné čokolády. Vědí, že karamelové čokolády jsou těžší než běžné čokolády, protože jsou plněné karamelem. Předpokládejme také, že mezi všemi karamelovými a běžnými odrůdami mají čokolády pouze dva tvary: čtverce nebo kruhy. Nakonec se dozvíte, že hranaté čokolády jsou v průměru těžší než ty kruhové.

Jedním ze způsobů, jak třídit čokolády, je třídit všechny hranaté čokolády jako karamelové čokolády a všechny kulaté čokolády jako běžné čokolády. Koneckonců, jak hranaté čokolády, tak karamelové čokolády jsou obecně těžší. Tento způsob třídění je nesprávný, protože ne všechny hranaté čokolády obsahují karamel. Pravděpodobně je tedy lepší čokolády roztřídit bez ohledu na jejich tvar. Ignorování tvaru při třídění je to, co ve fyzickém kontextu umožňuje obrácení přechodu. Místo karamelových a normálních čokolád se třídí mezi událostmi signálu a pozadí a místo tvaru by mělo být třídění nezávislé na počtu trysek.

Tato strategie je přesně to, co je potřeba k modelování distribuce počtu trysek přímo z dat. Události v kategorii pozadí se používají k předpovědi, kolik událostí by mělo nastat při daném počtu trysek v kategorii signálu. Protože signální model má tendenci generovat více trysek než pozadí standardního modelu, mohou odchylky od predikce znamenat, že se tam skutečně skrývá něco SUSY.

Obrázek 2 ukazuje srovnání počtu distribucí paprsků získaných ze shromážděných dat s výsledky z naší konečné prognózy pozadí. V tomto případě předpověď předpokládá, že naše hypotetické signální modely nepřispívají. Zde je shoda mezi daty a naší predikcí ze čtyř kategorií procesů standardního modelu docela dobrá.

Počet trysek Plot

Obrázek 2. Rozdělení počtu událostí s daným počtem trysek je zobrazeno pro shromážděná data (černé tečky) a předpokládané příspěvky pozadí známého standardního modelu (barevné bloky). Různé barevné / stylizované čáry ukazují počet distribucí trysek pro různé modely SUSY se specifickými špičkovými hmotami. Fotografický kredit: CMS Collaboration

Pokud jsou data rozdělena do více kategorií než na obrázku 2, bude zde malá odchylka od naší predikce. Odchylka však není dostatečně velká, aby silně prohlásila, zda to znamená, že supersymetrie může být správná. Je velmi pravděpodobné, že data statisticky kolísají nebo že existuje neznámý problém s modelováním.

Ve fyzice částic je „zlatým standardem“ deklarace objevu nové fyziky, pokud má výsledek význam 5 nebo více směrodatných odchylek. To znamená, že existuje pouze 1 ku 3,5 milionu šancí, že výsledek právě přišel z náhodného kolísání dat. Důkazy nebo tvrzení, že něco je dostatečně zajímavé, aby zvážila možnost, že by to mohlo být nové, se provádí pouze s významem 3 standardní odchylky, což je pravděpodobnost 1: 740, že výsledkem je fluktuace. Tato norma je ve srovnání s většinou ostatních vědních oborů velmi přísná. LHC generuje velké množství dat, takže ve skutečnosti se může stát, že odchylka od standardní predikce modelu se získá pouze náhodou. Ve fyzice částic rozhodně není oprávněné tvrdit odchylky, aniž bychom vážně kontrolovali jejich statistickou platnost.

Význam největší odchylky pozorované v této analýze bez korekce pro efekt hledat jinde je 2,8 standardní odchylky. To znamená, že i když neexistuje supersymetrie, takový výsledek se očekává každých 368krát, hluboko pod prahovou hodnotou 5 standardních odchylek. Vzhledem k tomu, že CMS publikoval více než 1 000 článků, z nichž mnohé byly publikovány na desítkách nebo stovkách míst, možná zjistíte, že občasná fluktuace výsledku není nijak překvapivá. Výsledky lze také interpretovat jako limit povolených skrytých scénářů supersymetrie, které stále odpovídají datům. V závislosti na podrobnostech modelu lze vyloučit top kvádrové hmoty pod ~ 700 GeV.

Toto hledání je první svého druhu na LHC a osvětluje dosud neprozkoumaný podpis. Zjištěná nepatrná odchylka je lákavá a vybízí k následným studiím, aby se prozkoumalo, zda se jedná o jednoduchou statistickou odchylku, ať už je to kvůli našemu chápání standardního modelu, který by byl sám o sobě zajímavý, nebo zda by to mohl být první znak nové fyziky. Další období sběru dat LHC také začne v roce 2022. To pomůže CMS vyvodit ještě silnější závěry o možnosti nové fyziky. Pokud skutečně existuje nějaká tajná supersymetrie, tato dodatečná data by umožnila významnější výsledek a možná by tlačila směrem ke zlatému standardu pro objevování.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Skladování obnovitelné energie v kamenech místo lithiových baterií

V případě přebytku elektřiny z větru nebo slunce se energetická rezerva nabije. To se děje prostřednictvím systému kompresorů a turbín, které čerpají tepelnou...

Houby mohou léčit bakterie a obohatit půdu o živiny

Aeroskulární mykorhizní houby se rozprostírají přes dlouhé vláknité struktury zvané krásně až k zemi. Krásy, menší než lidské vlasy, lze vidět mezi kořeny...

Světlo zapíná barvy a vzory objektů

Nový systém využívá ultrafialové světlo, které se promítá na objekty natřené barvou aktivující světlo, ke změně reflexních vlastností barvy a vytváření obrazů během několika...

Ne! Je pravděpodobnější, že žádosti o půjčku zpracované kolem poledne budou zamítnuty

Úředníci bankovních půjček pravděpodobněji budou schvalovat žádosti o půjčky dříve a později během dne, zatímco „únava z rozhodování“ kolem poledne je spojena s nedodržováním...

Náročné modely před oddělením v Bothnian Bay

19. dubna 2021 Mořský led na severu Baltského moře vykazuje některé přesvědčivé vzory, než se na jaře roztaví a setře. Na rozdíl od mořského ledu, který...

Newsletter

Subscribe to stay updated.