在雷达下:在大型强子撞机上寻找隐身的超比

CMS事件显示Lepton和高喷射多重的候选事件

2016年期间记录的事件,其中CMS检测器包含10个喷射器(橙色锥体)和μ子(红线)。信用:CMS协作

粒子物理标准模型封装我们目前对基本粒子及其相互作用的知识。标准模型不完整;例如,它没有描述诸如重力的观察结果,对暗物质没有预测,这构成了宇宙中的大部分物质,或者中微子具有质量。

为了解决标准模型的缺点,物理学家提出扩展并检查LHC的碰撞,看看这些模型的“物理学超出标准模型”的模型将显示为新的颗粒或已知粒子行为的变化。超对称或Susy短暂,是标准模型的那些扩展之一。超对称预测标准模型中的每种已知的颗粒类型具有超对称伴侣。然后将有效地增加自然界中的粒子类型的数量,并且常规颗粒与新的SUSY颗粒之间的许多新相互作用是可能的。

在像CMS这样的对撞机实验中,人们希望产生一些超对称性粒子,然后在探测器中寻找它们衰变的迹象。超对称性最常见的特征之一就是在探测器中发现看似缺失的粒子,而这些粒子会造成巨大的能量不平衡,这就是所谓的“横向能量缺失”。这是一个很难忽略的最终状态签名!

许多搜索已经在CMS上进行了寻找这些高缺失的横向能量签名,但没有发现超对称的这种证据。但是,可能是超对称在那里,它只是最初想到的“隐秘”。有许多不同的可能签名可以在超对称中创建的不同可能符号,并且在一些修改版本的超对称版本中,关键特征是预测所有SASY粒子将衰减回标准模型粒子,例如夸克,每个痕迹将出现在检测器中作为颗粒的喷雾,称为射流。如果这一版本的超对称是真实的,SUSY颗粒在质子 - 质子碰撞中的生产将导致最终状态,其中具有许多喷射,而不是具有相当缺失的能量。在这种情况下,它会意识到为什么这些搜索尚未找到任何东西!

质子质子碰撞的戏剧化

图1.产生苏比颗粒的质子质子碰撞的戏剧化,其衰减到检测器中观察到的物体(这是所谓的R-奇偶校验违反Susy的签名)。信用:CMS协作

这项研究的目标是通过特别寻找两个超对称顶夸克(称为顶夸克)的产生来发现超对称是否一直隐藏在那里。这些顶部夸克在探测器中衰减,产生两个顶部夸克和许多其他喷流,如图1所示。这个特征不像包含大量丢失能量的特征那么明显,因为标准模型可以通过许多不同的方式产生两个顶级夸克和大量的喷流。然而,这个顶部的信号往往比任何已知的背景过程平均产生更多的喷流。对大量喷射事件的建模也是非常棘手的,即使是最好的模拟工具也不总是正确的。因此,依赖数据来预测具有一定数量喷射的事件的数量。

在没有利用机器学习和神经网络的力量的情况下,我们的策略将无法实现。用于识别可能包含顶分响铃衰减的碰撞的冷却机学习技术称为梯度反转,这可以通过以下方式解释。想象一下,您将巧克力分为两类:巧克力和焦糖和常规巧克力。你知道焦糖巧克力比常规巧克力重,因为它们充满了焦糖。我们还说,巧克力只有两种形状的焦糖和常规品种:正方形或圆圈。最后,您被告知平方巧克力平均而不是圆形的巧克力。

分类巧克力的一种方法是将所有方形巧克力分类为焦糖巧克力,将所有圆形巧克力分类为普通巧克力。毕竟,方形巧克力和焦糖巧克力一般都比较重。这种分类方法是不正确的,因为不是所有的方形巧克力都含有焦糖,所以最好是独立于形状对巧克力进行分类。在排序时忽略形状等同于梯度反转在物理环境中允许我们做的事情。不同于焦糖和普通巧克力,分类是在信号和背景事件之间进行的,而不是形状,分类应该与喷射的数量无关。

这种策略正是可以直接从数据模拟喷射数分布所需的内容。背景类别中的事件用于预测信号类别中应该具有一定数量的喷射的事件。由于信号模型倾向于产生比标准模型背景更多的喷射,因此来自预测的任何偏差都可能意味着确实有一些悬浮在那里的悬而未决。

图2示出了从我们的最终背景预测从收集的数据获得的喷射分布的数量的比较。在这种情况下,预测假定我们的假设信号模型没有贡献。这里,数据之间的协议和我们的四个类别的标准模型过程的预测是合理的。

射流数图

图2。对于收集到的数据(黑点)和已知标准模型背景的预测贡献(彩色块),显示具有一定数量喷流的事件数量的分布。不同颜色/风格的线条显示了不同的超对称性模型的喷流数量分布和特定的顶squark质量。信用:CMS协作

当数据被细分为比图2中显示的更多类别时,我们发现与我们的预测有一个小偏差。然而,这个偏差并没有大到足以让人断言这是否表明超对称可能是正确的。最有可能的是,数据中只是有一个统计波动,或者可能有一个未知的建模问题。

在粒子物理学中,“黄金标准”是在结果具有5个标准偏差或更大的意义时申报新物理学的发现。这意味着只有350万的机会只有1个,结果只是来自数据中的随机波动。证据,或声称某些事情足以考虑它可能是新的可能性,只有3个标准偏差的意义,代表了740中的一个1,结果是波动的机会。与大多数其他科学学科相比,该标准非常严格。LHC产生大量数据,因此它确实可以通过随机的机会获得与标准模型预测的偏差。在粒子物理学中,绝对不需要要求任何偏差而不认真检查其统计有效性。

在这个分析中观察到的最大偏差的显著性是2.8个标准差。这意味着,即使不存在超对称性,人们也期望每368次就能看到这样的结果,远低于5个标准偏差阈值。考虑到CMS发布了1000多篇论文,许多看几十个或数百个地方,你可以看到一个结果中的偶尔波动并不令人惊讶。结果也可以解释为仍然与数据仍然一致的允许隐身的超比场景的限制。根据模型的细节,可以排除在〜700 GEV以下的顶级突口质量。

此搜索是LHC的第一个,脱落在以前未开发的签名上。发现的轻微差异是诱人的,提示跟进研究,以调查其起源是否是一个简单的统计波动,无论是由于我们对标准模型的理解,这将是一个有趣的人,还是可能是有趣的新物理的第一个迹象。此外,从2022年开始,LHC的下一个数据暂时将开始。这将有助于CMS对新物理学的可能性进行更强烈的结论。如果隐秘的超对称确实存在,那么这种额外的数据将允许更为显着的结果,可能推动到Discovery的金标准。

1条评论在“雷达下:在大型托罗伦撞机上寻找隐身的超比”

  1. 重力能与对流而不是其他力相比吗?

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