芝加哥大学的一个研究小组最近开始了对长寿命超对称粒子“寿命”的寻找。超对称性是为扩展粒子物理学标准模型而提出的一种理论。类似于元素周期表，标准模型是我们对自然界中亚原子粒子以及作用于它们的力的最好描述。
但物理学家们知道这个模型是不完整的--例如，它没有为引力或暗物质提供空间。超对称性的目的是通过为每个标准模型粒子配对一个超对称“伙伴”来完成画面，开辟了一类新的假想粒子来探测和发现。在一项新研究中，芝加哥大学的物理学家们发现了这些“超伙伴”（如果存在的话）可能具有什么属性的限制。
“超对称性确实是我们最有希望解决标准模型中尽可能多的问题的理论，”田纳西大学诺克斯维尔分校副教授Tova Holmes说，他作为芝加哥大学的博士后研究员参与了这项实验。“我们的工作符合大型强子对撞机的一个更大的努力，以重新考虑我们如何寻找新的物理学。”
位于欧洲核子研究中心CERN的大型强子对撞机将质子加速到接近光速，然后迫使它们发生碰撞。这些质子-质子碰撞会产生一系列额外的粒子，研究人员希望在其中找到新的物理学。“但在大型强子对撞机上，新的物理学事件极为罕见，很难在碰撞粒子的碎片中识别出来。”芝加哥大学物理系主任、这项研究的共同作者Young-Kee Kim教授说，这是一项完全由女性领导的工作。
芝加哥大学的团队利用欧洲核子研究中心的粒子探测器ATLAS中收集的数据，寻找sleptons的产生--假定的现有电子、μ子和tau leptons的“超伙伴”。在经过测试的超对称模型中，理论上认为sleptons有很长的寿命，这意味着它们在衰变成ATLAS可以探测到的东西之前可以远行。
“我们错过新物理学的方法之一是，如果粒子产生时没有及时衰变，” Holmes说。“通常情况下，我们在搜索中对长寿命粒子视而不见，因为我们基本上在我们的探测器中剔除了任何看起来不像标准的及时衰变的粒子。”
预计Sleptons最终会衰变成它们常规的lepton伙伴。但与传统衰变不同的是，这些跃子将被位移，这意味着它们不会指向最初的质子-质子碰撞点。物理学家们追寻的正是这个独特的特征。然而，在四年收集的ATLAS数据中，芝加哥大学的研究人员没有发现任何位移的轻子事件。这种缺乏发现的情况让他们设定了所谓的极限，排除了长寿命sleptons可能具有的质量和寿命范围。
“我们至少有95%的把握，如果这个模型中存在一个slepton，它并不具备这个图中阴影部分的质量和寿命，”最近完成这一测量论文的芝加哥大学博士Lesya Horyn说。
“什么都没有发现，却告诉你这么多，”Horyn说。知道长寿命的sleptons没有一定的质量和寿命，这为研究人员提供了未来搜索重点的信息。“从我的角度来看，这次搜索是理论家们呼唤覆盖的头号大事，”Holmes说。"这似乎是我们能做到的--我们做到了！"
这个结果给团队注入了活力，让他们进一步突破界限。在未来十年的某个时间点，大型强子对撞机将进入周期性关闭状态，为ATLAS硬件的升级留下了充足的时间。
“这是第一次通过分析，所以肯定有需要改进的地方，”Horyn说。一个迫切的升级将是对触发系统的改造，该系统选择事件是应该保存还是扔掉。触发器目前被优化为存储短命粒子的衰变，而不是超对称性搜索的核心长命sleptons。
“未来的步骤可能包括使用来自大型强子对撞机下一次运行的更强大的数据来搜索相同的模型，”哈佛大学的研究生贾晓河说，他此前作为芝加哥大学的本科生参与了该实验。她说，另一条探索的路线可能是使用类似的技术来扩大长寿命粒子的搜索范围，而不仅仅是sleptons。
目前，标准模型的完成仍然是一个谜，但该团队很自豪地在ATLAS中领导了这种超对称模型的首次搜索。
“发现新的物理学就像大海捞针，”Kim说。“虽然我们在目前的数据中没有看到任何东西，但未来有很大的机会！”
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