La búsqueda de gluinos y de squarks en el LHC Run 2

Por Francisco R. Villatoro, el 5 agosto, 2016. Categoría(s): Ciencia • Física • LHC - CERN • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science

Dibujo20160523 particle superpartners of known particles supersymmetry overview copyright stfc ben guilliland

La supersimetría predice que hay partículas compañeras asociadas a todas las partículas del modelo estándar. Para los gluones y los quarks se conocen como gluinos y squarks. Las colisiones a 13 TeV en el LHC Run 2 analizadas para la conferencia ICHEP 2016 han presentado límites para la masa de estas partículas. Se descarta la existencia de los gluinos con una masa inferior a 1,8 TeV/c² y de neutralinos de masa inferior a unos 600 GeV/c². Para los squarks se descarta una masa inferior a 1,4 TeV/c² acompañados de neutralinos de masa inferior a unos 400 GeV/c².

Los análisis de colisiones para la búsqueda de la supersimetría son complicados porque hay que estudiar muchos posibles canales de desintegración. Además, los gluinos se desintegran en squarks y estos en neutralinos, acompañados de quarks y bosones W o Z. Los neutralinos (igual que los neutrinos) se observan como pérdidas de energía (o energía que falta). Resumir los análisis de este tipo de búsqueda en un blog es pesado porque hay muchas figuras que mostrar.

Me centraré aquí en los resultados de ATLAS Collaboration, “Search for pair production of gluinos decaying via top or bottom squarks in events with bb-jets and large missing transverse momentum in pppp collisions at s√=13s=13 TeV with the ATLAS detector,” ATLAS-CONF-2016-052, 03 Aug 2016, y en ATLAS Collaboration, “Further searches for squarks and gluinos in final states with jets and missing transverse momentum ats√=13s=13 TeV with the ATLAS detector,” ATLAS-CONF-2016-078, 04 Aug 2016. Otros análisis de ATLAS y los resultados de CMS son de corte similar.

PS: He incluido información sobre la búsqueda en CMS de partículas cargadas pesadas supersimétricas (gluinos, stops y staus). El artículo es CMS Collaboration, “Search for heavy stable charged particles with 12.9 fb−1−1 of 2016 data,” CMS-PAS-EXO-16-036, 04 Aug 2016.

Dibujo20160805 gluino decay topologies into tt atlas lhc cern

Una de las búsquedas de los gluinos asume que en las colisiones protón contra protón en el LHC se producen una pareja de gluinos que se desintegran en un squark y un quark (o un stop y un top, o un sbottom y un bottom). El squark, a su vez, se desintegra en un quark y un neutralino (la partícula supersimétrica más ligera que es neutra, candidato ideal para la materia oscura). Como resultado, podemos buscar gluinos en el canal Gbb (la producción de cuatro quarks bottom y dos neutralinos) y en el canal Gtt (la producción de cuatro quarks top y dos neutralinos). Los quarks se observarán como sendos chorros hadrónicos (colisiones con cuatro jets) y los neutralinos como una pérdida de energía (MET) que acompaña a cada pareja de chorros.

Dibujo20160805 gluino decay topologies into bb atlas lhc cern

Los límites de exclusión de la masa de los gluinos dependen de la masa del neutralino. Por ello se muestran en un diagrama bidimensional con los gluinos en el eje de abcisas y los neutralinos en el eje de ordenadas. Como muestran estas figuras de ATLAS tras analizar 14,8 /fb de colisiones a 13 TeV c.m. se descartan los gluinos con una masa inferior a unos 1800 GeV/c² y los neutralinos con una masa inferior a unos 800 GeV/c².

Dibujo20160805 gluinos decay topologies into qq xi atlas lhc cern

Esta figura presenta resultados similares a las dos anteriores, pero para el caso de las desintegraciones en la que sólo se observan chorros hadrónicos y no se observan leptones. Tras analizar 13,3 /fb de colisiones a 13 TeV se obtienen límites que mejoran los obtenidos en el LHC Run 1 (línea en gris para la masa del gluino, superior a 1,4 TeV/c²) y los obtenidos por el LHC Run 2 en 2015 (línea en azul para la masa del gluino, superior a 1,5 TeV/c²). Los nuevos límites LHC Run 2 de 2016 corresponden a la línea roja y la banda amarilla.

Dibujo20160805 gluinos decay topologies into qqZ xi atlas lhc cern

Dibujo20160805 gluinos decay topologies into qqW xi atlas lhc cern

Los neutralinos pueden emitir un bosón vectorial W o Z, que acompañará a los chorros hadrónicos asociados a los quarks en los que se desintegra el squark. Estas dos figuras muestran los resultados obtenidos por ATLAS en ambos casos tras analizar 13,3 /fb de colisiones.

Dibujo20160805 squarks decay topologies into q xi atlas lhc cern

Para la búsqueda directa de los squarks se asume que las colisiones protón contra protón en el LHC producen una pareja de squarks  que se desintegran en quarks y neutralinos . Como resultado, podemos buscar gluinos en el canal Gbb (la producción de cuatro quarks bottom y dos neutralinos) y en el canal Gtt (la producción de cuatro quarks top y dos neutralinos). Los quarks se observarán como sendos chorros hadrónicos (colisiones con cuatro jets) y los neutralinos como una pérdida de energía (MET) que acompaña a cada pareja de chorros.

Dibujo20160805 search heavy charged particles cms lhc cern

Estas figuras de CMS ilustran la búsqueda de partículas cargadas de gran masa en 12,9 /fb de colisiones a 13 TeV. Se presentan límites para los gluinos, stops y staus. Los límites exceden 1,1 TeV. Son muchas figuras combinadas, con lo que pueden resultar algo confusas. Recomiendo a los interesados ampliar la figura para verla en más detalles.

En resumen, la búsqueda la supersimetría es complicada. Los nuevos límites para los gluinos y los squarks irán poco a poco subiendo, mientras se encuentren indicios de su existencia. Pero nadie debe interpretar que la supersimetría en la escala de energía TeV está muerta sólo porque se haya descartado por debajo de 1 TeV. Quedan muchísimos huecos en los que se puede esconder. Explorarlos todos es imposible (los modelos supersimétricos introducen más de cien nuevos parámetros libres). La búsqueda de lo desconocido, tanto en ciencia como en la vida misma, nunca ha sido fácil.



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