ATLAS setzt strenge Grenzen für die Existenz supersymmetrischer Teilchen der Dunklen Materie

Wenn neue Teilchen da draußen sind, ist der Large Hadron Collider (LHC) der ideale Ort, um nach ihnen zu suchen. Die Theorie der Supersymmetrie legt nahe, dass für jedes der bekannten Grundteilchen eine ganz neue Familie von Partnerteilchen existiert. Auch wenn dies extravagant erscheinen mag, könnten diese Partnerteilchen verschiedene Mängel des aktuellen wissenschaftlichen Wissens beheben, wie etwa die Quelle der mysteriösen Dunklen Materie im Universum, die „unnatürlich“ kleine Masse des Higgs-Bosons, die anomale Art und Weise, wie sich das Myon dreht, usw sogar die Beziehung zwischen den verschiedenen Naturkräften. Aber wenn diese supersymmetrischen Teilchen existieren, wo könnten sie sich verstecken?

Das haben Physiker am LHC kürzlich versucht herauszufinden Studie Mithilfe von Proton-Proton-Kollisionsdaten aus Lauf 2 des LHC (2015–2018) bietet die ATLAS-Kollaboration den bisher umfassendsten Überblick über ihre Suche nach einigen der schwer fassbaren Arten supersymmetrischer Teilchen – solchen, die nur selten durch den LHC erzeugt würden „schwache“ Kernkraft oder die elektromagnetische Kraft. Das leichteste dieser schwach wechselwirkenden supersymmetrischen Teilchen könnte die Quelle der Dunklen Materie sein.

Die erhöhte Kollisionsenergie und die höhere Kollisionsrate durch Lauf 2 sowie neue Suchalgorithmen und maschinelle Lerntechniken haben eine tiefere Erforschung dieses schwer zugänglichen Gebiets der Supersymmetrie ermöglicht.

ATLAS-Physiker haben die Ergebnisse von acht Suchvorgängen zusammengestellt, bei denen jede auf unterschiedliche Weise nach Beweisen für supersymmetrische Teilchen suchte. Die kombinierte Leistungsfähigkeit und Empfindlichkeit der verschiedenen Suchstrategien hat es den ATLAS-Forschern ermöglicht, Zehntausende Supersymmetriemodelle zu untersuchen, jedes mit unterschiedlichen Vorhersagen über die Massen supersymmetrischer Teilchen.

Diese ATLAS-Suchen verfügen über eine beispiellose Empfindlichkeit und erforschen ein breites Spektrum supersymmetrischer Teilchenmassen. Die ATLAS-Physiker suchten nach Beweisen für „im Labor hergestellte“ Dunkle Materie – also dunkle Materie, die bei LHC-Kollisionen entsteht. Ihre Suche hat sich als Ergänzung zu anderen Experimenten erwiesen, die nach natürlicher „Relikt“ dunkler Materie suchten, die vom Urknall übrig geblieben war. Anders als bei der Suche nach Beschleunigern, bei denen man die Dunkle Materie nicht sehen muss, um auf ihre Anwesenheit schließen zu können, basieren die letztgenannten Experimente auf der hinreichend großen Wahrscheinlichkeit, dass Teilchen der Dunklen Materie auf normale Materialien treffen und daher entdeckt werden.

Eines der bedeutendsten Ergebnisse dieser Suchkombination ist, dass einige Regionen für supersymmetrische Teilchenmassen, die zuvor als positiv angesehen wurden und in denen das Teilchen der Dunklen Materie etwa die Hälfte der Masse des Z-Bosons oder des Higgs-Bosons hat, nun fast vollständig gefunden wurden ausgeschlossen.

Ein weiterer Vorteil einer solch umfassenden Studie besteht darin, zu verstehen, welche Supersymmetriemodelle noch nicht untersucht wurden. ATLAS hat Beispiele für solche überlebenden Modelle vorgestellt, die zur Optimierung zukünftiger Suchen verwendet werden können. Obwohl mögliche Verstecke für supersymmetrische Teilchen systematisch reduziert werden, bleiben viele Modelle hartnäckig ausweichend. Um die Empfindlichkeit der ATLAS-Suchen gegenüber diesen Modellen zu verbessern, sind mehr Kollisionsdaten und weitere clevere Entwicklungen in der Suchstrategie erforderlich.