Используя методы машинного обучения, коллаборация ATLAS провела углубленный поиск признаков частиц, которые могли бы помочь ответить на некоторые из величайших загадок физики.

Иллюстрация, созданная в рамках проекта ATLAS Collaboration, демонстрирует потенциальное событие в ходе поиска исчезающего трека. Изображение: ATLAS/CERN

Согласно теории суперсимметрии, существует зеркальный мир гипотетических частиц, который мог бы помочь разрешить несколько физических загадок, таких как удивительно малая масса бозона Хиггса и природа темной материи. Коллаборация ATLAS на Большом адронном коллайдере (Large Hadron Collider - LHC) провела новые поиски этих так называемых суперсимметричных (supersymmetric - SUSY) частиц с использованием методов машинного обучения. Результаты этих поисков, представленные на этой неделе на конференции Морионд, установили одни из самых сильных на сегодняшний день ограничений на свойства SUSY-частиц.

Суперсимметрия предполагает, что каждая частица в Стандартной модели имеет «суперпартнера». Хиггсино является SUSY-аналогом бозона Хиггса и является предметом многих поисков SUSY. Но обнаружение хиггсино, если оно существует, далеко не просто. Хиггсино не появится сам по себе, а как смесь других SUSY частиц, создавая состояния, известные как нейтралино и чарджино. Теоретики предсказывают, что самый лёгкий нейтралино может быть стабильным и, следовательно, сильным кандидатом на роль тёмной материи. Другие, более тяжёлые нейтралино и чарджино будут распадаться на эту стабильную суперсимметричную частицу. Однако ожидается, что эти распады будут производить очень мало энергии, и образующиеся низкоэнергетические частицы будет чрезвычайно трудно обнаружить.

Благодаря применению методов машинного обучения коллаборация ATLAS смогла значительно повысить чувствительность эксперимента к низкоэнергетическим частицам. ATLAS сообщает о результатах новых поисков признаков суперсимметричных частиц в анализе данных второго цикла работы LHC, собранных в период с 2015 по 2018 год.

Один из этих поисков включал в себя поиск признаков исчезающего трека, оставленного чарджино, распадающимся на стабильное нейтралино, невидимое для детекторов, и низкоэнергетический пион. Пион движется по сильно искривленной траектории, которую крайне сложно идентифицировать в условиях интенсивного столкновения протонов, из-за чего трек чарджино «исчезает». Коллаборация ATLAS дополнительно искала признаки распада более тяжелых нейтралино на самый легкий и единственный стабильный нейтралино и два лептона с низким импульсом, такие как электроны. Исследователи использовали нейронные сети для поиска в области низких импульсов пионов и лептонов, чтобы обнаружить признаки их образования в результате распада суперсимметричных частиц.

В ходе обоих поисков признаков этих суперсимметричных частиц обнаружено не было. Однако эти результаты установили одни из самых строгих ограничений на массы и время жизни чарджино и нейтралино, превзойдя давние ограничения, установленные Большим электрон-позитронным коллайдером, предшественником LHC.

Эти ограничения помогут в будущих поисках суперсимметричных частиц на LHC и LHC с высокой светимостью. Поиски зеркального мира SUSY продолжаются.