Ключевой целью многих физических исследований является экспериментальное наблюдение экзотических явлений за пределами Стандартной модели (СМ), которые предсказываются теоретическими моделями. К ним относятся модели скрытых долин, которые предсказывают существование темного сектора, в котором частицы и взаимодействия управляются темной, сильной силой. Частицы и взаимодействия, предсказываемые этими моделями, могут иметь отличительные сигнатуры распада.

В недавней статье, опубликованной в Physical Review Letters , большая группа физиков-элементариев, участвовавших в эксперименте CMS (компактный мюонный соленоид) в ЦЕРНе, опубликовала результаты первого поиска мягких некластеризованных энергетических паттернов (SUEP) — ​​характерного сигнала, который, по прогнозам моделей скрытых долин, должен возникать при столкновениях частиц высокой энергии.

«SUEP являются частью более обширного семейства теорий, которые стремятся расширить Стандартную модель, чтобы охватить необъяснимые явления, которые мы наблюдаем в нашей Вселенной: темную материю , асимметрию материи-антиматерии и т. д.», — рассказал порталу Phys.org Лука Лавеццо из поисковой группы CMS.

«В частности, они являются одним из многих предсказаний, вытекающих из теорий скрытых долин. Впервые предложенные Мэттом Штрасслером и Кэтрин Зурек почти два десятилетия назад, эти теории постулируют «темный сектор», отдельный от СМ, со своей собственной сильной, «ограничивающей» силой, родственной сильной силе в СМ, которая связывает кварки и глюоны в состояния, подобные протонам, нейтронам и другим адронам».

Модели скрытых долин делают интересные теоретические предсказания, большинство из которых еще не были проверены экспериментально. Это связано с тем, что когда эти теории были впервые представлены, поиск темных секторов, которые они предсказывали, с использованием существующих экспериментальных методов считался невозможным, поэтому эти поиски были отложены для будущих исследований.

«Пару лет назад, когда поиски сложных темных секторов стали вызывать все больший интерес в сообществе, теоретики и экспериментаторы снова обратились к странным предсказаниям теорий скрытых долин, и стало ясно, что некоторые из них наконец-то стали доступны на коллайдерах», — сказал Лавеццо.

«Мягкие некластеризованные энергетические паттерны (SUEP), полувидимые струи и появляющиеся струи стали первым поколением поисков, нацеленных на конкретные прогнозы скрытых долин, которые все были опубликованы за последние пару лет».

Модели скрытых долин предсказывают, что столкновения частиц высокой энергии могут привести к появлению определенных сигнатур, а именно SUEP. В коллайдерах частиц, таких как тот, который собирает данные для эксперимента CMS, эти сигнатуры будут выглядеть как множество частиц с низким импульсом, распределенных в сферической форме.

«Это довольно отчетливая сигнатура по сравнению с тем, что мы ожидаем увидеть от SM, но может быть сложно различить SUEP в типичном событии коллайдера, поскольку происходит несколько десятков одновременных столкновений, каждое из которых производит множество частиц с низкой энергией», — пояснил Лавеццо.

«Более того, наши триггеры (т. е. критерии, используемые для определения того, является ли столкновение протонов достаточно интересным, чтобы его сохранить) обязательно предназначены для сохранения только событий с образованием высокоэнергетических частиц, и поэтому им трудно выбирать события с изначально низкой энергией».

Чтобы обойти проблемы, которые мешали исследователям искать эти частицы в прошлом, CMS Collaboration сначала должна была убедиться, что частица, создающая SUEP (т. е. «портал», соединяющий модели SM и Hidden Valley), отскакивает от частицы SM, которая в случае эксперимента команды была струей. Эта отдача производит событие, в котором обе частицы имеют значительные и в то же время сбалансированные уровни энергии, которые могут быть вызваны струей SM.

«Благодаря этой стратегии SUEP становится менее сферическим и начинает напоминать более широкую версию струи SM, которая представляет собой ливень частиц из глюона или кварка», — сказал Лавеццо. «Теперь игра заключается в том, чтобы различать струи SM и SUEP. Однако довольно сложно получить надежные прогнозы, используя наши традиционные методы в этих сложных средах и событиях, что необходимо для сравнения наших измерений с теорией, чтобы мы могли решить, есть ли доказательства SUEP или все так, как предсказывает SM».

Для проведения своего поиска коллаборация CMS решила оценить вклад событий SM непосредственно из наблюдаемых ими данных. При этом они использовали метод extended-ABCD, подход для оценки вклада SM в области сигнала.

«Мы являемся первыми, кто ищет SUEP на коллайдерах, и нам удалось исключить большую часть доступного фазового пространства для теорий SUEP, и мы предоставили набор методов, которые, как мы надеемся, будут расширены в будущих исследованиях», — сказал Лавеццо. «Представляя эти результаты, мы получили много интересных отзывов от теоретиков (даже от Мэтта Штрасслера, который первым выдвинул теорию SUEP), которые были взволнованы тем, что нам удалось получить некоторые экспериментальные результаты для этих моделей и что теперь можно проверить больше идей».

Недавний поиск, проведенный этой исследовательской группой, устанавливает новые ограничения, которые могут направлять будущие усилия по наблюдению SUEP в коллайдерах частиц. Хотя модели скрытых долин предполагают, что SUEP будут полностью видны (т. е. все частицы темного сектора распадутся обратно в SM), это не обязательно так.

«SUEP могут распадаться до SM после некоторого времени жизни, или некоторые из них могут быть стабильными и невидимыми, что будет выглядеть как различные сигнатуры, которые могли ускользнуть от предыдущих поисков», — добавил Лавеццо. «Более целенаправленные поиски также могут проводиться там, где наши не были оптимизированы; в частности, порталы с малой массой остаются довольно свободными».