芝加哥大學的一個研究小組最近開始了對長壽命超對稱粒子“壽命”的尋找。超對稱性是為擴展粒子物理學標準模型而提出的一種理論。類似於元素週期表，標準模型是我們對自然界中亞原子粒子以及作用於它們的力的最好描述。

但物理學家們知道這個模型是不完整的–例如，它沒有為引力或暗物質提供空間。超對稱性的目的是通過為每個標準模型粒子配對一個超對稱“夥伴”來完成畫面，開闢了一類新的假想粒子來探測和發現。在一項新研究中，芝加哥大學的物理學家們發現了這些“超夥伴”（如果存在的話）可能具有什麼屬性的限制。

“超對稱性確實是我們最有希望解決標準模型中盡可能多的問題的理論，”田納西大學諾克斯維爾分校副教授Tova Holmes說，他作為芝加哥大學的博士後研究員參與了這項實驗。“我們的工作符合大型強子對撞機的一個更大的努力，以重新考慮我們如何尋找新的物理學。”

位於歐洲核子研究中心CERN的大型強子對撞機將質子加速到接近光速，然後迫使它們發生碰撞。這些質子-質子碰撞會產生一系列額外的粒子，研究人員希望在其中找到新的物理學。“但在大型強子對撞機上，新的物理學事件極為罕見，很難在碰撞粒子的碎片中識別出來。”芝加哥大學物理系主任、這項研究的共同作者Young-Kee Kim教授說，這是一項完全由女性領導的工作。

芝加哥大學的團隊利用歐洲核子研究中心的粒子探測器ATLAS中收集的數據，尋找sleptons的產生–假定的現有電子、μ子和tau leptons的“超夥伴”。在經過測試的超對稱模型中，理論上認為sleptons有很長的壽命，這意味著它們在衰變成ATLAS可以探測到的東西之前可以遠行。

“我們錯過新物理學的方法之一是，如果粒子產生時沒有及時衰變，” Holmes說。“通常情況下，我們在搜索中對長壽命粒子視而不見，因為我們基本上在我們的探測器中剔除了任何看起來不像標準的及時衰變的粒子。”

預計Sleptons最終會衰變成它們常規的lepton夥伴。但與傳統衰變不同的是，這些躍子將被位移，這意味著它們不會指向最初的質子-質子碰撞點。物理學家們追尋的正是這個獨特的特徵。然而，在四年收集的ATLAS數據中，芝加哥大學的研究人員沒有發現任何位移的輕子事件。這種缺乏發現的情況讓他們設定了所謂的極限，排除了長壽命sleptons可能具有的質量和壽命範圍。

“我們至少有95%的把握，如果這個模型中存在一個slepton，它並不具備這個圖中陰影部分的質量和壽命，”最近完成這一測量論文的芝加哥大學博士Lesya Horyn說。

“什麼都沒有發現，卻告訴你這麼多，”Horyn說。知道長壽命的sleptons沒有一定的質量和壽命，這為研究人員提供了未來搜索重點的信息。“從我的角度來看，這次搜索是理論家們呼喚覆蓋的頭號大事，”Holmes說。”這似乎是我們能做到的–我們做到了！”

這個結果給團隊注入了活力，讓他們進一步突破界限。在未來十年的某個時間點，大型強子對撞機將進入周期性關閉狀態，為ATLAS硬件的升級留下了充足的時間。

“這是第一次通過分析，所以肯定有需要改進的地方，”Horyn說。一個迫切的升級將是對觸發系統的改造，該系統選擇事件是應該保存還是扔掉。觸發器目前被優化為存儲短命粒子的衰變，而不是超對稱性搜索的核心長命sleptons。

“未來的步驟可能包括使用來自大型強子對撞機下一次運行的更強大的數據來搜索相同的模型，”哈佛大學的研究生賈曉河說，他此前作為芝加哥大學的本科生參與了該實驗。她說，另一條探索的路線可能是使用類似的技術來擴大長壽命粒子的搜索範圍，而不僅僅是sleptons。

目前，標準模型的完成仍然是一個謎，但該團隊很自豪地在ATLAS中領導了這種超對稱模型的首次搜索。

“發現新的物理學就像大海撈針，”Kim說。“雖然我們在目前的數據中沒有看到任何東西，但未來有很大的機會！”