Shortcomings of the squark simplified model

In het uitgestrekte, onzichtbare landschap van de deeltjesfysica zoeken wetenschappers naar een verborgen laag van de werkelijkheid die zich net voorbij de rand bevindt van wat we momenteel kunnen zien. Deze zoektocht wordt gedreven door een theorie genaamd supersymmetrie, die stelt dat elk bekend deeltje een zwaardere, onzichtbare partner heeft. Onder deze hypothetische partners behoren squarks, de partners van quarks (de bouwstenen van protonen en neutronen), en gluino's, de partners van gluonen (de deeltjes die quarks bij elkaar lijmen). Decennialang hebben onderzoekers bij de Large Hadron Collider protonen met ongelofelijke snelheden op elkaar laten botsen, in de hoop de energiebarrière te doorbreken en deze nieuwe deeltjes te onthullen. Om de enorme hoeveelheden data die door deze botsingen worden geproduceerd te begrijpen, vertrouwen natuurkundigen vaak op "vereenvoudigde modellen". Dit zijn vergelijkbaar met schetsen van een complexe machine: ze strippen de rommelige details weg en concentreren zich op slechts één of twee onderdelen om de wiskunde beheersbaar te maken. Voor squark-zoektochten ging de standaard schets ervan uit dat squarks in isolatie bestaan, waarbij hun zware partners, de gluino's, zo massief zijn dat ze effectief niet bestaan.

Een nieuwe analyse daagt de nauwkeurigheid van deze langlopende schets uit. Een team van natuurkundigen betoogt dat dit vereenvoudigde beeld niet slechts een ruwe benadering is, maar een fundeel misverstand van hoe deze deeltjes zich daadwerkelijk zouden gedragen als ze zouden bestaan. Hun werk suggereert dat het standaardmodel dat wordt gebruikt om colliderdata te interpreteren, de snelheid waarmee squarks worden geproduceerd met een factor tientallen, of zelfs honderden, heeft onderschat. Dit gebrek aan inzicht betekent dat de huidige limieten voor hoe zwaar deze deeltjes kunnen zijn, veel te laag zijn. Door het model te corrigeren om de onvermijdelijke invloed van de gluino op te nemen, stellen de onderzoekers vast dat de Large Hadron Collider al squark-massa's tot 3,0 TeV heeft uitgesloten, een aanzienlijke sprong ten opzichte van de eerder geaccepteerde limiet van 1,8 TeV. Deze verschuiving geeft vorm aan de zoektocht naar nieuwe fysica, en suggereert dat de collider op de verkeerde plek heeft gezocht om de verkeerde redenen, en dat toekomstige machines een veel groter potentieel hebben om deze ongrijpbare deeltjes te ontdekken dan voorheen werd gedacht.

De kern van het probleem ligt in een theoretisch principe met betrekking tot de stabiliteit van deeltjesmassa's. In het vereenvoudigde model gingen natuurkundigen ervan uit dat ze de squark en de gluino als volledig onafhankelijke entiteiten konden behandelen, waarbij de gluino oneindig zwaar is en daarom irrelevant is. De auteurs van deze studie demonstreren echter dat in elke realistische versie van de theorie, de twee deeltjes onlosmakelijk met elkaar verbonden zijn. Als een gluino veel zwaarder zou zijn dan een squark, zou de wetten van de kwantummechanica een ernstige instabiliteit creëren. De zware gluino zou een krachtige kwantumdruk uitoefenen die de massa van de squark snel zou opdrijven om met die van zichzelf gelijk te worden. Met andere woorden, de natuur staat geen scenario toe waarin de gluino veel zwaarder is dan de squark; de twee massa's moeten relatief dicht bij elkaar blijven. Het standaard vereenvoudigde model, dat aanneemt dat de gluino oneindig zwaar is, beschrijft een situatie die theoretisch onmogelijk is in een realistische universum.

Deze theoretische beperking heeft een enorme impact op wat er binnen de collider gebeurt. Wanneer protonen botsen, produceren ze squarks via verschillende paden. Het vereenvoudigde model telt alleen de paden waarbij de squarks direct uit de botsing van andere deeltjes worden gecreëerd, en negeert een cruciaal derde pad: de uitwisseling van een virtuele gluino. Omdat de gluino niet oneindig zwaar is, fungeert hij als een brug, waardoor squarks veel gemakkelijker kunnen worden geproduceerd dan het vereenvoudigde model voorspelt. De onderzoekers berekenden dat voor realistische massaverhoudingen, waarbij de gluino slechts twee of drie keer zwaarder is dan de squark, de totale productie van squarks meer dan zestig keer hoger is dan de snelheid die door het standaard vereenvoudigde model wordt voorspeld. Het is alsof wetenschappers het aantal auto's op een snelweg hadden geteld door alleen naar de hoofdweg te kijken, terwijl ze een enorme, snelweg met een hoge snelheid volledig negeerden.

De gevolgen van deze miscalculatie zijn onmiddellijk en ingrijpend voor de huidige limieten op squark-massa's. De Large Hadron Collider heeft gezocht naar tekenen van squarks door te kijken naar specifieke patronen van energie en ontbrekende deeltjes in het puin van de botsingen. De experimenten stellen een "limiet" vast op basis van hoeveel gebeurtenissen ze zouden verwachten te zien als squarks op een bepaalde massa bestonden. Omdat het vereenvoudigde model een zeer lage productie snelheid voorspelde, concludeerden de experimenten dat als de squarks niet veel gebeurtenissen veroorzaakten, de squarks lichter moesten zijn dan 1,8 TeV. Echter, de nieuwe analyse laat zien dat als de squarks eigenlijk werden geproduceerd tegen de veel hogere, realistische snelheid, de experimenten veel meer gebeurtenissen zouden hebben gezien dan ze deden. Daarom betekent het feit dat ze die gebeurtenissen niet zagen, dat de squarks veel zwaarder moeten zijn dan voorheen werd aangenomen. De auteurs hebben de bestaande data opnieuw geanalyseerd en vonden dat de huidige limiet op de squark-massa zich realistisch gezien tussen de 2,6 en 3,0 TeV bevindt, wat de grens van het bekende universum effectief verder naar buiten duwt.

Deze correctie verandert ook de kijk op de toekomst van de deeltjesfysica. De High-Luminosity Large Hadron Collider, een upgrade die gepland staat voor de komende jaren, wordt verwacht veel meer data te verzamelen. Eerdere projecties, gebaseerd op het gebrekkige vereenvoudigde model, suggereerden dat deze machine in staat zou zijn om squark-massa's tot ongeveer 2,4 TeV te verkennen. Met het nieuwe, nauwkeurigere model projecteren de onderzoekers dat dezelfde machine daadwerkelijk massa's tussen de 3,2 en 3,6 TeV kan bereiken. Het potentieel voor ontdekking is zelfs nog dramatischer voor toekomstige, nog grotere colliders, zoals de voorgestelde Future Circular Collider. Terwijl het vereenvoudigde model een bereik van ongeveer 13 TeV suggereerde, geeft de gecorrigeerde analyse aan dat een dergelijke machine potentieel squarks met massa's tot 20 TeV kan ontdekken. De kloof tussen de vereenvoudigde voorspelling en de realistische potentie is geen kleine foutmarge; het vertegenwoordigt een fundamentele verschuiving in ons begrip van wat deze machines kunnen bereiken.

De auteurs hebben ook onderzocht of de omgekeerde situatie — aannemen dat de squarks oneindig zwaar zijn en hen negeren in gluino-zoektochten — met hetzelfde probleem te maken zou krijgen. Ze vonden dat het gluino-vereenvoudigde model eigenlijk vrij solide is. In tegen tegenstelling tot het geval van de squark, verbieden de theoretische argumenten niet dat de squarks veel zwaarder zijn dan de gluino's, en is de bijdrage van zware squarks aan de gluino-productie klein en neemt deze snel af. Dit betekent dat terwijl de standaardbenadering voor het zoeken naar gluino's betrouwbaar is, de standaardbenadering voor het zoeken naar squarks misleidend is geweest. Het artikel concludeert dat het veld af moet van het oude vereenvoudigde model. In plaats van aan te nemen dat de gluino oneindig zwaar is, zouden toekomstige analyses een model moeten gebruiken dat de gluinomassa als een variabele bevat, begrensd door de realistische limiet dat deze niet meer dan ongeveer drie keer zwaarder kan zijn dan de squark.

Door deze langdurige nalatigheid te corrigeren, doet de studie meer dan alleen een getal aanpassen; het herdefinieert het landschap van de zoektocht naar supersymmetrie. Het suggereert dat de Large Hadron Collider al een veel dieper gebied heeft verkend dan we realiseerden, en dat de volgende generatie machines een veel veelbelovender perspectief op ontdekking biedt. De les is een herinnering aan het feit dat in de complexe wereld van de hoge-energiefysica, het te veel vereenvoudigen van een theorie soms precies de fenomenen kan verbergen die we proberen te vinden. De realiteit van deze deeltjes is meer onderling verbonden dan de schetsen suggereerden, en het erkennen van die verbinding is de sleutel tot het ontsluiten van de geheimen van het universum.