ATLAS na LHC: Strojové učení odhaluje nové hranice pro supersymetrické částice a temnou hmotu

Vědci z experimentu ATLAS na Velkém hadronovém urychlovači (LHC) v CERNu provedli nové, hloubkové hledání supersymetrických (SUSY) částic, které by mohly pomoci zodpovědět některé z největších záhad fyziky. K tomuto účelu využili pokročilé techniky strojového učení.

Vědci z experimentu ATLAS na Velkém hadronovém urychlovači (LHC) v CERNu provedli nové, hloubkové hledání supersymetrických (SUSY) částic, které by mohly pomoci zodpovědět některé z největších záhad fyziky. K tomuto účelu využili pokročilé techniky strojového učení. Výsledky těchto hledání, představené na konferenci Moriond, stanovily jedny z nejpřísnějších dosud známých limitů pro vlastnosti těchto hypotetických částic.

Teorie supersymetrie předpokládá existenci zrcadlového světa částic, které by mohly vysvětlit například překvapivě malou hmotnost Higgsova bosonu a povahu temné hmoty. Každá částice Standardního modelu by podle této teorie měla svého „superpartnera“. Například higgsino je supersymetrickým protějškem Higgsova bosonu a je častým předmětem výzkumu. Detekce higgsina je však složitá, protože by se neobjevovalo samostatně, ale jako směs jiných SUSY částic, vytvářející stavy známé jako neutralina a chargina. Teoretici předpokládají, že nejlehčí neutralino by mohlo být stabilní a představovat tak silného kandidáta na temnou hmotu. Těžší neutralina a chargina by se rozpadala na tuto stabilní SUSY částici, avšak s velmi nízkou energií, což by ztěžovalo jejich detekci.

Díky nasazení technik strojového učení se týmu ATLAS podařilo výrazně zlepšit citlivost experimentu na nízkoenergetické částice. Nyní byly zveřejněny výsledky dvou nových analýz dat z druhého běhu LHC (2015–2018). Jedno z hledání se zaměřilo na „mizející stopy“ zanechané charginem, které se rozpadá na stabilní neutralino (neviditelné pro detektory) a nízkoenergetický pion. Pion sleduje silně zakřivenou dráhu, kterou je v rušné proton-protonové srážce extrémně obtížné identifikovat, což způsobuje, že stopa chargina „zmizí“. Další hledání se soustředilo na těžší neutralina rozpadající se na nejlehčí a jediné stabilní neutralino a dva nízkoenergetické leptony, jako jsou elektrony. Vědci použili neuronové sítě k hluboké analýze oblasti s nízkou hybností pionů a leptonů, aby nalezli známky jejich produkce rozpadem SUSY částic.

V žádném z těchto hledání nebyly pozorovány žádné známky supersymetrických částic. Nicméně tyto výsledky stanovily jedny z nejpřísnějších limitů pro hmotnosti a životnosti chargin a neutralin, čímž překonaly dlouhodobé limity stanovené předchůdcem LHC, Velkým elektron-pozitronovým urychlovačem. Tyto nové limity jsou klíčové pro usměrňování budoucích hledání SUSY částic na LHC a připravovaném High-Luminosity LHC, a posouvají tak naše poznání zrcadlového světa supersymetrie kupředu.