В детекторе CMS на Большом адронном коллайдере протоны сталкиваются с огромной энергией, рождая множество частиц. Большинство из них распадаются почти мгновенно, прямо в точке столкновения. Но некоторые гипотетические частицы, если они существуют, могли бы жить заметно дольше — пролетать несколько сантиметров или даже метров, прежде чем распасться. Такие «долгожители» оставляют в детекторе необычный след: продукты их распада появляются не из центра, а сбоку, словно ветка, отходящая от ствола дерева.
Именно такие следы искали физики, работающие на эксперименте CMS. Они охотились за суперпартнёром тау-лептона — частицей, которую предсказывают некоторые теории, расширяющие Стандартную модель. Если она существует, то может распадаться на обычный тау-лептон и неуловимую нейтральную частицу. Тау-лептон, в свою очередь, тоже нестабилен и быстро распадается на другие частицы, но если рождение произошло в стороне от центра, детектор зафиксирует характерный сдвиг.
Чтобы выделить такие события из огромного потока данных, исследователи впервые применили графовую нейросеть, специально обученную распознавать смещённые распады тау-лептонов. Нейросеть анализировала миллионы событий, зафиксированных с 2016 по 2018 год, и отбирала те, где следы частиц не сходились в одной точке. В результате удалось значительно улучшить чувствительность поиска по сравнению с предыдущими методами.
Новых частиц обнаружить не удалось, но это не пустой результат. Отсутствие сигнала позволило установить более строгие ограничения на возможные массы и времена жизни суперпартнёров тау-лептона. Например, если такая частица имеет массу 200 ГэВ, то её время жизни не может попадать в определённый диапазон — иначе её бы уже увидели. Эти ограничения сужают область, где ещё может прятаться новая физика, и направляют будущие поиски.
Такой подход — использование нейросетей для поиска нестандартных сигнатур — становится всё более важным инструментом в физике высоких энергий. По мере накопления данных и совершенствования алгоритмов шансы поймать что-то действительно новое растут. И даже если суперпартнёры тау-лептона не существуют, методы, разработанные для их поиска, пригодятся для изучения других редких процессов, которые могут скрываться в данных Большого адронного коллайдера.
как её написали авторы, на английском arXiv:2601.17576
Gauge-mediated supersymmetry-breaking models provide a strong motivation to search for a supersymmetric partner of the tau lepton (stau) with a macroscopic lifetime. Long-lived stau decays produce tau leptons that are displaced from the primary proton-proton interaction vertex, leading to an unconventional signature. This paper presents a search for the direct production of long-lived staus decaying within the CMS tracker volume in proton-proton collisions at $$\sqrt{s}$$ = 13 TeV, performed for the first time with an identification algorithm based on a graph neural network dedicated to displaced tau leptons. The data sample, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$$^{-1}$$, was recorded with the CMS experiment at the CERN LHC between 2016 and 2018. This search excludes, at 95% confidence level, stau masses, $$m_\tilde{\tau}$$, in the 126$$-$$260 (90$$-$$425) GeV range for a proper decay length of 50 mm in the maximally mixed (mass-degenerate) scenario, while for $$m_\tilde{\tau} $$ = 200 GeV, stau proper decay lengths are excluded in the range 21$$-$$94 (6$$-$$333) mm. These results improve the exclusion limits compared to previous searches, and extend the parameter space explored in the context of supersymmetry.
Тау-лептон — самый тяжёлый из заряженных лептонов, он в 3500 раз тяжелее электрона и живёт всего 0,3 пикосекунды, но при огромных энергиях успевает пролететь несколько миллиметров, прежде чем распасться.
В романе «Задача трёх тел» Лю Цысиня суперсимметричные частицы используются как источник энергии, а их поиск на коллайдерах — как ключ к разгадке тайн Вселенной.