Partículas de supersimetría de rayos cósmicos

Discriminar entre modelos físicos requiere precisión en las mediciones. Precisión significa conocimiento de cuatro vectores de partículas detectadas, el vértice de interacción y los cuatro vectores iniciales del rayo cósmico incidente.

En el caso del descubrimiento del positrón la señal de una nueva partícula era sencilla, no necesitando mucha energía ni conocimiento de cuatro vectores:

Mientras estudiaba los rayos cósmicos en una cámara de niebla de Wilson, el académico soviético Dimitri Skobeltsyn notó algo inesperado entre las huellas dejadas por partículas cargadas de alta energía. Algunas partículas actuarían como electrones pero se curvarían de manera opuesta en un campo magnético. En un experimento independiente ese mismo año, el estudiante graduado de Caltech Chung-Yao Chao observó el mismo fenómeno. Los resultados no fueron concluyentes y ambos científicos ignoraron la anomalía.

Las energías eran lo suficientemente bajas y todo el flujo de rayos cósmicos podía proporcionar la luminosidad.

¿Por qué no se encontró el Higgs en los experimentos de rayos cósmicos TeV? Porque la precisión para detectar las desintegraciones de multipartículas requeriría enormes detectores con campos magnéticos para la determinación del momento.

El Higgs a gamma gamma, la descomposición más simple del Higgs se pierde fácilmente en una lluvia de rayos cósmicos donde no se puede tener control de los cuatro vectores iniciales.

Eche un vistazo a la complejidad de las tres desintegraciones esperadas de partículas supersimétricas aquí para comprender cómo la combinación de "sin control de los cuatro vectores iniciales", la necesidad de "detectores enormes" y la complejidad en la cantidad de partículas generadas hacen que sea altamente improbable detectar nuevas resonancias. en lluvias de rayos cósmicos.

El problema es que la energía de los rayos cósmicos en sí es irrelevante para producir partículas SUSY. Lo que se necesita es un gran centro de energía de masa, ya que eso es todo lo que está disponible para la creación de partículas; el resto necesariamente va a la energía cinética de las partículas creadas.

Para producir una partícula SUSY, un rayo cósmico necesitaría interactuar con una partícula en nuestra atmósfera. Dado que las partículas de nuestra atmósfera están aproximadamente en reposo en el marco de la Tierra, podemos calcular la energía del centro de masa$\sqrt{s}$de una partícula de masa$m$en nuestra atmósfera interactuando con un rayo cósmico de energía$E$como:

O, resolviendo esto para la energía requerida para lograr un determinado$\sqrt{s}$:

Para competir con el LHC, esta energía debe ser mayor que la que puede alcanzar el LHC. Entonces$\sqrt{s} \gt 13~\rm TeV$. Lo mejor que podemos hacer por$m$es un protón o un neutrón. Conectando esos números da:

Entonces, para producir partículas que el LHC no puede, se requieren rayos cósmicos de aproximadamente$100~\rm PeV$o más. Mirando el gráfico de frecuencias de rayos cósmicos publicado en la respuesta de @Nikl, estos rayos cósmicos son extraordinariamente raros. Además, incluso si se produjera SUSY, se esperaría que ocurriera con secciones transversales muy bajas. Estamos hablando como uno en$10^{15}$tipo de evento.

Tenga en cuenta que incluso los rayos cósmicos de mayor energía jamás vistos (del orden de diez julios) todavía tienen menos de cien veces la energía del centro de masa del LHC cuando chocan con un protón en reposo.

En teoría, la alta energía de algunas de las partículas cósmicas sería suficiente para crear supercompañeros de partículas SM (si existen y están en el rango de energía).

El problema que veo aquí es la detección. Principalmente buscamos la supersimetría comparando nuestras partículas creadas medidas con el modelo actual (modelo estándar). Si a nuestro modelo le falta alguna partícula, deberíamos ver discrepancias entre la medición y la predicción. Para estar seguros de tal discrepancia necesitamos muy buenas estadísticas, es decir, muchos eventos (Luminosidad).

Para los rayos cósmicos de alta energía no habría suficientes eventos (incluso en un detector grande) para buscar nuevas partículas. Nuestro modelo estándar actual encaja bastante bien.

El LHC opera a varios TeV. Mirando el gráfico a continuación, verá que en ese rango de energía solo hay alrededor de un evento de rayo cósmico de esa energía por metro cuadrado y hora.

Flujo de rayos cósmicos versus energía de partículas (de: wikipedia )