MoneyMan

CMS видит небольшое отклонение от Стандартной модели в двухфотонном канале при 95 ГэВ

Рис. 1. Вверху: распределение событий с рождением двух фотонов большой энергии по их инвариантной массе в данных CMS 2016 года. Бугорок при 90 ГэВ показывает, с десятикратным усилением, как выглядел бы вклад от стандартного бозона Хиггса такой массы. Внизу: те же данные за вычетом плавного фона. График из обсуждаемой статьи

Коллаборация CMS завершила длившийся более года поиск новых бозонов Хиггса, распадающихся на два фотона. Её статья подтверждает предварительные данные прошлого года. В частности, при энергии около 95 ГэВ по-прежнему заметно отклонение от Стандартной модели. Любопытно, что именно в этой области еще 15 лет назад коллайдер LEP тоже увидел слабый намек на отклонение. Такое совпадение не оставляет теоретиков равнодушными; они уже обсуждают, какие варианты Новой физики способны вместить в себя оба отклонения.

Нет никаких сомнений, что в мире элементарных частиц должны существовать явления, не вписывающиеся в Стандартную модель. Поиск таких явлений, которые собирательно называются «Новая физика», — это главная задача Большого адронного коллайдера. Многие физики надеются, что первыми ласточками Новой физики станет «хиггсовский» сектор микромира. В 2012 году коллаборации CMS и ATLAS открыли долгожданный бозон Хиггса и тем самым запустили длительную программу по изучению всех его свойств. Пока что все измеренные свойства этой частицы вполне согласуются с ожиданиями Стандартной модели. Однако может оказаться, что хиггсовский сектор намного богаче и что в нашем мире существуют дополнительные бозоны Хиггса, только по каким-то причинам они пока избежали детектирования.

Никаких чудес или искусственных предположений тут нет. Во многих теориях с расширенным хиггсовским сектором само собой получается так, что один бозон Хиггса — стандартный и потому виден хорошо, а зато остальные — наоборот, очень неохотно взаимодействуют с обычными частицами и потому их трудно опознать в эксперименте. Тем не менее, экспериментаторы ведут интенсивный поиск новых бозонов Хиггса, причем как тяжелее, так и легче знакомого нам хиггсовского бозона с массой 125 ГэВ.

В конце ноября в препринте arXiv:1811.08459 коллаборация CMS обнародовала результаты очередного поиска дополнительных бозонов Хиггса в данных Run 1 и в первой части Run 2 (данные за 2016 год, интегральная светимость 36 fb−1). Физики искали новые бозоны с массой от 70 до 110 ГэВ, распадающиеся на два фотона. Хотя вероятность распада новой частицы на два фотона может быть небольшой, двухфотонный канал удобен для изучения, и потому есть шанс увидеть в нем новую частицу. Напомним, что бозон Хиггса с массой 125 ГэВ как раз и был открыт в двухфотонном и 4-лептонном каналах распада.

На рис. 1 показано количество отобранных событий из статистики 2016 года в зависимости от инвариантной массы двух фотонов. Таких событий оказалось много — сотни тысяч. Стандартная модель предсказывает, что они и должны происходить довольно часто за счет обычного процесса независимого излучения фотонов в жестком протонном столкновении. Их распределение по инвариантной массе должно иметь вид достаточно плавной, но быстро спадающей функции, что и подтверждается полученными данными. Новые частицы, если они присутствуют в этом диапазоне масс и способны распадаться на два фотона, будут проявляться в виде всплесков на этом плавном графике. Для того, чтобы такие отклонения можно было рассмотреть, на том же рис. 1, внизу, показано отличие данных от общей плавной кривой. Среди статистических флуктуаций на нем хорошо заметно подозрительное отклонение вверх сразу нескольких экспериментальных точек в окрестности 95 ГэВ. Это могло, конечно, получиться и случайно, однако оптимистично настроенные теоретики могут увидеть тут первое проявление новой частицы, может быть даже нового бозона Хиггса.

Следует подчеркнуть, что коллаборация CMS никаких громких заявлений не делала. Все же это отклонение, каким бы красивым оно не выглядело для теоретика, обладает слишком малой статистической значимостью, чтобы классифицировать его даже как указание на существование новой частицы. Вдобавок к этому, плавная фоновая кривая, о которой шла речь выше, вовсе не зафиксирована теоретически, а строится на основе тех же данных. В зависимости от того, какую функцию выбрать для этой плавной кривой, отклонение получается разное (пометка Class 1 на рис. 1 как раз отсылает к форме кривой). С другой стороны, примерное такое же отклонение поблизости от 95 ГэВ видно и в данных Run 1, правда более слабое.

Общий анализ CMS показал, что локальная статистическая значимость отклонения составила 2,8σ. Это особенно отчетливо видно на рис. 2, где показано ограничение сверху на сечение рождения и двухфотонного распада новой гипотетической частицы.

CMS видит небольшое отклонение от Стандартной модели в двухфотонном канале при 95 ГэВ

Рис. 2. Результаты поиска новых бозонов, выраженные в виде ограничения сверху на сечение рождения новой гипотетической частицы. Описание кривых и цветных полос см. в тексте. Пик при 91 ГэВ — проявление Z-бозона. Сплошная линия наискосок с розовой штриховкой — вклад, который дал бы стандартный бозон Хиггса, если бы его масса была не 125 ГэВ, а лежала бы в диапазоне от 70 до 110 ГэВ. График из обсуждаемой статьи

Напомним, как «читать» этот график. Когда экспериментаторы ищут новые частицы, но не видят их проявлений, они устанавливают ограничение сверху на вероятность их появления в изучаемом процессе (в данном случае — в процессе рождения двух фотонов). Это ограничение сверху показано черной линией. Кроме этого, экспериментаторы проводят численное моделирование процесса и оценивают, каким должно было получиться это ограничение в рамках чистой Стандартной модели, без каких-либо новых частиц. Оно показано пунктиром. Конечно, на это накладываются статистические флуктуации: ведь в реальном эксперименте число событий может слегка отличаться от ожидаемого. Поэтому небольшой отклонение — это еще не повод для повышенного внимания. Зеленая и желтая полосы показывают ту область на графике, через которую может проходить кривая в реальном эксперименте просто так, за счет флуктуаций. Почти везде на графике так и происходит — за исключением области в районе 95 ГэВ. Там черная кривая вылезает далеко за пределы цветной полосы. Это означает, что данные в этой области не позволяют экспериментатором установить то ограничение сверху, которое они надеялись установить: данные противятся этому. Так бывает, когда в данных есть «лишние» события, которые Стандартная модель не учитывает. Именно с такого «выползания графика» и начинается открытие новых частиц.

Опыт научил физиков очень критично относиться к такого рода отклонениям, особенно в том случае, когда заранее неизвестно, где может находиться новая частица. Поэтому для более взвешенной оценки следует смотреть не на локальную, а на глобальную статистическую значимость. Она в этом случае составляет совсем уж скромные 1,3σ, но экспериментаторы посчитали нужным упомянуть это в своей работе.

И тут в дело вступает… LEP, предыдущий флагманский коллайдер ЦЕРНа. На рубеже веков он совершил финишный рывок и попробовал найти бозон Хиггса на максимальной доступной тогда энергии. Рывок, увы, не увенчался успехом, и в 2003 году все четыре эксперимента LEP опубликовали совместную статью-наследие Search for the Standard Model Higgs Boson at LEP с результатами этой «охоты за бозоном». Среди прочего, там есть и любопытный график, приведенный на рис. 3. Здесь показано такое же ограничение сверху на рождение бозона Хиггса и его распад на b-анти-b пару, отнормированное на предсказание Стандартной модели. Вся область масс, где эта кривая опускается ниже единицы (вплоть до 115 ГэВ), — это «закрытая» область, там бозона Хиггса нет. Как мы сейчас знаем, это и не удивительно, ведь наш «родной» бозон находится при массе 125 ГэВ.

CMS видит небольшое отклонение от Стандартной модели в двухфотонном канале при 95 ГэВ

Рис. 3. Ограничение сверху на сечение рождения бозона Хиггса с последующим распадом на b-анти-b пару по сравнению с предсказаниями Стандартной модели. Этот график традиционно интерпретируется как доказательство того, стандартный бозон Хиггса должен быть тяжелее 114 ГэВ. Однако если его воспринимать как ограничение на дополнительные бозоны Хиггса, то в области 95 ГэВ можно заметить любопытное отклонение. График из статьи G. Abbiendi et al., 2003. Search for the Standard Model Higgs Boson at LEP

Однако этот же график можно прочитать и иначе — как ограничение на дополнительные бозоны Хиггса, которым вовсе не требуется соответствовать рубежу Стандартной модели. И вот здесь область вблизи 95 ГэВ тоже выделяется из общего фона. Тут тоже есть отличие — пусть слабое и само по себе статистически не значимое, из-за чего на него особого внимания до недавних пор и не обращали. Однако когда коллаборация CMS начала видеть что-то подобное в данных Run 1, хоть и в другом канале распада, а затем, еще в 2017 году, подтвердила намеки в первых данных Run 2, совпадение не могло остаться незамеченным.

Первые статьи теоретиков появились еще в конце 2017 года (см., например, статьи arXiv:1710.01743, arXiv:1710.04663, arXiv:1710.07649), и в них делалась попытка понять, в какие варианты хиггсовского механизма вписывается обнаруженная пара отклонений. Если предположить, что новая частица с массой около 95 ГэВ реально существует, то из данных LEP получается, что интенсивность сигнала в b-анти-b канале составляет примерно 10% от стандартного бозона Хиггса. Для двухфотонного отклонения, замеченного CMS, интенсивность сигнала повыше, около половины от того, что дал бы стандартный бозон Хиггса. В других каналах распада отклонений замечено не было. Поэтому, когда теоретики строят модели, они должны учесть все эти ограничения. В частности, в минимальную суперсимметричную модель (MSSM) это отклонение вместить не удается, однако более сложные версии суперсимметричных теорий с этим вполне справляются (см. статьи arXiv:1712.07475, arXiv:1807.06322).

Сейчас ситуация эволюционирует, но довольно медленно. Нынешняя статья коллаборации CMS уже никого не застигла врасплох. Она всего лишь подтвердила предварительные данные, о которых коллаборация уже сообщала ранее. Интересно, что другая коллаборация, ATLAS, тоже выполнила такой поиск в области масс от 65 до 110 ГэВ, но никаких отклонений, заслуживающих упоминания, она не нашла (см. предварительную публикацию ATLAS-CONF-2018-025 за июль 2018 года). Впрочем, полученное там ограничение сверху оказалось чуть хуже, чем у CMS. Так что в результате два набора данных пока не противоречат друг другу, что было наглядно продемонстрировано в недавнем докладе S. Heinemeyer, T. Stefaniak, A Higgs Boson at 96 GeV?!, появившемся в архиве препринтов на прошлой неделе.

Надо сказать, что, обжегшись на несостоявшихся открытиях прошлых лет, теоретики сейчас относятся к таким отклонениям довольно осторожно. Поэтому теоретические публикации с их обсуждениями идут, но ажиотажа не наблюдается. Однако ситуация кардинально изменится, если это отклонение подтвердится в полной статистике сеанса Run 2. Впрочем, эти данные будут обработаны еще нескоро. Пока что эта ситуация может считаться еще одним аргументом в пользу того, что нам нужен новый, гораздо более прозорливый электрон-позитронный коллайдер.

Источник: elementy.ru

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here

12 + 6 =