Нещодавно багато ЗМІ оголосили, що Теватрон відкрив нову частинку. Насправді твердження фізиків було набагато менш гучним, але навіть цей скромний результат не викликав у фахівців великого ентузіазму. Детектор «Теватрона» зареєстрував несподіваний ефект
Процес народження лептона (електрона або мюона), нейтрино й двох кварків при зіткненні кварка та антикварка через проміжне утворення і розпад двох електрослабких бозонів. Рис. із сайту
Два тижні тому в архіві електронних препринтів з’явилася колаборації CDF, що працює на американському протон-антипротонному колайдері Теватрон, у якій повідомлялося про виявлення чергового відхилення від стандартних теоретичних передбачень. Це відхилення нагадувало результат народження й розпаду нової, раніше невідомої частинки, і численними ЗМІ прокотилася хвиля новин про сенсаційне відкриття Теватрона.
За цей час в архіві препринтів з’явилося з десяток теоретичних статей, що описують виявлений ефект із найрізноманітніших позицій. Іноді для пояснення залучали й екзотичні теорії, але загальний настрій багатьох із цих статей, а також коментарів фахівців у блогах можна передати так: є велика ймовірність, що це артефакт обробки та інтерпретації даних, тому для будь-яких серйозних заяв потрібні нові дані як із Теватрона, так і з LHC. Нижче ми розповімо, що саме було виявлено та які інтерпретації цього запропонували.
Що і як шукають фізики на колайдерах
Отримання нової інформації про будову та властивості елементарних частинок в експериментах на колайдерах — дуже складна справа. Типовий колайдерний експеримент безперервно протягом багатьох років накопичує статистику зіткнень, а потім кілька дослідницьких груп ретельно вивчають її та намагаються виявити в ній прояви тих чи інших частинок і взаємодій. Популярну розповідь про перебіг експериментів на колайдерах див. у статті .
Основна мета всіх таких досліджень — виявити щось, що не вписується в межі головної на сьогодні теорії елементарних частинок — Стандартної моделі. Ці пошуки можна умовно поділити на два класи. По-перше, це прямий пошук нових частинок і різноманітних явищ, відсутніх у Стандартній моделі. Навіть кілька надійно зареєстрованих подій такого типу мали б величезний ефект. Однак, за винятком осциляцій нейтрино, досі такі пошуки давали негативні результати. По-друге, це уважне вивчення процесів, що існують у Стандартній моделі, з метою знайти відхилення від її передбачень. Таких відхилень останніми роками помітили досить багато, але всі вони досі залишаються не надто переконливими.
Різне ставлення фізиків до результатів із цих двох груп пояснюється ось чим. Під час пошуку нових ефектів фізики змушені розділяти «сигнал» (тобто шуканий процес) і «фон» (сукупність усіх інших, уже вивчених процесів, що дають подібну картину в детекторі). Наприклад, якщо ви шукаєте нову нестабільну частинку, яка народжується й одразу розпадається на електрон-позитронну пару, ви маєте навчитися якось відокремлювати такі події від прямого народження електрона та позитрона. У дослідженнях першого типу «фон» зазвичай дуже малий, а в дослідженнях другого — дуже великий. Щоб у другому випадку робити серйозні заяви, треба чудово розуміти всі фонові процеси, досконало знати поведінку детектора й уміти правильно «віднімати фон» від зібраних даних. Навіть невелика недооцінка чи переоцінка фонових подій може призвести до помилкових висновків.
Що було виявлено
Зрідка відбувається особливо жорсткий процес, під час якого партони, що зіткнулися, отримують сильний поперечний удар. Ці партони вилітають із великим поперечним імпульсом, і наслідки адронізації в цьому випадку виглядають так:
Іноді відбувається жорстке зіткнення, і тоді крім стандартного адронного фону вилітають вузькі потоки високоенергетичних адронів — адронні струмені. (Рис. І. Іванова)
Народжені адрони групуються як уздовж осі зіткнення, так і навколо напрямку вильоту жорсткого партона. Потік адронів, що вилітають приблизно в одному напрямку, називають адронним струменем.Після цього вступу перейдемо до опису того, що саме вивчали в колаборації CDF. Завданням дослідження було виміряти ймовірність народження двох електрослабких бозонів, тобто пари WW або WZ. Кожен із цих бозонів може розпастися на кварки, і тоді на виході детектор побачить адронні струмені (див. врізку ліворуч). Однак така багатоструменева подія через проміжне народження й розпад бозонів буде практично невідрізненною від простого народження та розльоту кварків, що відбувається набагато частіше. Тому фізики вирішили вивчити інший процес — коли W-бозон розпадається на електрон (або мюон) і нейтрино, а другий бозон, W або Z, розпадається на кварк-антикваркову пару (див. рис. 1). Тому для аналізу відбирали події виду e? (??) + jj [позначення частинок в оригіналі пошкоджені] — електрон або мюон плюс нейтрино плюс два адронні струмені.
Залежно від того, як саме народжуються всі ці частинки, вони можуть по-різному розлітатися одна відносно одної. Величиною, на яку фізики звертали особливу увагу, була так звана інваріантна маса двох струменів Mjj. Якщо два струмені утворюються внаслідок розпаду однієї частинки з певною масою, то Mjj має бути приблизно рівною цьому значенню. Якщо ж струмені народжуються незалежно завдяки певним фоновим процесам, то Mjj може набувати значень у широкому діапазоні.
У принципі, цей процес вивчають уже давно. Перші результати . Рік тому вже було накопичено достатню статистику, і колаборація CDF перші позитивні результати цього аналізу (див. ). Тоді фізики обмежилися лише заявою про спостереження народження WW- і WZ-пар, але не вивчали величину Mjj в усіх подробицях. Тепер же саме цій величині приділили пильну увагу.
Рис. 2. Розподіл подій за інваріантною масою двох струменів. Зображення з обговорюваної статті
На рис. 2 показано ключовий графік зі статті: розподіл за Mjj в області від 0 до 300 ГеВ. Точками показані експериментальні дані з їхніми похибками, різними кольорами — внески тих чи інших процесів при чисельному моделюванні того самого процесу. Червоним кольором показано внесок шуканого процесу: народження WW або WZ. Однак цей сигнал невеликий; основним є фоновий процес народження одного W-бозона й незалежне від нього народження двох струменів унаслідок звичайної сильної взаємодії (показаний зеленим кольором). Помітний внесок у розподіл дає також інший фоновий процес — народження одиночного топ-кварка, який, розпадаючись на W-бозон і легкий кварк, також приводить до шуканого кінцевого набору частинок.
Якщо Стандартна модель працює правильно, різноколірна гістограма (тобто сума всіх урахованих процесів) має приблизно відповідати точкам у межах похибок; якщо ж точки систематично відхиляються від результатів моделювання, є підстави запідозрити певний нестандартний процес. На графіку можна помітити, що гістограма погано описує дані на «схилі» розподілу, в області мас 150 ГеВ. Щоб дослідити цю підозрілу область, експериментатори відняли від реальних даних фонові процеси, передбачені чисельним моделюванням. Результат цього віднімання наведено на рис. 3.
Рис. 3. Розподіл подій за інваріантною масою, з якого віднято фонові процеси. Червоною гістограмою показано очікуваний сигнал (тобто народження WW- і WZ-пар), штрихуванням — його похибку. Зображення з обговорюваної статті
Як і очікувалося, залишок після віднімання фонових процесів має форму піка за маси близько 80 ГеВ. Це саме збігається з масою W-бозона й підтверджує, що в експерименті справді «видно» народження WW-пар. Однак у даних є ще одна особливість — невисокий і широкий пік в області мас 130-160 ГеВ, який моделювання ніяк не описує. Це підвищення виглядає так, ніби на додачу до всіх урахованих процесів зрідка відбувається також народження W-бозона в парі з якоюсь новою частинкою масою близько 150 ГеВ, яка розпадається на легкі кварки. Саме ця подібність і стала причиною сенсаційних заголовків у ЗМІ.
Якою могла б бути ця частинка
Спершу варто сказати кілька слів про те, що це могла б бути за частинка — якщо, звісно, припустити, що саме вона спричиняє виявлений ефект.
Насамперед, попри «відповідну» масу, це не бозон Гіґґса. Річ у тім, що бозон Гіґґса має цілком чіткі вподобання в розпаді: він переважно розпадається на важкі частинки. Тому його розпад на легкі кварк-антикваркові пари дуже малоймовірний, і він навіть близько не може пояснити виявлений ефект. Якщо ж припустити, що з якихось причин бозон Гіґґса народжується частіше, ніж очікували теоретики, то він мав би проявитися й в інших процесах, але, як показують дані, його там немає.
Рис. 4. Народження W-бозона разом із гіпотетичною частинкою Z' у кварк-антикварковому зіткненні. Зображення зі статті
Життєздатніша ідея — що це гіпотетичний бозон, переносник якоїсь нової взаємодії, який умовно позначають Z'. У принципі, фізики шукали й не знаходили такі бозони на електрон-позитронному колайдері LEP. Але якщо припустити, що через особливості нової взаємодії цей бозон «чіпляється» до електронів набагато слабше, ніж до кварків, то це обмеження вдається обійти. Такий бозон із масою 150 ГеВ може легко народитися в парі з W-бозоном (див. рис. 4) і привести до того самого кінцевого набору частинок.
Тут додаткову інтригу створює , зареєстрована не так давно тією самою колаборацією CDF, — несподівано сильна асиметрія між напрямками вильоту топ-кварка та його античастинки при їхньому парному народженні. Одне з найпростіших пояснень того ефекту також полягає в припущенні про існування нового бозона Z'. Як показав аналіз, виконаний у нещодавньому препринті , ця гіпотеза може одночасно пояснити обидві ці знахідки CDF. Цікаво, що існування подібної частинки в межах деяких моделей тягне за собою й існування частинок темної матерії зі схожими масами (див. подробиці в іншій нещодавній статті, ).
Останніми днями з’явилися також статті, у яких результат CDF пояснюють у межах інших моделей: , , за допомогою і навіть . Така спритність теоретиків цілком очікувана, але докладне обговорення цих варіантів поки що передчасне.
З небес на землю
Фізики загалом досить консервативні, і вони не обговорюватимуть серйозно екзотичні моделі, доки не переконаються, що певний ефект не можна пояснити звичайними причинами: неврахованими похибками, поганим моделюванням тощо. У цьому випадку таких причин може бути одразу кілька.
Тут корисно ще раз поглянути на процедуру отримання графіка на рис. 3. По-перше, новий ефект видно як дуже невелике підвищення над сильним фоном — те, що вище ми назвали «другим способом» пошуку нових явищ. По-друге, зауважте, що висновок про спостереження чогось незвичайного випливає не з самих даних, а з їхнього порівняння з чисельним моделюванням. Це відразу відкриває можливість того, що виявлене відхилення — лише артефакт якихось неврахованих ефектів або недостатньо доброго моделювання фону.
У блозі Томмазо Доріґо як один із таких ефектів похибку визначення енергії адронних струменів. Річ у тім, що відкладена на графіку величина Mjj не вимірюється безпосередньо, а обчислюється після аналізу всіх частинок, що входять до цього струменя. Звісно, колаборація вже давно «натренувалася» витискати максимум інформації з даних і визначати цю величину якомога точніше, але все одно в ній залишаються похибки на рівні 1-2%. Чи може виявитися, що спостережуваний ефект — лише артефакт неправильного вимірювання енергії струменів? У принципі, так. Як показано на , при зміні енергії струменів лише на 3% підозрілий пік практично зникає!
До речі, варто сказати, що інший подібний процес — народження двох струменів разом із Z-бозоном — не показує жодної відмінності від Стандартної моделі. Тому, якщо справді намагатися описати виявлений ефект через нову частинку, доведеться пояснити, чому вона воліє народжуватися разом із W-, а не із Z-бозоном.
Автори ще однієї , що з’явилася днями, зауважують: дещо подібне колаборація CDF уже спостерігала в іншому процесі — народженні одиночного топ-кварка. Там також є певне перевищення даних над теоретичними очікуваннями. Автори показують, що якщо чисельне моделювання підлаштувати так, щоб воно добре описувало ті дані, то автоматично зникає й новий ефект. Саме собою це, звісно, ще не пояснює походження ефекту, але принаймні змушує думати, що два відхилення, помічені CDF, можуть бути пов’язані між собою.
На завершення корисно поглянути на це й подібні відхилення з висоти пташиного польоту. Стандартна модель дуже добре, навіть надто добре описувала численні дані останніх десятиліть. Це дещо спантеличує фізиків — адже ця модель не може бути остаточною, рано чи пізно вона має порушуватися, але серйозних порушень поки що не видно. Проте останніми роками з’явився потік якщо не відкриттів, то натяків на такі порушення. Кожен із них непереконливий, тож, умовно кажучи, Нобелівську премію поки що давати нікому. Практично кожне окреме відхилення можна пояснити якимись неврахованими похибками чи артефактами обробки даних. Але, з іншого боку, вся сукупність відхилень вселяє обережний оптимізм: можливо, саме так сучасна фізика починає відчувати певний новий пласт реальності — фізику за межами Стандартної моделі. Якщо це так, можна сподіватися на набагато разючіші успіхи через рік-два роботи Великого адронного колайдера.
Джерело: CDF Collaboration. // препринт arXiv:1104.0699 [hep-ex] (4 April 2011).
Див. також:
1) — докладне повідомлення в блозі Томмазо Доріґо.
2) — повідомлення в блозі Collider Blog.
3) — повідомлення в блозі Ula-Ula man's island.
Лише зареєстровані користувачі можуть залишати коментарі. Увійдіть або зареєструйтеся.
Коментарі (5):