Рис. 1. Процесс рождения лептона (электрона или мюона), нейтрино и двух кварков в столкновении кварка и антикварка через промежуточное образование и распад двух электрослабых бозонов. Рис. с сайта www-cdf.fnal.gov
Недавно многие СМИ объявили, что Тэватрон открыл новую частицу. На самом деле утверждение физиков было намного менее громким, но даже этот скромный результат не вызвал у специалистов большого энтузиазма.
В начале апреля 2011 года (изм., Прим.-eiktyrnir) в архиве электронных препринтов появилась статья коллаборации CDF, работающей на американском протон-антипротонном коллайдере Тэватрон, в которой сообщалось об обнаружении очередного отклонения от стандартных теоретических предсказаний. Это отклонение было похоже на результат рождения и распада новой, неизвестной ранее частицы, и по многочисленным СМИ прошла волна новостей, сообщавших о сенсационном открытии Тэватрона.
За прошедшее время в архиве препринтов появилось с десяток теоретических статей, описывающих обнаруженный эффект с самых разных позиций. Иногда для объяснения привлекались и экзотические теории, но общее настроение многих из этих статей, а также комментариев специалистов в блогах можно выразить так: есть большая вероятность, что это артефакт обработки и интерпретации данных, поэтому для каких-либо серьезных заявлений нужны новые данные как с Тэватрона, так и с LHC. Ниже мы расскажем, что именно было обнаружено и какие интерпретации этого были предложены.
Что и как ищут физики на коллайдерах.
Получение новой информации о строении и свойствах элементарных частиц в экспериментах на коллайдерах — занятие очень сложное. Типичный коллайдерный эксперимент непрерывно в течение многих лет накапливает статистику столкновений, а затем несколько исследовательских групп кропотливо изучают эту статистику и пытаются обнаружить в ней проявления тех или иных частиц и взаимодействий. Популярный рассказ о том, как идут эксперименты на коллайдерах, см. в статье Анатомия одной новости (http://elementy.ru/lib/430431), или Как на самом деле физики изучают элементарные частицы, а также в конкретных новостях (http://elementy.ru/news/430415) на примере рождения одиночного топ-кварка, наблюдения подозрительного многомюонного сигнала, поиска отклонений от Стандартной модели при рождении топ–анти-топ пары и фотона и изучения «пропавшего» поперечного импульса (http://elementy.ru/news/430474) при рождении фотонов и лептонов.
Основная цель всех подобных исследований — обнаружить что-то, не вписывающееся в рамки основной на сегодня теории элементарных частиц, Стандартной модели. Эти поиски можно условно разделить на два класса. Во-первых, это прямой поиск новых частиц и разнообразных явлений, отсутствующих в Стандартной модели. Даже несколько надежно зарегистрированных событий такого сорта имели бы огромный эффект. Однако за исключением осцилляции нейтрино до сих пор подобные поиски давали отрицательные результаты. Во-вторых, это внимательное изучение процессов, которые существуют в Стандартной модели, с целью найти отклонения от ее предсказаний. Таких отклонений в последние годы было замечено довольно много, но все они до сих пор остаются не слишком убедительными.
Разное отношение физиков к результатам из этих двух групп объясняется вот чем. При поиске новых эффектов физики вынуждены разделять «сигнал» (то есть искомый процесс) и «фон» (совокупность всех остальных, уже изученных процессов, которые дают похожую картину в детекторе). Например, если вы ищете новую нестабильную частицу, которая рождается и тут же распадается на электрон-позитронную пару, вы должны научиться как-то отделять такие события от прямого рождения электрона и позитрона. В исследованиях первого типа «фон» обычно очень мал, а в исследованиях второго типа — очень велик. Для того чтобы во втором случае делать серьезные заявления, надо прекрасно понимать все фоновые процессы, досконально знать поведение детектора и уметь правильно «вычитать фон» из набранных данных. Даже небольшая недооценка или переоценка фоновых событий может привести к ошибочным выводам.
Что было обнаружено
После этого вступления перейдем к описанию того, что именно изучалось в недавней работе коллаборации CDF (http://arxiv.org/abs/1104.0699). Задачей исследования было измерить вероятность рождения двух электрослабых бозонов, то есть пары WW или WZ. Каждый из этих бозонов может распасться на кварки, и тогда на выходе детектор увидит адронные струи (http://elementy.ru/LHC/HEP/experiments). Однако такое многоструйное событие через промежуточное рождение и распад бозонов будет практически неотличимо от простого рождения и разлета кварков, которое происходит намного чаще. Поэтому физики решили изучить иной процесс — когда W-бозон распадается на электрон (или мюон) и нейтрино, а второй бозон, W или Z, распадается на кварк-антикварковую пару (см. рис. 1). Поэтому для анализа отбирались события вида eν (μν) + jj — электрон или мюон плюс нейтрино плюс две адронные струи.
В зависимости от того, как именно рождаются все эти частицы, они могут разлетаться относительно друг друга по-разному. Величиной, на которую обращали особое внимание физики, была так называемая инвариантная масса двух струй Mjj. Если две струи получаются из распада какой-то одной частицы с определенной массой, то Mjj должна получиться примерно равной этому значению. Если же струи рождаются независимо за счет каких-то фоновых процессов, то Mjj может принимать значения в широком диапазоне.
В принципе, этот процесс изучался уже давно. Первые результаты появились три года назад (http://www-cdf.fnal.gov/physics/ewk/2008/wwwz/). Год назад была накоплена уже достаточная статистика, и коллаборация CDF опубликовала первые положительные результаты (http://prl.aps.org/abstract/PRL/v104/i10/e101801) этого анализа (см. онлайн-версию этой статьи - http://www-cdf.fnal.gov/physics/ewk/2010/WW_WZ/index.html). Тогда физики ограничились лишь заявлением о наблюдении рождения WW- и WZ-пар, но не изучали величину Mjj во всех деталях. Сейчас же именно этой величине было уделено пристальное внимание.
Рис. 2. Распределение событий по инвариантной массе двух струй. Изображение из обсуждаемой статьи
На рис. 2 показан ключевой график, приведенный в статье: распределение по Mjj в области от 0 до 300 ГэВ. Точками показаны экспериментальные данные со своими погрешностями, разными цветами показаны вклады тех или иных процессов при численном моделировании этого же процесса. Красным цветом показан вклад искомого процесса: рождение WW или WZ. Однако этот сигнал небольшой; главным является фоновый процесс рождения одного W-бозона и независимое от него рождение двух струй за счет обычного сильного взаимодействия (показан зеленым цветом). Заметную часть в распределение дает также другой фоновый процесс — рождение одиночного топ-кварка, который, распадаясь на W-бозон и легкий кварк, тоже приводит к искомому конечному набору частиц.
Если Стандартная модель работает правильно, то разноцветная гистограмма (то есть сумма всех учтенных процессов) должна примерно соответствовать точкам в пределах погрешностей; если же точки систематически отходят от результатов моделирования, есть повод заподозрить какой-то нестандартный процесс. На графике можно заметить, что гистограмма плохо описывает данные на «склоне» распределения, в области масс 150 ГэВ. Для того чтобы изучить эту подозрительную область, экспериментаторы вычли из реальных данных фоновые процессы, предсказанные численным моделированием. Результат этого вычитания приведен на рис. 3.
Рис. 3. Распределение событий по инвариантной массе, из которого вычтены фоновые процессы. Красной гистограммой показан ожидаемый сигнал (то есть рождение WW- и WZ-пар), штриховкой — его погрешность. Изображение из обсуждаемой статьи
Как и ожидалось, остаток после вычитания фоновых процессов имеет форму пика при массе около 80 ГэВ. Это как раз совпадает с массой W-бозона; это подтверждает, что в эксперименте действительно «видно» рождение WW пар. Однако в данных есть еще одна особенность — невысокий и широкий пик в области масс 130–160 ГэВ, и вот он моделированием никак не описывается. Это возвышение выглядит так, словно в дополнение ко всем учтенным процессам изредка происходит также процесс рождения W-бозона в паре с какой-то новой частицей с массой около 150 ГэВ, которая распадается на легкие кварки. Именно эта похожесть и стала причиной сенсационных заголовков в СМИ.
Какая это могла бы быть частица
Стоит вначале сказать пару слов про то, что это могла бы быть за частица — если, конечно, предположить, что именно она вызывает обнаруженный эффект.
Прежде всего, несмотря на «подходящую» массу, это не хиггсовский бозон. Дело в том, что бозон Хиггса имеет совершенно четкие предпочтения в распаде: он преимущественно распадается на тяжелые частицы. Поэтому его распад на легкие кварк-антикварковые пары очень маловероятен, и он даже близко не может объяснить найденный эффект. Если же предположить, что в силу каких-то причин хиггсовский бозон рождается чаще, чем ожидалось теоретиками, то он тогда должен был бы проявиться и в других процессах, но, как показывают данные, его там нет.
Рис. 4. Рождение W-бозона вместе с гипотетической частицей Z' в кварк-антикварковом столкновении. Изображение из статьи arXiv:1103.6035
Более жизнеспособная идея — что это гипотетический бозон — переносчик какого-то нового взаимодействия, условно обозначаемый Z'. В принципе, физики искали и не находили такие бозоны на электрон-позитронном коллайдере LEP. Но если предположить, что этот бозон в силу устройства нового взаимодействия «цепляется» к электронам намного слабее, чем к кваркам, то это ограничение удается обойти. Такой бозон с массой 150 ГэВ может легко родиться в паре с W-бозоном (см. рис. 4) и привести к тому же самому конечному набору частиц.
Тут дополнительную интригу создает еще одна «аномалия», зарегистрированная не так давно той же коллаборацией CDF, — неожиданно сильная асимметрия между направлениями вылета топ-кварка и его античастицы при их парном рождении. Одно из самых простых объяснений того эффекта тоже заключается в предположении о существовании нового бозона Z'. Как показал анализ, выполненный в недавнем препринте arXiv:1103.6035, эта гипотеза может одновременно объяснить сразу обе эти находки CDF. Интересно заметить, что существование подобной частицы в рамках некоторых моделей влечет за собой и существование частиц темной материи с похожими массами (см. подробности в другой недавней статье, arXiv:1104.3145).
За последние дни появились также статьи, в которых результат CDF объясняется и в рамках иных моделей: тройкой новых частиц, суперсимметричными частицами, с помощью модели техницвета и даже струнными моделями. Такая прыть теоретиков вполне ожидаема, но подробное обсуждение этих вариантов пока преждевременно.
С небес на землю
Физики в целом достаточно консервативны, и они не будут всерьез обсуждать экзотические модели, пока не убедятся, что какой-то эффект нельзя списать на обычные причины: неучтенные погрешности, плохое моделирование и т. п. В данном случае таких причин может быть сразу несколько.
Тут полезно еще раз посмотреть на процедуру получения графика на рис. 3. Во-первых, новый эффект виден как очень небольшое возвышение над сильным фоном — то, что мы назвали выше «вторым способом» поиска новых явлений. Во-вторых, заметьте, что вывод о наблюдении чего-то необычного следует не из самих по себе данных, а из сравнения данных с численным моделированием. Это сразу открывает возможность того, что обнаруженное отклонение есть лишь артефакт каких-то неучтенных эффектов или недостаточно хорошего моделирования фона.
В блоге Томмасо Дориго в качестве одного такого эффекта подробно обсуждалась (http://www.science20.com/quantum_diaries_survivor/blog/jet_energy_scale_explanation_cdf_signal-77886) погрешность в определении энергии адронных струй. Дело в том, что отложенная на графике величина Mjj не измеряется непосредственно, а вычисляется после анализа всех частиц, входящих в данную струю. Конечно, коллаборация уже давно «натренировалась» выжимать максимальную информацию из данных и определять эту величину как можно точнее, но всё равно в ней остаются погрешности на уровне 1–2%. Может ли оказаться так, что наблюдаемый эффект есть лишь артефакт неправильного измерения энергии струй? В принципе, да. Как показано на анимированном графике (http://cmsdoc.cern.ch/~ttf/CDFDiJetScale/AnimatedDijet.gif), при изменении энергии струй всего на 3% подозрительный пик практически исчезает!
Стоит, кстати, сказать, что другой подобный процесс — рождение двух струй вместе с Z-бозоном, — никакого отличия от Стандартной модели не показывает. Поэтому, если действительно пытаться описать обнаруженный эффект через новую частицу, придется объяснять, почему она предпочитает рождаться вместе с W-, а не с Z-бозоном.
Авторы еще одной короткой статьи (http://arxiv.org/abs/1104.3790), появившейся на днях, замечают, что нечто похожее коллаборация CDF уже наблюдала в другом процессе — рождении одиночного топ-кварка. Там тоже наблюдается некое превышение данных над теоретическими ожиданиями. Авторы показывают, что если численное моделирование подстроить так, чтобы оно хорошо описывало те данные, то автоматически пропадает и новый эффект. Само по себе это, конечно, еще не объясняет происхождение эффекта, но по крайней мере заставляет думать, что два отклонения, замеченных CDF, могут быть связаны друг с другом.
В заключение полезно взглянуть на это и подобные отклонения с высоты птичьего полета. Стандартная модель очень хорошо, даже слишком хорошо описывала многочисленные данные последних десятилетий. Это несколько озадачивает физиков — ведь эта модель не может быть окончательной, она рано или поздно должна нарушаться, но серьезных нарушений пока не видно. Однако за последние годы пошел поток пусть не открытий, но намеков на такие нарушения. Каждый из них неубедителен, так что, условно говоря, Нобелевскую премию давать пока некому. Практически каждое отдельное отклонение можно списать на какие-то неучтенные погрешности или артефакты обработки данных. Но с другой стороны, вся совокупность отклонений внушает осторожный оптимизм, что, может быть, именно таким образом современная физика начинает чувствовать некий новый пласт реальности, физику за пределами Стандартной модели. Если это так, можно надеяться на гораздо более впечатляющие успехи через год-два работы Большого адронного коллайдера.
Источник: CDF Collaboration. Invariant Mass Distribution of Jet Pairs Produced in Association with a W boson in ppbar Collisions at sqrt(s) = 1.96 TeV // препринт arXiv:1104.0699 [hep-ex] (4 April 2011). http://arxiv.org/abs/1104.0699
См. также:
1) Is That A New Massive Particle? Is That Some Kind Of Higgs? — подробное сообщение в блоге Томмасо Дориго.
http://www.science20.com/quantum_diaries_survivor/new_massive_particle_some_kind_higgs-77857
2) A Discovery At the Tevatron! — Maybe — сообщение в блоге Collider Blog.
http://muon.wordpress.com/2011/04/06/a-discovery-at-the-tevatron-maybe/
3) Z’ boson and phenomenology af a peak — сообщение в блоге Ula-Ula man's island.
http://ulaulaman.tumblr.com/post/4418221880/z-boson-and-phenomenology-af-a-peak
© http://elementy.ru/news/431559 Игорь Иванов
Немного об авторе данной статьи на elementy.ru
http://igorivanov.blogspot.com/p/blog-page.html