ATLAS и CMS расширили область масс, доступную для поиска новых частиц
06.03.2018 12:34
Распределение событий по инвариантной массе адронной струи от 50 до 300 ГэВ

Рис. 1. Распределение событий по инвариантной массе адронной струи от 50 до 300 ГэВ в событиях с большим поперечным импульсом: 500–600 ГэВ (слева) и 900–1000 ГэВ (справа). Изображение из обсуждаемой статьи

Поиск на адронном коллайдере новых гипотетических частиц, распадающихся на адроны, — задача исключительно трудоемкая. Адроны и так массово рождаются в каждом протонном столкновении, как за счет обычных столкновений кварков и глюонов, так и за счет рождения и последующего распада известных тяжелых частиц, например, W- и Z-бозонов. Заметить среди десятков и даже сотен родившихся адронов те самые частицы, которые свидетельствуют о новой частице, — практически нереально. Более того, если событие многоадронного рождения в целом не выделяется ничем особенным, то его вообще забракуют прямо на лету, без записи на носители.

Для того, чтобы алгоритмы первичного анализа на лету решили, что событие следует сохранить, в нем должно быть хоть что-то интересное. Это может быть большой поперечный импульс, большие энергии частиц, рождение лептонов или фотонов большой энергии или что-то иное. По этой причине чисто адронные события становятся по-настоящему интересны, только когда суммарная энергия рожденных адронов становится порядка 1 ТэВ. И если физики рапортуют о поиске новых частиц, распадающихся на адроны, то они обычно приводят графики, начиная с инвариантных масс порядка 1 ТэВ (см. например прошлогоднюю новость Moriond 2017: в двухструйных событиях по-прежнему не видно отклонений). Между тем, новые частицы вполне могут быть легче этого инструментального ограничения. На что именно они распадаются — никто заранее предсказать не может, на то они и гипотетические. Если окажется, что они будут распадаться в основном на адроны, то выходит, что стандартная методика их не заметит. А значит, требуются новые подходы для поиска более легких частиц в чисто адронном канале распада.

В последние годы, по мере накопления данных и разработки алгоритмов анализа событий, экспериментаторы начали проникать в область ниже 1 ТэВ. Пару лет назад, например, коллаборация CMS опробовала новую методику «разведки данных», благодаря которой ей удалось спуститься по шкале масс гипотетических частиц до 500 ГэВ. Отклонений от моделирования на основе СМ не обнаружилось, что позволило установить ограничения сверху на вероятность рождения новых частиц. ATLAS смогла в 2015 году дойти даже до 350 ГэВ, правда ее ограничения оказались не слишком сильными.

В статье Search for low mass vector resonances decaying into quark-antiquark pairs in proton-proton collisions at sqrt(s) = 13 TeV, опубликованной недавно в журнале JHEP, коллаборация CMS прорвалась еще ниже по шкале масс. В своей работе она сообщает о поиске новых частиц с массами от 50 до 300 ГэВ, распадающихся на адроны. В эту область, между прочим, попадает и пара известных частиц — W- и Z-бозоны. Они были отлично видны на графиках, что позволило еще лучше настроить методику поиска.

Идея метода проста и широко известна. Из всех событий отбираются лишь те, в которых по крайней мере одна адронная струя вылетает с очень большим поперечным импульсом — не менее 500 ГэВ. Такие события могут получиться и за счет обычных процессов, но могут быть вызваны и рождением новых частиц. Тогда противоположная струя может скрывать в себе продукты адронного распада гипотетических частиц, пусть и не таких тяжелых. Чем больше поперечный импульс отдачи, тем реже это случается за счет обычных процессов, но, как следствие, тем заметнее здесь статистические флуктуации. Оценки показали, что искать новые всплески следует в области поперечных импульсов от 500 ГэВ до 1 ТэВ.

Коллаборация CMS выполнила этот поиск в данных 2016 года. На рис. 1 показаны, для примера, две области поперечных импульсов: 500–600 ГэВ и 900–1000 ГэВ. В обоих случаях приведена зависимость числа событий от инвариантной массы адронной струи. Обратите внимание, как резко уменьшается число событий с ростом поперечного импульса.

На обоих графиках виден четко выраженный широкий пик при 80–90 ГэВ. Это следы рождения и распада W- и Z-бозонов, с небольшим вкладом от топ-кварков. Если бы в природе существовала новая частица наподобие Z-бозона, но с массой, скажем, 135 ГэВ и определенной константой связи с кварками, то она тоже проявилась бы на этом графике (ее вклад показан малиновым цветом). Но совокупный анализ данных такую частицу не видит.

В результате поиска были установлены ограничения сверху на константу связи для гипотетических частиц с массами от 50 до 300 ГэВ (рис. 2), которые оказались заметно более жесткими, чем результаты более ранних исследований (сравните этот график с изображением в нашей новости 2016 года). Ради полноты следует добавить, что на этом графике видна небольшая аномалия в районе 115 ГэВ: черная кривая заметно вылезает за пределы цветных полос. Это означает, что данные как бы «сопротивляются» исключению частицы с такой массой. Или, если взглянуть на ситуацию под другим углом, что в этой области имеется всплеск, напоминающий резонанс. И его действительно можно углядеть на рис. 1, справа. Экспериментаторы честно оценили его статистическую значимость: 2,9σ (локальная) и 2,2σ (глобальная).

Рис. 2. Ограничения сверху на константу связи гипотетических Z\&\#39\;-бозонов с кварками для разных масс частицы

Рис. 2. Ограничения сверху на константу связи гипотетических Z'-бозонов с кварками для разных масс частицы. Сплошная черная кривая: результат новой работы, цветные полосы — результат, ожидаемый по результатам моделирования. Остальные кривые: результаты более ранних исследований. Изображение из обсуждаемой статьи

Года три назад такой всплеск мог бы вызвать нешуточный интерес у теоретиков. Но сейчас, наученные горьким опытом двухфотонной аномалии при 750 ГэВ и прочих статистических флуктуаций, теоретики с выводами решили не торопиться. К тому же, совсем недавно аналогичный анализ завершила коллаборация ATLAS (препринт arXiv:1801.08769) и ничего особенного при 115 ГэВ не нашла (впрочем, там тоже есть свой подозрительный всплеск, но уже при 150 ГэВ). В целом, можно констатировать, что экспериментаторы резко расширили интервал масс для охоты за новыми частицами, распадающимися на адроны. И пусть сейчас ничего не нашлось, впереди наш ждут куда большие массивы данных, в которых может скрываться что-то необычное.

Read Full Article