23 марта 2016
В физике элементарных частиц назревает самое громкое открытие за последние 30 лет. Либо — самое сильное разочарование. В декабре прошлого года в данных Большого адронного коллайдера обнаружились намеки на загадочный двухфотонный всплеск при массе 750 ГэВ. На прошедшей недавно конференции Moriond 2016 экспериментальные группы представили обновленный анализ тех же данных плюс подняли данные прошлого сеанса работы. Всплеск не только остался, но и окреп.
Главной задачей физики элементарных частиц является сейчас достоверное обнаружение Новой физики, то есть хоть каких-то эффектов, выходящих за рамки Стандартной модели. В микромире существует новый пласт реальности, более глубокий, чем картина мира, предлагаемая Стандартной моделью, — это совершенно точно. Однако при каких энергиях он физикам встретится и каким он будет — неизвестно. За последние десятилетия были выполнены тысячи измерений свойств элементарных частиц, но все они либо согласовывались со Стандартной моделью, либо выглядели недостаточно убедительными отклонениями.
Важность этой задачи для фундаментальной физики трудно переоценить. Да, в последние годы уже были громкие открытия: хиггсовский бозон, астрофизические нейтрино,гравитационные волны. Но это всё — завершившиеся хэппи-эндом поиски чего-то ожидаемого, теоретически предсказанного. Если же что-то откроют тут, это будет нечто по-настоящему новое, что-то такое, на что нет однозначных теоретических указаний. Без преувеличения, нам откроется совершенно новая грань микроскопического устройства Вселенной.
На поиск Новой физики нацелен и Большой адронный коллайдер. Однако, несмотря на множество результатов и постепенно растущий список подозрительных отклонений, никакого железобетонного указания на Новую физику до сих пор получено не было.
В прошлом году завершилась модернизация коллайдера, и он набрал первую, скромную пока порцию данных на полной энергии столкновений 13 ТэВ. 15 декабря прошлого года на специальном семинаре в ЦЕРНе две основные коллаборации Большого адронного коллайдера, CMS и ATLAS, показали первые результаты этого сеанса работы. В них, а в особенности — в данных ATLAS, обнаружилось нечто крайне любопытное. На графике зависимости количества двухфотонных событий от инвариантной массы двух фотонов явно выпирал широкий пик при массе 750 ГэВ; подробности см. на странице Двухфотонный всплеск при 750 ГэВ. Это очень напоминает добавочный вклад от рождения и распада новой, неизвестной ранее, тяжелой частицы — или сразу нескольких частиц.
Это сообщение произвело фурор в физике частиц. Сотня теоретических статей с вариантами его объяснения вышла уже в первые две недели. Сейчас количество статей приближается к тремстам. Примечательно, что до сих пор не было ни одной, даже предварительной, научной публикации CMS и ATLAS; все эти сотни статей были вызваны лишь декабрьскими докладами. Причем тогда, в декабре, у экспериментаторов времени на анализ данных было в обрез, и потому многие вопросы оставались без ответа.
На прошедшей на прошлой неделе конференции Moriond 2016 были обнародованы результаты более тщательного анализа уже накопленных в 2015 году данных. Доклады обеих коллабораций, а также обзор теоретических объяснений были представлены в четверг 17 марта; все слайды свободно доступны на странице научной программы конференции. Подчеркнем, что статистика событий не изменилась, но появилось достаточно времени для того, чтобы внимательно сопоставить разные данные и получить более надежные выводы.
Новый анализ, по сравнению с декабрьскими сообщениями, содержит следующие элементы:
На рис. 2 показаны обновленные данные ATLAS, соответствующие накопленной светимости 3,2 fb−1. Здесь по вертикали отложено количество двухфотонных событий, прошедших отбор, в зависимости от инвариантной массы двух фотонов (напомним, что на том же графике, при инвариантной массе 125 ГэВ, будет виден пик, отвечающий уже знакомому всем хиггсовскому бозону). Было выполнено два разных отбора событий: один оптимизирован для частицы со спином ноль (рис. 2, слева), а второй — для частицы со спином два (рис. 2, справа). Поскольку критерии отбора различались, количество событий и распределение по инвариантной массе тоже получились неодинаковыми.
|
|
В обоих случаях в распределении видно превышение над плавным фоном в области 750 ГэВ. Конечно, флуктуации вверх и вниз встречаются и в других областях спектра, но в окрестности 750 ГэВ несколько точек синхронно ушли вверх относительно плавной кривой. Именно это и является указанием на то, что такое отклонение не случайно. Локальная статистическая значимость отклонения составляет 3,9σ для спина 0 — и это чуть выше, чем было в декабре, — и 3,6σ для спина 2. Глобальная статистическая значимость, учитывающая эффект множественной выборки, уменьшается до скромных 2σ.
На рис. 3 показаны аналогичные распределения, полученные детектором CMS. График слева отвечает статистике 2,7 fb−1, набранной при полностью работоспособном детекторе. График справа — это дополнительные 0,6 fb−1, которые были набраны в первый месяц работы детектора, когда из-за технической проблемы основной магнит детектора был выключен (пометки 3,8Т и 0Т как раз указывают магнитное поле детектора). Данные, набранные без магнитного поля, конечно, не раскрывают всей информации, поскольку в них не удается восстановить импульсы заряженных частиц. Но, к счастью, для фотонов это непринципиально, и, к тому же, из-за нулевого магнитного поля восстановление энергии фотонов становится чуть более точным, чем при стандартном режиме работы. Надо сказать, что необходимость выработать новую стратегию анализа и выцарапать данные из «дефектной» статистики стала вызовом для коллаборации CMS, и она с ним успешно справилась.
 Рис. 3. Распределение событий по инвариантной массе двух фотонов по данным CMS.Слева: данные, набранные с полностью рабочим детектором. Справа: данные, набранные при нулевом магнитном поле. Изображение из обсуждаемого доклада коллаборации CMS |
В данных CMS тоже видно превышение над фоном в районе 750 ГэВ. Причем свой вклад, пусть и небольшой, внесли и данные без магнитного поля. Пометка EBEB на обоих графиках обозначает такую конфигурацию, когда оба фотона попадают в основной детекторный цилиндр. У коллаборации CMS есть также данные и по конфигурации, когда один фотон попадает в цилиндр, а второй — в торцевой субдетектор; превышение заметно и там. Локальная статистическая значимость отклонения достигает 2,9σ в предположении узкого резонанса, что тоже чуть выше, чем было в декабре.
Когда в декабре обе коллаборации рассказали про двухфотонный пик, первый вопрос к ним был: а что показал сеанс Run 1 в этой области масс? Тогда полноценного ответа на этот вопрос не прозвучало: экспериментаторам просто не хватило времени вновь проанализировать старые данные. Сейчас же обе коллаборации такой анализ провели — и он, похоже, поддерживает вывод об отклонении!
Тут следует пояснить, как соотносятся друг с другом данные Run 1 и Run 2. В ходе трехлетнего сеанса Run 1 было набрано примерно в 8 раз больше статистики, чем в только начавшемся сеансе Run 2. Однако сейчас энергия столкновений подросла с 8 до 13 ТэВ — и, как следствие, резко выросла вероятность высокоэнергетических событий (для этого, собственно, энергию и поднимали). Для самого естественного предположения о новой частице — резонанса с массой 750 ГэВ, рождающегося за счет столкновения глюонов, — сечение рождения возрастает в 4,7 раза. Это значит, что кое-какие намеки на него должны были быть видны и в данных Run 1. При других предположениях (например, рождение еще более тяжелой новой частицы, которая распадается каскадно) усиление может составлять 10 и более раз. Поэтому, в рамках этих предположений, отсутствие всплеска в данных Run 1 не вызывает вопросов.
На рис. 4 показаны результаты новой обработки всей статистики, накопленной ATLAS при энергии 8 ТэВ. Отбор велся так же, как и раньше, однако калибровка регистрации фотонов и метод анализа — новые. Здесь тоже видно небольшое, но вполне заметное глазом превышение как раз в нужной области масс и примерно той же формы. Статистическая значимость отклонения составляет 1,9σ. При этом обратите внимание, что никакой поправки на эффект множественной выборки уже делать не надо — ведь мы ищем сигнал не хоть где-нибудь, а проверяем гипотезу о вполне конкретной локализованной аномалии. Получается, двухфотонный пик при 750 ГэВ уже начал проступать и в данных Run 1, но только он был тогда слишком слабым, чтобы вызвать подозрения.
 Рис. 4. Новый анализ старых данных Run 1 при энергии 8 ТэВ. Изображение из обсуждаемого доклада коллаборации ATLAS |
Какой окажется статистическая значимость, если объединить данные Run 1 и Run 2? Коллаборация ATLAS остановилась в шаге от этого, потенциально сенсационного, сообщения. Цена и значение каждого заявления сейчас настолько велики, что коллаборация приняла решение перестраховаться и воздержалась пока от такого заявления (хотя слухи о возможности такого сообщения циркулировали).
Зато хороший пример подала коллаборация CMS. В ее докладе сообщается, что при учете данных Run 1 общая локальная статистическая значимость сигнала вырастает с 2,9 до 3,4σ. Глобальная, впрочем, остается низкой — всего 1,6σ, но она тоже заметно подросла с декабря.
Тот факт, что все эти отклонения попадают на одинаковую массу, вызывает у физиков настоящее воодушевление. Всем очень хотелось бы увидеть объединенный результат ATLAS и CMS — но ясно, что сейчас этого числа никто официально не предъявит. Неофициальная субъективная оценка на глаз такова: суммарный эффект от трех отклонений — 3,9σ (ATLAS, 13 ТэВ), 1,9σ (ATLAS, 8 ТэВ), 3,4σ (CMS, Run 1 + Run 2), — сглаженных эффектом множественной выборки, тянет как минимум на 4σ в глобальной статистической значимости.
Впрочем, тут же следует резко охладить пыл. Выцарапывание данных из маленькой статистки — задача очень сложная. Напомним, что все выводы о наличии нового всплеска завязаны на уверенность, что мы можем адекватно описать фон в этой области. Но насколько она оправдана? Скажем, если снова взглянуть на рис. 4, то видно, что данные превышают красную кривую (то есть оценку фона) не только при 750 ГэВ, но и в области 1 ТэВ. Там вряд ли есть что-то необычное — ведь данные при 13 ТэВ ничего там не показали. Но если чуть подправить фон, сделать его более крутым, то и вожделенный сигнал ослабнет.
Да, пик на рис. 2 и 3 выглядит внушительно. Но столь же внушительно выглядели и другие пики, в том числе и на LHC, — скажем, недавний всплеск при 2 ТэВ в данных Run 1. Однако не похоже, чтобы новый сеанс коллайдера подтверждал то «двухТэВное» отклонение. Поэтому требование порога в 5 стандартных отклонений для такого важного результата совершенно оправданно. Собственно, даже теоретики — а они имеют склонность интерпретировать отклонения излишне оптимистично — говорят о новых результатах в достаточно сдержанных выражениях (см.: The Two-Photon Excess at LHC Brightens Slightly).
Ясно одно: ситуация прояснится в течение этого года. Через месяц коллайдер возобновит набор данных. К лету статистика Run 2 возрастет в несколько раз. С 3-го по 10 августа пройдет главная конференция года, ICHEP-2016, и скорее всего главные результаты приберегут для нее. Но вот что нас тогда ждет — сенсация или грандиозное разочарование — мы пока не знаем. Что ж, подождем.
Источники:
1) ATLAS Coll., Diphoton searches in ATLAS // доклад Marco Delmastro на конференции Moriond-2016.
2) CMS Coll., Search for high mass diphoton resonances at CMS // доклад Pasquale Musella на конференции Moriond-2016; см. также техническую публикацию CMS-PAS-EXO-16-018.
Рис. 2. Распределение событий по инвариантной массе двух фотонов по данным ATLAS. Отбор оптимизирован для спина ноль (слева) и спина два (справа). Черные точки — данные, красная кривая — предполагаемый фон. Изображение из обсуждаемого доклада коллаборации ATLAS