Разрешите отклониться (Загадки коллайдера)

Главная задача Большого адронного коллайдера — достоверно обнаружить хоть какие-нибудь отклонения от Стандартной модели (СМ), нынешней теории устройства микромира. Ключевое слово здесь — «достоверно». К настоящему времени физики уже выполнили около тысячи проверок Стандартной модели на LHC, и в некоторых из них действительно проскальзывают намеки на отклонения от СМ. Но скажем прямо: гарантированного, железобетонного, стопроцентного нарушения Стандартной модели пока не найдено. Тем не менее, имеющиеся отклонения все же многообразны и очень интересны, так что физики-теоретики сейчас вовсю обсуждают и интерпретируют их в рамках различных гипотез.

Если эти отклонения подтвердятся, они наконец-то дадут физикам указания на то, какая из сотен теорий Новой физики верна и относится к нашей Вселенной. Но, конечно, может статься, что это просто статистические флуктуации, и тогда они растворятся в новом объеме данных. Разрешить эти загадки сможет лишь новый сеанс работы коллайдера LHC Run 2, который продлится до 2018 года. В ожидании этих результатов полезно обрисовать общую картину «поля боя», перечислить те самые измерения, в которых коллайдер сейчас видит что-то подозрительное.

Странности при больших энергиях

Электрон-позитронное событие с инвариантной массой 2,9 ТэВ. Изображение: CERN

Хоть весь последующий рассказ будет касаться результатов LHC Run 1, т.е. данных, накопленных за 2010-2012 годы, невозможно обойти стороной одно крайне любопытное событие, зарегистрированное детектором CMS совсем недавно, 22 августа. Это событие рождения электрон-позитронной пары с неожиданно большой инвариантной массой 2,9 ТэВ (рисунок вверху). Электрон-позитронные пары могут, конечно, рождаться и в Стандартной модели, но в подавляющем большинстве случаев они имеют небольшие импульсы и небольшую инвариантную массу. А тут — только-только начали набор данных, и уже такой рекордсмен. 

Оценки показывают, что вероятность родить столь энергетичную пару при такой малой накопленной статистике — всего 0,2%. Конечно, по одному-единственному событию пока ничего достоверного сказать нельзя: это могло оказаться как игрой случая, так и намеком на рождение и распад новой тяжелой частицы. Но радует то, что это случилось так рано. Уже за сентябрь накоплено в несколько раз больше данных, чем было месяц назад — просто эта статистика еще не обработана. Если в этих данных обнаружится еще пара-тройка таких событий — будет сенсация. И в этом случае через год мы уже будем вовсю рассуждать о моделях Новой физики, на которые эта новая частица указывает. Ждать осталось совсем немного.

Вернемся, однако, к данным LHC Run 1. В этой большой, тщательно проанализированной статистике за последний год вскрылось сразу несколько любопытных отклонений в области инвариантных масс 2 ТэВ. Самым ярким здесь является результат коллаборации ATLAS по поиску парного рождения тяжелых бозонов — W или Z. В июне этого года группа сообщила, что в распределении по инвариантным массам явно виден пик при 2 ТэВ. Таких частиц в СМ нет даже близко — самая тяжелая, топ-кварк, весит всего 0,17 ТэВ. Если этот пик сохранится — это гарантированная Новая физика.

Результат поиска WH-пар с инвариантной массой выше 1 ТэВ. Изображение: CERN

Коллаборация-конкурент, CMS, тоже видит что-то странное, но в слегка отличающихся процессах. В неопубликованной пока работе сообщается, что отбор событий рождения W-бозона в паре с хиггсовским бозоном обнаружил аномальное превышение в области больших инвариантных масс. При массе 1,8 ТэВ детектор зарегистрировал три события, хотя по предсказаниям СМ ожидалось в среднем 0,3 (см. рисунок). 

Впрочем, и тут радоваться рано. Это отклонение обнаружено в предположении о лептонном распаде W-бозона. Но он может распадаться и на адроны, причем это даже происходит чаще. Если уж рождение WH-пар усилено по сравнению со СМ, то это усиление должно быть видно и в адронном канале распада. А как показывает другая работа CMS, ничего впечатляющего там не обнаружено. Как это интерпретировать — неясно.

Наконец, та же группа CMS сообщила год назад еще об одном отклонении — и снова в окрестности 2 ТэВ. Здесь речь уже идет о такой комбинации частиц: электрон-позитронная пара плюс две адронные струи. В отличие от предыдущих примеров, тут уже не проверяется, откуда именно взялись эти частицы. Поэтому отбор тут послабее, а статистика — побольше. В области инвариантных масс от 1,8 до 2,2 ТэВ было обнаружено 14 событий, в то время как по СМ ожидалось примерно 4. Но здесь тоже есть своя странность: в аналогичном процессе, но с мюонами, никаких отклонений нет. С другой стороны, это и не принципиально: можно представить себе модели Новой физики, в которых новые тяжелые частицы предпочитают давать в распаде электроны, а не мюоны.

Статистическая значимость этих двухтэвных отклонений составляет 2,9σ (ATLAS), 2,2σ (CMS, рождение WH), 2,8σ (CMS, рождение eejj). Этого еще недостаточно для объявления открытия, но вполне хватает для того, чтобы десятки групп физиков-теоретиков бросились объяснять эти эффекты в рамках разных моделей. Впрочем, появляются и осторожные комментарии о том, что экспериментаторы использовали новые, достаточно сырые методики. Дополнительные трудности для интерпретации создает тот факт, что все эти отклонения — разные, и они не слишком хорошо подтверждаются другими наблюдениями.

В целом, ситуация с отклонениями в районе 2 ТэВ пока подвешенная: нет никакого железобетонного аргумента ни за, ни против. С другой стороны, эта ситуация обещает довольно быстро проясниться. При переходе с энергии столкновений 8 ТэВ до 13 ТэВ вероятность таких энергетических событий возрастает в десятки раз. Поэтому данных первой половины 2016 года хватит, чтобы полностью изменить текущую ситуацию в ту или другую сторону.

Потерянный импульс

Пример рождения и каскадного распада суперсимметричных частиц (слева) и тип события, который видит детектор (справа).

Еще три любопытных результата относятся к таким событиям, в которых виден сильный дисбаланс поперечного импульса. Протоны в коллайдере летят строго вдоль оси пучков и сталкиваются лоб в лоб. Поэтому по закону сохранения импульса все рожденные частицы должны давать в сумме нулевой поперечный импульс. Однако если какая-то из рожденных частиц очень плохо взаимодействует с веществом и не оставляет след в детекторе, то детектор видит «потерю» поперечного импульса. 

Самая популярная теория, в которой возникает такой тип событий — это суперсимметрия, в которой есть легчайшие суперсимметричные частицы как раз с нужными свойствами. В принципе, такие события возможны и в обычных процессах с участием нейтрино, но они — под контролем теоретиков. Поэтому, если какой-то анализ показывает избыток событий с большим дисбалансом поперечного импульса, это может тоже указывать на Новую физику.

В апреле этого года коллаборация ATLAS обнародовала результаты поиска событий со следующими характеристиками: несколько адронных струй, потерянный поперечный импульс, а также два лептона одинакового знака. Это последнее требование очень сильно ограничивает стандартные механизмы рождения. После многоступенчатого отбора осталось всего пара десятков событий, но все равно это оказалось втрое больше, чем предсказывала СМ.

Распределение по инвариантной массе двух лептонов в одном из поисков суперсимметрии. Пунктирные кривые показывают предсказания для некоторых вариантов суперсимметрии. Изображение: Cornell University Library

Другая пара результатов опирается на прицельный поиск суперсимметрии, который велся по похожим критериям. Здесь тоже должны присутствовать адронные струи и наблюдаться дисбаланс поперечного импульса, но только лептоны должны быть противоположного знака, например, электрон-позитронная пара. График здесь строился уже по инвариантной массе двух лептонов. На рисунке вверху показаны результаты ATLAS. Отбор событий был настолько жесткий, что, согласно СМ, ожидалось примерно 4 события, а зарегистрировано было аж 16. Статистическая значимость такого отклонения составляет примерно 3σ — а это по критериям, принятым в ФЭЧ, называется уже «указанием на существование нового эффекта».

Нечто похожее видит и CMS, но только в другой области по инвариантной массе, да и эффект там послабее. Поэтому опять возникает путанная картина: вроде каждый из детекторов видит что-то интересное, но только эти отклонения не вполне соответствуют друг другу. Как их разумно интерпретировать в рамках простой теоретической модели — непонятно.

Странности с хиггсовским бозоном

Пару любопытных отклонений продемонстрировал и хиггсовский бозон. Надо сказать, что в целом он оказался удручающе стандартным. Три года назад, когда его только открыли и когда его свойства были еще измерены очень плохо, казалось, что распад бозона на два фотона станет тем долгожданным сигналом Новой физики — уж слишком сильно он отклонялся от СМ. Однако новые данные все расставили по местам: никакого отклонения здесь не видно.

Распад бозона Хиггса на два разных фермиона невозможен в Стандартной модели.

Но чтобы физики не унывали, природа подкинула пару других наблюдений. В феврале этого года коллаборация CMS сообщила, что видит распад бозона Хиггса на мюон и тау-лептон. Этот распад невозможен в Стандартной модели, поскольку стандартный бозон может распадаться только на пары одинаковых частиц. Однако такой распад возможен в теориях, в которые есть несколько хиггсовских бозонов. Значит, достоверная его регистрация тоже будет указанием на Новую физику. ATLAS тоже недавно опубликовал свой результат, но он ситуацию не прояснил: данные ATLAS оказались слишком неопределенным. В целом, отклонение пока держится на уровне 2,6σ и вызывает у физиков умеренный интерес.
Вторая хиггсовская загадка касается уже не распада, а рождения бозона. Он может рождаться в столкновении протонов разными способами, и один из них — в паре с топ-анти-топ-кварковой парой. Этот канал рождения довольно редкий, поэтому статистики тут накоплено совсем ничего. Но даже эта скромная статистика показала превышение в 2 с половиной раза по сравнению со СМ. Опять же, статистическая значимость эффекта не слишком большая — 2,3σ. Однако в 2016 году ожидается резкий рост числа таких событий, поэтому ситуация должна проясниться.

Распады прелестных мезонов

Целый фейерверк отклонений и необъясненных эффектов обнаружился в распадах прелестных мезонов. Так называют мезоны, имеющие в своем составе b-кварк (прелестный кварк). Этот кварк может за счет слабого взаимодействия превращаться в разные другие кварки, — и в результате B-мезоны способны распадаться сотнями разных способов.

Прежде всего, надо сказать про сверхредкий распад на мюон-антимюоную пару, за которым физики охотились 40 лет и вокруг которого недавно развернулась целая драма. Последние результаты таковы: Bs-мезон распадается на мюонную пару с вероятностью 3 миллиардных, как и предсказывается СМ, а вот B-мезон, частица без индекса «s», распадается в несколько раз сильнее ожидаемого. Отклонение, впрочем, небольшое и находится на грани чувствительности детектора. Поэтому особого значения ему пока не придают, но за ним будут пристально наблюдать при обработке будущих данных.

А вот с другими распадами B-мезонов ситуация поинтереснее. Так, продолжается эпопея с распадом b-кварка на s-кварк и мюонную пару, который проявляется, например, в распаде Bs→ φμμ. История там такая. В 2013 году в этом распаде было впервые обнаружено заметное несоответствие теории и эксперимента. Теоретики поначалу было обрадовались, но потом поняли, что их расчеты не совсем аккуратны. Полтора года усиленной работы — и вычисления стали более точными. Сравнение со старым экспериментальным результатом подтвердило отклонение — 3,1σ.

Этим летом коллаборация LHCb обработала всю накопленную статистику и опубликовала окончательный результат: расхождение не только не пропало, но и усилилось до 3,5σ. Нечто похожее наблюдается и в другом распаде-близнице: B→ K*μμ. Конечно, может оказаться, что и здесь в силу какой-то неучтенной ошибки физики невольно ввели себя в заблуждение. Но по крайней мере на сегодняшний момент эти распады остаются одним из самых сильных отклонений от предсказаний СМ.

Измерение величин R(D*) и R(D) в распадах B-мезонов. Красный эллипс — совместный результат трех экспериментов, розовый — предсказание СМ. Два результата расходятся на 4σ. Изображение: slac.stanford.edu

 Вторая столь же яркая проблема касается нарушения лептонной универсальности слабого взаимодействия. Слабое взаимодействие, в силу своего устройства, относится одинаково хорошо ко всем лептонам. Поэтому распады, отличающиеся только лептонами, связаны друг с другом фиксированными соотношениями. Но коллаборация LHCb видит отличие от этих соотношений сразу в двух процессах — в распадах на K-мезоны и в распадах на D-мезоны. Причем в последнем случае эти отличия видит не только она, но и две других группы, работающих на других ускорителях: BaBar и Belle. Их суммарный результат показывает расхождение со СМ на уровне 4σ — а это уже очень и очень серьезно (см. рисунок выше).

Таким образом, распады B-мезонов оказались сейчас на переднем крае физики элементарных частиц. Это сейчас — болевая точка Стандартной модели. В них наблюдаются самые сильные отклонения от ее предсказаний, и возникает ощущение, что если еще немного надавить — Стандартная модель сдастся. Новый сеанс работы коллайдера LHC Run 2 приложит для этого все усилия.

Игорь Иванов

Источник - N+1