Результаты работы LHC в 2011 году

Накопление статистики

2011 год стал первым годом полноценной работы Большого адронного коллайдера. Интенсивность протонных пучков быстро нарастала, и в соответствии с ней росли темпы набора статистики. Если за весь 2010 год была накоплена интегральная светимость примерно 35 pb–1, то в октябре 2011 года такая светимость набиралась уже за три часа! Пиковая светимость достигала 3,5·1033 см–2·с–1, что составляет треть от проектной светимости LHC.

15 июня был преодолен рубеж в 1 fb–1 — задача-минимум, которая была поставлена руководством ЦЕРНа в начале 2010 года. К концу года этот план был перевыполнен в пять раз: два основных детектора ATLAS и CMS набрали примерно по 5,7 fb–1. На рис. 1 показаны темпы набора статистики и окончательные значения интегральной светимости за 2011 год.

Рис. 1. Рост интегральной светимости, накопленной детекторами в 2011 году
Рис. 1. Рост интегральной светимости, накопленной детекторами в 2011 году. Источник изображения

В ноябре коллайдер переключился в режим столкновений ядер свинца. За три недели работы было набрана интегральная светимость примерно по 150 μb–1 во всех трех работавших детекторах (ATLAS, CMS, ALICE). Подробную техническую информацию по каждому сеансу работы можно найти на странице LHC Performance and Statistics.

Три волны публикаций

Научные результаты со всех детекторов, работающих на LHC, появлялись на протяжении всего года. В соответствии с графиком набора светимости их условно можно разбить на три волны:

  • Первая волна — результаты на статистике 2010 года (примерно 35 pb–1); результаты шли вплоть до лета 2011 года.
  • Вторая волна — результаты на статистике, набранной в апреле 2011 года (примерно 200 pb–1). Первые результаты этой волны были представлены на июньской конференции «Physics at the LHC 2011».
  • Третья волна — результаты на статистике порядка 1 fb–1, набранной в мае–июне, и выше. Первые результаты на этой статистике, касавшиеся поиска хиггсовского бозона, были обнародованы на ключевой конференции года EPS-HEP 2011, которая состоялась в конце июля.

Кроме того, к концу года были подготовлены и отдельные результаты (прежде всего, по поиску бозона Хиггса) на основе 4,7 fb–1, то есть почти всей статистике, набранной в 2011 году.

Научные результаты

Полный список статей всех коллабораций LHC можно найти на сайте LPCC. Публично доступные научные результаты (включая доклады на конференциях), отсортированные по темам, можно найти на сайте коллабораций: CMS Physics Results и ATLAS Public Results.

Результаты первой и второй волн публикаций не принесли новых открытий: обработанной статистики было недостаточно для открытия хиггсовского бозона, поэтому были получены лишь ограничения на некоторые экзотические варианты хиггсовского механизма. Были выполнены также первые анализы по поиску суперсимметрии и разнообразных частиц и явлений вне Стандартной модели. Результаты поисков оказались отрицательными, и на основании этих данных были получены новые ограничения на теоретические модели.

Ситуация кардинально изменилась с третьей волной публикаций. Буквально за несколько месяцев «охота за хиггсовским бозоном» перешла из начальной стадии в завершающую. К концу года в огромном диапазоне возможных масс бозона, в котором велся поиск (110–600 ГэВ) осталось лишь узкое окошко (115–130 ГэВ), где бозон может скрываться. И действительно, примерно при 125 ГэВ оба детектора, ATLAS и CMS, начали «видеть» некоторое превышение сигнала над фоном. Ожидается, что ситуация полностью прояснится в 2012 году.

(Подробности про результаты поиска хиггсовского бозона)

Для многих теоретиков, пожалуй, самым важным и несколько разочаровывающим результатом работы коллайдера в 2011 году было закрытие низкоэнергетической суперсимметрии. До этого физики допускали, что суперсимметричные частицы, если они существуют, могут быть относительно легкими, с массами в несколько сотен ГэВ. Статистики 2011 года оказалось достаточно, чтобы проверить довольно большую область параметров и не найти там суперчастиц. Некоторые из ограничений на массы суперчастиц приведены на рис. 2.

Рис. 2. Сводка ограничений на массы суперсимметричных партнеров кварков и глюонов, полученных при поиске различных процессов их рождения и распада
Рис. 2. Сводка ограничений на массы суперсимметричных партнеров кварков и глюонов, полученных при поиске различных процессов их рождения и распада. Темно-синие полосы показывают разброс ограничений при выборе разных масс нейтралино. Результаты основаны на данных 2011 года. Изображение со страницы CMS Supersymmetry Physics Results

(Подробности про результаты поиска суперсимметрии)

Разумеется, исследования не ограничивались одним поиском хиггсовского бозона и суперсимметрии, а велись сразу по всем фронтам. Были получены десятки новых результатов по динамике сильных взаимодействий, по проверке Стандартной модели и возможных отклонений от нее, были выполнены поиски экзотических частиц и взаимодействий.

(Подробности про результаты проверки Стандартной модели)
(Подробности про результаты поиска экзотических частиц)

Общий вывод этих исследований пока остается прежним: никаких принципиально новых явлений пока не видно. Единственный результат, отличающийся от предсказаний Стандартной модели на 3,5 стандартных отклонения, касается CP-нарушения в распаде D-мезонов. «Выживет» он или нет при анализе больших объемов статистики, мы узнаем в 2012 году.

Несмотря на то что пока результаты LHC были относительно разочаровывающими, следует подчеркнуть, что почти все эти выводы были сделаны на основе обработки чуть более 1 fb–1. Но в 2011 году была набрана впятеро большая статистика, над анализом которой сейчас трудятся тысячи специалистов, а в 2012 году статистика возрастет еще в несколько раз. Поэтому подведение итогов начального этапа работы Большого адронного коллайдера следует отложить до конца 2012 года.

Элементы

© 2005-2017 «Элементы»