ICHEP 2016: Тяжелых экзотических частиц по-прежнему не видно

Рис. 1. Событие рождения двух адронных струй с инвариантной массой 7,7 ТэВ, зарегистрированное CMS 11 мая 2016 года. Рисунок с сайта cds.cern.ch

Каждый раз, когда коллайдер повышает энергию и врывается в неизученную ранее энергетическую область, физики первым делом проверяют, нет ли в данных какой-то явной, бросающейся в глаза экзотики при рекордно больших инвариантных массах. Для такого экспресс-анализа обычно берутся самые простые для выделения и анализа объекты: фотоны, электроны или мюоны больших энергий, адронные струи. Физики набирают статистику событий с рождением таких комбинаций и перво-наперво строят их распределение по инвариантной массе, оставляя более тонкие виды анализа на потом. Согласно Стандартной модели, все такие распределения должны иметь вид гладкой быстро спадающей зависимости, и новая частица, если она существует, проявится в виде бугорка на этой кривой.

Когда в 2015 году Большой адронный коллайдер только-только заработал при повышенной энергии столкновений 13 ТэВ, физики выполнили такую проверку, но, за исключением печально знаменитого двухфотонного пика, ничего существенного не нашли. В первые недели, правда, появилось любопытное событие с рождением электрон-позитронной пары с массой 2,9 ТэВ, но к концу года это отклонение сошло на нет.

Сейчас, накопив и обработав гораздо больший объем данных при той же энергии, физики смогли заглянуть еще дальше по шкале инвариантных масс. На прошедшей недавно конференции ICHEP 2016 были представлены результаты по поиску каких-либо отклонений в рождении следующих комбинаций частиц: две или больше адронные струи, парное рождение b-струй, электрон-позитронные или мюон-антимюонные пары, лептонные пары одинакового знака заряда, двухфотонные пары, пары Zγ и другие. Ни в одном из каналов никаких отклонений с глобальной статистической значимостью выше 1,5σ обнаружено не было.

На рис. 2 для примера показано распределение событий рождения двух адронных струй по их инвариантной массе. Данные простираются вплоть до 7 ТэВ, и, несмотря на отдельные флуктуации на краю распределения, никакого статистически значимого отклонения от плавной кривой они не демонстрируют. На том же графике кружочками и квадратиками проиллюстрировано, как должны были бы идти данные, если бы существовали возбужденные кварки q* с массой 4 или 5 ТэВ. Тот факт, что данные идут совсем иначе, закрывает настолько явные проявления экзотических частиц. Сравнение с результатами моделирования дало следующие ограничения снизу на массу гипотетических частиц: 5,6 ТэВ для возбужденных кварков, примерно 3 ТэВ для тяжелых аналогов W-бозонов, 8,7 ТэВ — для микроскопических черных дыр. Это означает, что даже если какие-то из этих частиц и существуют, то должны быть тяжелее этих значений.

Рис. 2. Распределение двухструйных событий, зарегистрированных детектором ATLAS, по их инвариантной массе. Черные точки — данные ATLAS, красная гистограмма — описание фона, кружочки и квадратики — примеры того, как выглядели бы данные, если бы существовали возбужденные кварки q* с массой 4 или 5 ТэВ. График с сайта atlas.web.cern.ch

Похожие результаты получились и у CMS. На рис. 1, кстати, показано самое высокоэнергетическое из когда-либо зарегистрированных событий. Инвариантная масса двух адронных струй составила 7,7 ТэВ, и в их рождение ушло 60% энергии двух столкнувшихся протонов. Такие события очень редки, поскольку вероятность того, что существенная доля энергии быстролетящего протона сконцентрируется в одном из многочисленных партонов, крайне низка. Также, в области не слишком высоких инвариантных масс коллаборация CMS использовала недавно опробованную методику разведки данных.

На рис. 3 дан другой пример — события рождения мюон-антимюонных пар большой энергии. Здесь тоже не видно существенных всплесков на фоне кривой Стандартной модели. Ограничение снизу на массу тяжелых аналогов Z-бозонов составило 3,5 ТэВ. На флуктуации вниз, которую можно заметить в районе 900 ГэВ и здесь, и в электрон-позитронном канале, статья внимания не заостряет.

Рис. 3. Распределение по инвариантной массе событий рождения μ⁺μ⁻-пар, зарегистрированных детектором CMS. Черные точки — данные CMS, цветные гистограммы — разные источники фона Стандартной модели. График с сайта cms-results.web.cern.ch

Полный список предварительных публикаций, подготовленных коллаборациями ATLAS и CMS для конференции, можно найти на страницах ATLAS 13 TeV Results for 2016 Summer Conferences и CMS Results at the ICHEP 2016.