ICHEP 2018: спиновые корреляции при рождении топ-кварков существенно расходятся с теорией

Рис. 1. Зависимость сечения рождения топ-антитоп-пары, распадающейся по лептонному каналу, от азимутального угла между направлениями вылета двух лептонов. Черные точки — результаты измерения, красная гистограмма — результат моделирования без учета спиновых корреляций, синяя гистограмма — с учетом спиновых корреляций, предсказываемых Стандартной моделью, зеленый пунктир — наилучшее приближение к данным. Изображение с сайта atlas.web.cern.ch

Большой адронный коллайдер, похоже, наткнулся еще на одну аномалию. Коллаборация ATLAS, изучив процесс рождения топ-кварка и антикварка и измерив корреляцию между их спинами, получила странный результат: если опираться на расчеты Стандартной модели, то эта корреляция получается больше ста процентов, чего не может быть. Расхождение с моделированием составило 3,2σ даже при консервативном подходе к учету погрешностей. Если отклонение подтвердится в будущем и его не удастся списать ни на один источник теоретических или экспериментальных погрешностей, оно будет свидетельствовать о том, что в процесс рождения и распада топ-кварков вмешиваются новые частицы.

Топ-кварки, самые тяжелые из известных элементарных частиц, считаются у физиков чем-то вроде промежуточной остановки на пути от «скучных» проверок Стандартной модели к поиску Новой физики и экзотических явлений. С одной стороны, это давно и хорошо известная частица. Ее основные свойства были изучены еще на Тэватроне (см. Умные алгоритмы помогли совершить открытие в физике элементарных частиц, «Элементы», 07.06.2018), а затем проанализированы в деталях на LHC (см. Свойства топ-кварка: результаты). С другой стороны, топ-кварк выделяется среди всех остальных фермионов своей аномально большой массой, что приводит не только к количественным, но и к качественным отличиям.

Во-первых, из-за своей большой массы он распадается настолько быстро, что не успевает связаться с другими кварками и образовать адроны. Поэтому, изучая продукты его распада, мы можем исследовать процессы с его участием в максимально чистом виде, без примеси адронных эффектов, которые сильно портят картину для более легких кварков. Во-вторых, топ-кварк практически всегда распадается по одному единственному каналу — на b-кварк и W-бозон. Эта избирательность несколько упрощает выделение продуктов распада топ-кварков из мешанины рожденных частиц: достаточно отследить b-струю (поток адронов, один из которых содержит b-кварк) и продукты распада W-бозона (например, электрон или мюон в паре с нейтрино, которое угадывается по дисбалансу поперечного импульса). Правда, это удобство нивелируется тем, что в конечном итоге всё равно возникает много частиц, и разбираться с ними бывает очень непросто. По этой причине любые процессы с участием топ-кварков довольно сложны для полноценного анализа (см., например, нашу новость о рождении системы топ-антитоп-хиггс: Процесс рождения ttH окончательно открыт, но уже не вызывает энтузиазма теоретиков, «Элементы», 07.06.2018).

Благодаря этим особенностям топ-кварк — даром что кварк — оказывается удобным инструментов для проверок не сильного, а слабого взаимодействия, а также для изучения того, как работает хиггсовский механизм. А это значит, что через топ-кварк можно попробовать обнаружить явления Новой физики. Достаточно вспомнить, что Тэватрон на излете своей работы выдал загадочный результат — аномально большую топ-антитоп асимметрию, что породило поток теоретических работ с объяснениями. Потом, правда, оказалось, что это была ложная тревога, да и LHC ту аномалию не подтвердил. Как бы то ни было, теоретики внимательно следят за новыми результатами в физике топ-кварка и готовы при случае выдать интерпретации любых отклонений.

На проходящей сейчас конференции ICHEP 2018, главном событии года в физике элементарных частиц, коллаборация ATLAS представила новый результат по физике топ-кварка, который может снова воодушевить теоретиков. В докладе R. Peters. Top quark properties measurements with the ATLAS detector, а также в появившейся одновременно предварительной публикации ATLAS-CONF-2018-027 рассказывается, что при изучении спиновых корреляций топ-кварковых пар обнаружилось отклонение от теоретических моделей на уровне 3,2σ. Коллаборация сообщает, что слабые намеки на это отклонение были видны и раньше, в данных Run 1. Но лишь сейчас, благодаря новым методикам анализа и большему объему данных, отличие стало настолько заметным, что экспериментаторы не постеснялись прямо говорить о нем как о расхождении с теорией.

Поясним, в чем тут дело. В протон-протонных столкновениях топ-кварки обычно рождаются в паре со своим антикварком. В среднем, ни топ-кварк, ни его антикварк не поляризованы, поскольку исходные протоны тоже не были поляризованными, а также поскольку за рождение отвечает сильное взаимодействие, которое не отдает предпочтения ни одной из спиральностей. Однако если взглянуть на самый вероятный процесс рождения этой пары — слияние двух глюонов одинаковой спиральности, — то в нем спины топ и анти-топ-кварков должны сложиться в нуль, то есть они жестко скоррелированы. Если бы это были легкие кварки, то после их превращения в адроны спиновая корреляция смазалась бы. Но топ-кварки распадаются сразу же, без образования адронов, и поэтому их спин передается дальше по цепочке к продуктам распада.

Измерять поляризацию конечных частиц трудно. Но вычисления показывают, что в результате «игры» спинов и кинематических распределений возникает удобная для измерения величина, которая чувствительна к спиновой корреляции топ-кварков. Эта величина — разница азимутальных углов вылета двух заряженных лептонов противоположных знаков (Δφ). Численное моделирование предсказывает, что сечение процесса на LHC должно плавно расти с увеличением Δφ от нуля до π (рис. 1). Иными словами, два лептона должны вылетать чаще в противоположные стороны детектора, чем в близких направлениях. Если бы спиновых корреляций между рожденным топ-кварком и антикварком не было вообще, этот рост был бы сильным (красная гистограмма на рис. 1). Если учесть стопроцентную спиновую корреляцию, как это предсказывает Стандартная модель, то рост слегка сглаживается (синяя гистограмма на рис. 1).

Удивительный результат ATLAS состоит в том, что реальный рост сечения в зависимосте от Δφ оказался еще слабее (точки на рис. 1), так, словно исходная корреляция между спинами рожденных топ-кварков и антикварков была больше ста процентов. Коллаборация даже приводит число, характеризующее эту корреляцию по сравнению с теоретическими ожиданиями: 1,250±0,026±0,063, где отдельно указаны статистические и систематические погрешности. Это число отличается от единицы на 3,7σ — вполне серьезное отклонение! Для пущей безопасности экспериментаторы добавили также теоретические погрешности, связанные с партонными распределениями внутри протона. Но даже при такой консервативной оценке расхождение с теоретическими ожиданиями составляет весомые 3,2σ.

Конечно, это число не стоит воспринимать слишком буквально: экспериментаторы вовсе не утверждают, что исходная корреляция каким-то парадоксальным образом реально превысила сто процентов. Если это отклонение подтвердится, то оно будет означать, что в цепочку процессов от рождения топ-антитоп-пары до их распадов и вылета лептонов может вмешаться какой-то новый, неучтенный процесс. Экспериментаторы заявляют, что эффекты сильного взаимодействия, инструментальные особенности детектора, а также тонкие места алгоритма анализа событий они учли. Поэтому напрашивается вывод, что ответственным за это отклонение может оказаться Новая физика. Например, если вместо W-бозона на рис. 2, справа, появится заряженный хиггсовский бозон — гипотетическая частица, отсутствующая в Стандартной модели, — то он может повлиять на картину разлета частиц. Или же поменяться может само рождение топ-антитоп-пары, если в него дают вклад какие-то новые тяжелые частицы. Никаких подробностей на этот счет в докладе не приводится, поскольку экспериментаторы не занимаются интерпретацией результатов. Но ясно, что в ближайшее время начнут появляться теоретические статьи с вариантами объяснений.

Рис. 2. Слева: спины топ-кварка и топ-антикварка, родившихся в столкновении двух глюонов одинаковой спиральности, противоположны (то есть их спиральности — одинаковы). Справа: из-за особенностей слабого взаимодействия топ-кварк при распаде порождает правый положительно заряженный лептон. Изображение с сайта indico.cern.ch

Следует добавить, что представленные в докладе измерения предлагают теоретикам более богатую информацию, нежели одно-единственное число. Коллаборация ATLAS выполнила два варианта описанного выше анализа: «инклюзивный», в котором упор был сделан только на лептоны и их углы вылета, и более сложный «реконструированный», в котором отслеживались все частицы-продукты распада топ-кварков и восстанавливалась инвариантная масса пары топ-антитоп. Описанный выше результат относится к инклюзивному анализу. В реконструированном анализе отклонения тоже видны, но там погрешности больше и статистическая значимость отличия ниже.

Между прочим, нынешний результат базируется только на статистике 2015-го и 2016 года (интегральная светимость 36 fb^–1). Когда через пару-тройку лет будут добавлены данные за 2017-й и 2018 годы, общая статистика вырастет примерно в 4 раза, и кто знает, какие сюрпризы вскроются в обновленном анализе. Пока же следует дождаться появления финальной версии статьи; не исключено, что значение погрешностей еще может измениться.

Источники:
1) R. Peters. Top quark properties measurements with the ATLAS detector // доклад на конференции ICHEP 2018.
2) ATLAS coll. Measurements of top-quark pair spin correlations in the e-mu channel at sqrt(s)=13 TeV using pp collisions in the ATLAS detector, предварительная публикация ATLAS-CONF-2018-027.

См. также:
Precision leads to puzzles, заметка в разделе Physics Briefing на сайте коллаборации ATLAS.

Игорь Иванов