Тэватрон скоро начнет «чувствовать» хиггсовский бозон

Хиггсовский бозон, родившись в столкновении протона и антипротона, тут же распадается на множество долгоживущих частиц, которые регистрируются детектором. Восстановление всей цепочки распадов промежуточных частиц — очень трудная экспериментальная задача, но именно на нее опирается поиск бозона Хиггса на Тэватроне. Рис. с сайта www.umich.edu

Новый совместный анализ данных двух экспериментов на коллайдере Тэватрон показал, что в ближайшее время их чувствительности уже будет хватать для наблюдения — или доказательства отсутствия — хиггсовского бозона в том или ином диапазоне масс.

Поиск хиггсовского бозона на Тэватроне

Поиск хиггсовского бозона и изучение его свойств — одна из главных задач коллайдера LHC, вступающего в строй в ближайшие месяцы. В течение первого года LHC будет работать в режиме медленного накопления статистики, поэтому хиггсовский бозон вряд ли будет открыт раньше 2010 года. Это значит, что у другого крупного коллайдера, Тэватрона, который сейчас работает на энергии 1,8 ТэВ, есть еще пара лет, чтобы попытаться увидеть хиггсовский бозон своими силами.

Успеет ли Тэватрон уложиться в отведенный срок, зависит от нескольких факторов. Во-первых, от везения: масса хиггсовского бозона заранее не известна, а от нее зависит время, требующееся для его открытия. Во-вторых, от того, насколько стабильно работает сам ускоритель Тэватрон: чем дольше и эффективнее он проработает, тем больше накопится статистики, тем больше будет зарегистрировано искомых событий, а значит, тем лучше эксперимент сможет «почувствовать» редкий процесс рождения и распада бозона Хиггса. И, наконец, в-третьих, шансы найти или ограничить существование хиггсовского бозона на Тэватроне зависят от того, насколько эффективно будут обрабатываться данные.

Недавно в архиве е-принтов появился отчет специальной группы TEVNPH, занимающейся оценкой и объединением результатов двух главных экспериментов на Тэватроне — DZero и CDF. Именно с этой группой связан третий фактор успешности работы Тэватрона — эффективность обработки данных. Судя по анализу TEVNPH, Тэватрону через пару лет будет что сказать про хиггсовский бозон: даже если он не будет к тому времени найден, будут получены ограничения на его массу.

Но сначала полезно рассказать про некоторые организационные аспекты современной экспериментальной физики элементарных частиц (ФЭЧ). Экспериментом в ФЭЧ называют детектор вместе с командой людей (коллаборацией), которая его строила, тестировала и которая обрабатывает поступающие с него данные. Доступ к «сырым» данным, поступающим с детектора, обычно имеют только члены эксперимента (хороша такая политика или нет — отдельный разговор).

Обычно на крупных ускорителях сразу работают несколько похожих экспериментов; на Тэватроне это детекторы DZero и CDF. Анализ данных, полученных в каждом эксперименте, идет независимо внутри каждой коллаборации, а на всеобщее обозрение выдаются только обработанные результаты. Отсюда вытекают две важные задачи:

• сравнить результаты однотипных экспериментов и выяснить, согласуются ли они друг с другом;
• попытаться объединить результаты этих экспериментов для более точного измерения какой-то величины.

Задачи эти далеко не тривиальные. Просто нанести данные на один график и сравнить их на глаз, конечно, можно, но для количественного анализа этого недостаточно. Во-первых, разные эксперименты все-таки протекают в несколько разных условиях, а во-вторых, в погрешностях данных могут быть корреляции. И то, и другое требуется при сравнении учитывать. Именно поэтому в физике элементарных частиц организуются специальные группы, которые занимаются сравнением и объединением результатов разных экспериментов.

Самая известная из них — Particle Data Group, которая вот уже несколько десятилетий собирает и оценивает все экспериментальные данные о свойствах элементарных частиц. Каждые два года она издает толстенный «Обзор свойств частиц»; кроме того, регулярные обновления появляются и на сайте группы. В менее глобальном масштабе такие группы создаются и для изучения каких-то конкретных величин. TEVNPH (аббревиатура от «TEVatron New-Physics and Higgs») как раз и является примером такой группы — она анализирует данные с обоих экспериментов Тэватрона, посвященные поиску новых частиц и явлений.

В своей статье участники этой группы сообщают, что оба эксперимента, DZero и CDF, недавно обнародовали результаты поиска хиггсовского бозона в нескольких разных каналах распада. Следов хиггсовского бозона они не нашли, что неудивительно, так как их чувствительности пока не хватает для этого наблюдения. Однако возникает вопрос — насколько ее не хватает?

Коэффициент «недочувствительности»

Для того, чтобы дать количественный ответ на этот вопрос, физики вводят удобную величину, которую условно можно назвать коэффициентом «недочувствительности» эксперимента. Поясню, что это такое.

В ускорительном эксперименте обычно невозможно точно сказать, какую цепочку превращений испытали частицы в каждом конкретном событии перед тем, как попасть в детектор. Поэтому проявления какого-то очень редкого процесса не лежат на поверхности, их приходится выискивать среди похожих следов от других, менее интересных и уже изученных ранее процессов. Говоря языком физиков, «слабый сигнал» приходится искать на «сильном фоне».

При данном уровне фона можно зарегистрировать лишь сигнал выше некоторого порога чувствительности (это прекрасно известно всем, кто пытался разговаривать с приятелем среди шумной толпы). Если сигнал зарегистрирован, то физики его изучают дальше, если нет — то на вероятность исследуемого процесса можно установить ограничение сверху (отрицательный результат — тоже результат!). Это значит, что даже если искомый процесс и существует, то его вероятность меньше порога чувствительности данного эксперимента.

Когда экспериментаторы проверяют какую-то теорию (например, ищут бозон Хиггса, предсказанный Стандартной моделью), то они заранее знают, какую вероятность для искомого процессах эта теория предсказывает. Коэффициент недочувствительности — это то, во сколько раз предсказанная вероятность меньше порога чувствительности данного эксперимента.

Если это число намного больше единицы, то значит, данный эксперимент пока слишком «груб», его чувствительности пока не хватает для изучения таких редких процессов. Если оно меньше единицы (то есть если порог чувствительности ниже предсказанной вероятности), то эксперимент уже может дать четкий ответ — он подтвердит или опровергнет предсказание теории в зависимости от того, будет или не будет найден сигнал.

Можно сказать, что вся работа по поиску бозона Хиггса на Тэватроне сводится к тому, чтобы понизить коэффициент недочувствительности до единицы. Сделать это можно как усовершенствованием методики обработки данных, так и простым накоплением статистики — ведь чем больше набрано данных, тем меньше в них статистические неопределенности, а значит, тем более чувствительным становится эксперимент.

Результаты экспериментов

Коэффициент «недочувствительности» Тэватрона (отложен по вертикальной оси) для поиска бозона Хиггса той или иной массы (по горизонтальной оси). Сплошная ломаная линия — главный результат обсуждаемой статьи — построена на реальных данных, обработанных к 9 апреля 2008 года. Этот же коэффициент, но построенный по результатам моделирования (то есть численного эксперимента) показан черным пунктиром, а его погрешности на одно и два стандартных отклонения — зеленой и желтой областями. Тонкими пунктирами показаны эти же коэффициенты, полученные в моделировании только для эксперимента CDF (синий пунктир) или только для DZero (красный). Рис. из обсуждаемой статьи arXiv:0804.3423

Именно вычисление коэффициента недочувствительности и является главным результатом недавней работы группы TEVNPH. Этот коэффициент был найден для разных значений массы бозона Хиггса (поскольку она заранее не известна) и показан на графике сплошной линией. Эти результаты подводят некий совместный итог всем последним публикациям коллабораций DZero и CDF, посвященным поиску бозона Хиггса.

Видно, что пока значения этого коэффициента находятся в пределах от 1,1 до 7, то есть Тэватрон пока недотягивает до наблюдения (или наблюдения отсутствия) бозона Хиггса той или иной массы.

Однако по мере дальнейшего накопления данных коэффициент будет уменьшаться. Ожидается, что Тэватрону будет по силам еще увеличить статистику в несколько раз, и коэффициент «недочувствительности» при этом уменьшится еще раза в 2–3. Если хиггсовский бозон не будет найдет, то Тэватрон «закроет» область масс примерно 150–180 ГэВ. Но если бозон лежит как раз в этом диапазоне масс, то Тэватрон сможет увидеть его хотя бы на некотором уровне статистической значимости. Потянет ли это на Нобелевскую премию — вопрос спорный, но вот для LHC эти данные станут очень большой подмогой.

Источник: The TEVNPH Working group. Combined CDF and D0 Upper Limits on Standard Model Higgs-Boson Production with up to 2.4 fb^-1 of data // препринт arXiv:0804.3423 [hep-ex].

См. также:
1) Н. Никитин. Время искать Хиггс — аннотированный перевод статьи Г. Фрэйзера «Мелодрама под названием "Время искать Хиггс"», рассказывающей о поиске хиггсовского бозона на электрон-позитронном коллайдере LEP.
2) Г. Кэйн. Загадки массы // «В мире науки» № 10, 2005.
3) Поиск хиггсовского бозона на Тэватроне — большая тематическая подборка сообщений в блоге Томмасо Дориго, участника эксперимента CDF. См., в частности, пост The Higgs almost excluded at 160 GeV!! с анализом чуть более ранних данных (февраль 2008 года) по поиску бозона Хиггса.
4) Умные алгоритмы помогли совершить открытие в физике элементарных частиц, «Элементы», 18.12.2006 — пример использования сложных алгоритмов обработки данных для поиска редких процессов.

Игорь Иванов