Поиск смещенных фотонов в детекторе ATLAS не выявил ничего необычного

Рис. 1. Схематический вид сигнала, который в детекторе могут давать смещенные фотоны (см. подробности в тексте)

Пока коллайдер готовится к новому этапу работы, экспериментальные группы продолжают анализ накопленных ранее данных и, в частности, ищут в них хоть какие-то необычные эффекты, не вписывающиеся в Стандартную модель. В появившейся на днях статье Search for non-pointing and delayed photons in the diphoton and missing transverse momentum final state in 8 TeV pp collisions at the LHC using the ATLAS detector коллаборация ATLAS представила результаты поиска еще одного типа необычных событий — столкновений с рождением смещенных фотонов. Рассказ об этом исследовании появился также на сайте новостей ATLAS.

Этот тип событий проиллюстрирован на рис. 1. Если в каком-то жестком столкновении протонов рождается много новых частиц, то они вылетают, как правило, почти из одной точки (первичной вершины). У заряженных частиц детектор может напрямую измерить треки и проверить, откуда они выходят. Для нейтральных частиц, например для фотонов высокой энергии, направление прихода тоже удается восстановить, правда, с худшей точностью. Это делается по форме электромагнитного ливня, который возникает в электромагнитном калориметре детектора при попадании фотона. Это направление практически всегда тоже указывает на первичную вершину.

Некоторые модели Новой физики и, в частности, варианты суперсимметричных моделей, предсказывают, что в столкновениях могут рождаться новые тяжелые нейтральные метастабильные частицы, распадающиеся на фотоны. Если такая частица живет наносекунды, то она успеет пролететь дистанцию порядка метра и только потом уже распасться и излучить фотон. И вот этот фотон будет казаться детектору смещенным. Направление его прихода — если его продолжить до пересечения с осью столкновений — не будет попадать в первичную вершину, а будет отстоять от нее на расстояние Δz. Также и время его попадания в детектор будет отличаться от прямого фотона — ведь путь новой гипотетической частицы до распада плюс путь фотона в сумме длиннее, чем прямой путь в детектор (это школьное правило «сумма катетов длиннее гипотенузы треугольника»).

Рис. 2. Распределение количества событий со смещенными фотонами по смещению направления Δz (слева) и по времени запаздывания (справа). На рисунке справа пунктирные гистограммы показывают то, как могло бы выглядеть это распределение, если бы новые частицы действительно рождались. Рисунок с сайта atlas-physics-updates.web.cern.ch

Коллаборация ATLAS внимательно изучила, нет ли в огромном массиве данных событий с такими фотонами — либо смещенными по координате как минимум на 15 мм, либо запаздывающими по времени больше, чем на 0,4 нс (оба числа определяются разрешающими способностями калориметра). Таких событий было немного, но они нашлись. На рис. 2 показано распределение количества событий по Δz и по времени опоздания в детектор. Однако сравнение с моделированием показало, что все они вполне согласуются с обычными фоновыми процессами. Основной фон в этом поиске — это события с нормальными фотонами или электронами, которые оставили в калориметре такой странный отклик, что восстановленное направление прихода сильно отличалось от истинного.

Таким образом, и такой необычный поиск не выявил никаких отличий от Стандартной модели.