Поиски суперсимметрии на коллайдере принесли новую интригу

Рис. 1. Условная иллюстрация идеи суперсимметрии. Известным частицам разных масс (они изображены над плоскостью, размер шариков отражает массу частиц) соответствуют неоткрытые пока тяжелые частицы-суперпартнеры (под плоскостью). Когда физики ищут проявления суперсимметрии в экспериментах на коллайдере, они стремятся по косвенным признакам опознать хотя бы некоторые из этих частиц. Изображение из статьи E. Gibney, 2015. LHC 2.0: A new view of the Universe

Две коллаборации, работающие на Большом адронном коллайдере, сообщают, что в одном из многочисленных поисков суперсимметрии обнаружилось небольшое превышение над предсказаниями Стандартной модели. Оба коллектива видят отклонение в схожих, но всё же не идентичных, процессах. Статистическая значимость превышения невелика, около 3 стандартных отклонений, но это превышение дает новую надежду на то, что физика за пределами Стандартной модели уже не за горами.

Физика элементарных частиц сегодня: краткий набросок

Современная физика элементарных частиц находится последние годы в достаточно некомфортной ситуации. С одной стороны, в ее распоряжении есть теория — так называемая Стандартная модель, — которая замечательно согласуется с экспериментами. Она была построена в 60-70-е годы, привела к множеству предсказаний, которые великолепно подтвердились в последующие десятилетия. Последним в этой серии достижений стало открытие бозона Хиггса в 2012 году и последовавшее за ним присуждение Нобелевской премии по физике авторам хиггсовского механизма. Все эти годы Стандартная модель выдерживала тысячи экспериментальных проверок. Всевозможные тонкие и замысловатые эффекты, которые она предсказывала и которые удавалось сосчитать теоретически, неизменно подтверждались.

С другой же стороны, физикам давно достоверно известно, что Стандартная модель не может быть окончательной теорией устройства микромира. Стандартная модель не способна объяснить наличие темной материи и доминирование вещества над антивеществом в нашей Вселенной. Она никак не объясняет разнообразные закономерности, которые обнаружены в свойствах кварков и особенно нейтрино. Наконец, многие численные величины в ней выглядят противоестественными, и сама Стандартная модель никакого объяснения им не дает. Физики уверены, что Стандартная модель — это лишь осколок какой-то другой, всеобъемлющей и более фундаментальной, теории устройства нашего мира, которую ученые условно называют физика за пределами Стандартной модели или «Новая физика». Что это за теория — пока неизвестно, но именно с ней связываются большие надежды на поиск ответов на неудобные для Стандартной модели вопросы.

Чтобы не создавалось неправильного впечатления, надо обязательно оговориться, что проблема — не в том, чтобы придумать хоть какую-то теорию. Таких теорий придуманы, наверное, сотни. Проблема в том, чтобы теория давала новые, нестандартные предсказания и чтобы эти предсказания подтверждались на опыте. А вот с этим пока сложности: ни один прямой эксперимент с элементарными частицами не обнаружил никакого достоверного отклонения от Стандартной модели. Так что Большой адронный коллайдер (он же LHC) — это не просто установка, которая сталкивает частицы и что-то там измеряет. Это тот инструмент, который должен помочь нам дотянуться до Новой физики, до нового пласта реальности, лежащего под Стандартной моделью. Первый маленький шаг в этом направлении сделан: открыт хиггсовский бозон и началось его изучение. Но это был подготовительный шаг, а настоящая задача коллайдера — достоверное обнаружение хоть какого-то отклонения от Стандартной модели — пока не решена.

Как ищут проявления суперсимметрии

Рис. 2. Типичный подход к поиску суперсимметрии на Большом адронном коллайдере. Частицы-суперпартнеры рождаются в парах, но распадаются поодиночке, и после каскада распадов от них остаются стабильные и неуловимые легчайшие суперсимметричные частицы, например нейтралино. Изображение из статьи E. Gibney, 2015. LHC 2.0: A new view of the Universe

Поскольку теорий Новой физики много и предсказывают они разные явления, исследователи выполняют сотни различных анализов накопленных на LHC данных и ищут в них эти эффекты (см. раздел Поиск Новой физики в ленте новостей коллайдера). Среди всех моделей особняком стоят теории, опирающиеся на суперсимметрию. Это слово обозначает глубокую, математически самосогласованную идею о том, что наш мир обладает симметрией нового типа, которая связывает между собой, говоря совсем условно, частицы материи и действующие между ними силы. Подробнее про суперсимметрию на доступном языке читайте и слушайте в материалах Дмитрия Казакова.

Идея суперсимметрии проверяема в эксперименте, по крайней мере в принципе. Суперсимметричные теории предсказывают множество новых частиц, суперпартнеров обычных частиц. У кварков, глюонов, лептонов, гравитонов и всех других частиц есть суперпартнеры: скварки, глюино, слептоны, гравитино и т. д. (рис. 1). Проблема только в том, что эти новые частицы — тяжелые, и никто не может заранее сказать, насколько. Когда строился Большой адронный коллайдер, среди физиков царило воодушевление. Многие из них считали, что массы суперчастиц находятся в районе 1 ТэВ или даже меньше, и такие частицы начнут массово рождаться на LHC. Увы, первый сеанс работы коллайдера охладил этот пыл: многочисленные поиски прямых или косвенных проявлений суперсимметрии по-прежнему дают отрицательные результаты (см. раздел Суперсимметрия в ленте новостей LHC).

Сейчас, после двух недавних любопытных публикацией CMS и ATLAS, ситуация, возможно, начнет меняться. Но прежде чем рассказывать о них самих, стоит кратко обрисовать, как вообще ищут проявления суперсимметрии на коллайдере.

Сложность тут в том, что у суперсимметрии нет какого-то одного конкретного, железобетонного предсказания, проверяемого прямо сейчас. Имеется большое количество вариантов суперсимметричных теорий, а в них есть неизвестные численные параметры. В результате предсказания для коллайдера могут получиться самые разнообразные — и физики стараются, по возможности, охватить их все. Среди них выделяется главное направление поисков (см. рис. 2). Считается, что вначале в столкновении протонов рождаются сильновзаимодействующие суперчастицы — скварки или глюино. Они тяжелые и распадаются на другие, те — распадаются дальше, и т. д. Так идет до тех пор, пока не появится легчайшая суперсимметричная частица (в зависимости от варианта теории, это может быть нейтралино, гравитино или другие суперчастицы). Главное, что она уже ни на что не распадается, а просто улетает прочь, не будучи даже пойманной детектором. Эта частица уносит большой поперечный импульс, который — в силу неуловимости частицы — не отслеживается детектором. Детектор регистрирует все обычные частицы, измеряет их импульсы и видит, что они не складываются в нуль, то есть заметная часть импульса «теряется». Такой дисбаланс в поперечном импульсе указывает на то, что в столкновении родилась какая-то неуловимая частица высокой энергии.

Конечно, одного лишь дисбаланса поперечного импульса мало для открытия Новой физики. В Стандартной модели тоже есть частицы, не регистрируемые детектором, — нейтрино, — и они запросто могут породить похожую картину столкновений. Вдобавок, детекторы неидеальны, и иногда они ошибаются при измерении энергий и импульсов (особенно когда приходится мерять адронные струи, целые потоки адронов) или даже могут неправильно идентифицировать пролетевшую частицу. Поэтому в реальности физикам приходится тщательно сравнивать полученные данные с предсказаниями Стандартной модели и пытаться найти не просто какую-то статистику событий, а их превышение над фоном Стандартной модели. Так что каждый поиск, каждый анализ — это кропотливая работа десятков и сотен исследователей в течение месяцев или даже лет. Более подробный рассказ о том, как изучают частицы на коллайдере, читайте в статье Анатомия одной новости.

Новые результаты CMS и ATLAS

После обстоятельного вступления перейдем наконец к новым результатам с коллайдера. Сейчас, в преддверии нового запуска LHC, экспериментальные группы «подчищают хвосты» — доделывают трудоемкие анализы на основе данных, набранных во время первых трех лет работы коллайдера. Регулярно появляются и статьи о тех или иных поисках суперсимметрии, но все они пока приводят к отрицательным результатам. Однако за последний месяц обе крупнейшие коллаборации, работающие на LHC, сообщили о наблюдении любопытных отклонений в похожих — но не идентичных! — конфигурациях частиц. Статья коллаборации CMS появилась в конце февраля, а работа ATLAS — в середине марта, буквально на днях.

В обеих работах физики изучали события следующего типа: наблюдаются как минимум две адронные струи, лептонная пара (электрон-позитрон или мюон-антимюон) и потерянный поперечный импульс. На рис. 3 показаны два примера процессов с рождением и распадом суперсимметричных частиц, которые могли бы порождать такие события. Конечно, существуют и обычные (фоновые) процессы, которые дают такой же сигнал. Например, в столкновении протонов может просто родиться Z-бозон, который распадется на лептонную пару, а уж адроны всегда рождаются в избытке. Если детектор неправильно сосчитает энергию адронных струй, вполне может появиться дисбаланс поперечного импульса. Однако в этом случае дисбаланс будет небольшим, порядка десятков ГэВ. Чтобы избавиться от него, физики отобрали только такие события, в которых дисбаланс составлял как минимум сотню ГэВ (в случае ATLAS — 225 ГэВ). Есть и другие источники фона, но все их физики аккуратно учли.

Рис. 3. Два примера событий с рождением и распадом суперсимметричных частиц. Частицы Стандартной модели показаны темным цветом, гипотетические суперсимметричные частицы — красным. В обоих вариантах легчайшая суперсимметричная частица считается стабильной. Она улетает, не оставляя след в детекторе, и приводит к дисбалансу поперечного импульса, который детектор измеряет. Два типа процесса отличаются тем, как рождаются лептоны, — независимо (вверху) или резонансно (внизу). В детекторе они будут сильно отличаться по распределению инвариантной массы лептонной пары

Два типа сигналов, показанные на рис. 3, отличаются поведением лептонной пары. На верхней картинке показано нерезонансное рождение лептонов, в котором они излучаются независимо друг от друга. В этом случае энергии двух лептонов не связаны друг с другом, а значит, инвариантная масса этой пары (m_ll) может быть самой разной, и большой, и маленькой. На нее имеется лишь ограничение сверху, поскольку эти лептоны получаются из распадов тяжелых частиц. С точки зрения эксперимента, характерный сигнал таких событий выглядит так: имеется широкое распределение по m_ll, которое вдруг обрывается выше некоторого значения. Именно этот «обрыв распределения» и искали физики.

На нижней картинке на рис. 3 показан другой вариант — резонансное рождение лептонной пары. Здесь лептоны рождаются не сами по себе, а получаются в результате распада Z-бозона. Поэтому их энергии скоррелированы, а инвариантная масса пары близка к массе Z-бозона (91 ГэВ). Поэтому в поисках такого типа событий можно сфокусироваться на области от 81 до 101 ГэВ, а участок распределения вне ее, наоборот, использовать для оценки фона.

Два коллектива — CMS и ATLAS — выполнили оба типа поисков, правда со слегка отличающимися критериями отбора. Но вот результаты у них получились разными. CMS сообщает, что в случае нерезонансного рождения (рис. 3, вверху) в области m_ll от 20 до 70 ГэВ наблюдается некоторое превышение числа событий над фоном, с обрывом распределения при значении около 71 ГэВ. Статистическая значимость отклонения оценена в 2,4σ. Эффект, конечно, не слишком впечатляющий, но тем не менее заслуживает интереса, тем более что это был один из первых поисков суперсимметрии методом обрыва распределения. В случае резонансного рождения коллаборация CMS не видит никаких отклонений.

Результаты ATLAS получились прямо противоположными. Нерезонансный поиск ничего существенного не выявил, зато в резонансном рождении было найдено любопытное отклонение. На рис. 4 показано распределение по инвариантной массе электронной или мюонной пары. Бросается в глаза то, насколько малый тут фон и насколько сильным оказался сигнал. В случае CMS всё выглядело иначе: был большой фон, и на нем физики разглядели небольшое превышение. Тут же в электрон-позитронном канале ожидалось примерно 4±2 события, а обнаружено — аж 16! В мюонном случае превышение заметно слабее, но тоже кое-что наблюдается. Невооруженному взгляду может показаться, что левый график на рис. 4 прямо-таки кричит: открытие! Однако аккуратный анализ более сдержан: статистическая значимость отклонения в электронном канале (а также в объединенном лептонном) составляет 3σ.

Рис. 4. Результаты поиска сигнала с резонансным рождением электрон-позитронной пары (слева) и мюон-антимюонной (справа). Точки с погрешностями — зарегистрированные данные, закрашенные или заштрихованные области — фон Стандартной модели, пунктирная гистограмма — пример того, что могут дать суперсимметричные модели. Изображение из статьи коллаборации ATLAS

Конечно, сейчас пока рано утверждать, что в коллайдере действительно было открыто явление, достоверно выходящее за рамки Стандартной модели. Отклонения порядка 3σ считаются указанием на существование, но никак не открытием. Такое отклонение вполне может оказаться статистической флуктуацией или неучтенной погрешностью детектора. В физике частиц встречались примеры, когда по прошествии некоторого времени рассасывались сигналы и с большей статистической значимостью. Настораживает также и то, что два детектора получили несогласующиеся результаты. Конечно, методики у них немножко разные, и никто не обещает, что отклонения в одном эксперименте обязательно подтвердятся в другом. Тем не менее после этого первого «захода» оба детектора наверняка будут уделять повышенное внимание этому процессу. Ну и, разумеется, у физиков появляется дополнительный повод с нетерпением ожидать результаты нового сеанса работы коллайдера LHC Run II, который за три года должен увеличить статистику почти на порядок.

Источники:
1) CMS Collaboration. Search for physics beyond the standard model in events with two leptons, jets, and missing transverse momentum in pp collisions at sqrt(s) = 8 TeV // arXiv:1502.06031 [hep-ex] (20 февраля 2015).
2) ATLAS Collaboration. Search for supersymmetry in events containing a same-flavour opposite-sign dilepton pair, jets, and large missing transverse momentum in sqrt(s) = 8 TeV pp collisions with the ATLAS detector // arXiv:1503.03290 [hep-ex] (11 марта 2015).

См. также:
Elizabeth Gibney. LHC 2.0: A new view of the Universe // Nature. 11 March 2015.

Игорь Иванов