Многоструйные события при 13 ТэВ не принесли сюрпризов

Рис. 1. Распределение двухструйных событий по инвариантной массе двух адронных струй по данным CMS

Рис. 1. Распределение двухструйных событий по инвариантной массе двух адронных струй по данным CMS. Внизу показано отклонение данных от плавной кривой наилучшего приближения. Различными прерывистыми линиями с точками показаны вклады гипотетических тяжелых частиц. График из статьи CMS Collaboration, 2015. Search for narrow resonances decaying to dijets in proton-proton collisions at sqrt(s) = 13 TeV

Большинство результатов нового сеанса работы коллайдера, представленных 15 декабря на семинаре в ЦЕРНе, несли пометку «предварительные». Однако по одному классу процессов анализы уже были завершены, и в декабре, еще до памятного семинара, обе коллаборации, ATLAS и CMS, выложили свои статьи в архив электронных препринтов. Речь идет про жесткие многоструйные события (то есть события рождения адронных струй очень большой энергии) и поиск в них отклонений от Стандартной модели.

Так, в начале декабря появились статьи сначала CMS (Search for narrow resonances decaying to dijets in proton-proton collisions at sqrt(s) = 13 TeV) и затем ATLAS (Search for New Phenomena in Dijet Mass and Angular Distributions from pp Collisions at √s = 13 TeV with the ATLAS Detector) с измерением количества двухструйных событий с инвариантной массой вплоть до 7 ТэВ. В обеих работах для анализа использовалась почти вся статистика Run 2: 2,4 fb−1 в случае CMS и 3,6 fb−1 для ATLAS. Как и предсказывала теория, это распределение имеет вид плавной, быстро спадающей зависимости (рис. 1). Физики проверяли, нет ли на этом плавном графике каких-то всплесков — такие отклонения могли бы указывать на наличие новых частиц или прочих резонансных явлений в неизученной пока области больших инвариантных масс. В нынешних данных никаких таких статистически значимых пиков пока не обнаружено. На краю распределения, в области инвариантной массы выше 4 ТэВ прослеживаются некоторые колебания в данных, но все они вполне согласуются с обычными статистическими флуктуациями. Согласие со Стандартной моделью позволило наложить еще более сильные ограничения на модели с гипотетическими тяжелыми частицами — возбужденными кварками, сильно взаимодействующими скалярами или другими частицами.

Новые данные покрывают и область в районе 2 ТэВ, где в прошлых данных коллайдера были обнаружены две любопытные аномалии, в том числе и в двухструйных событиях. Однако они были обнаружены в ходе специального отбора событий, когда физики не просто измеряли инвариантную массу двух струй, но и накладывали строгие ограничения на происхождение каждой струи. Здесь пока такого анализа не проводилось, поэтому нельзя утверждать, что новые данные закрывают аномалии при 2 ТэВ.

Чуть позже коллаборация ATLAS сообщила о результатах изучения многоструйных событий (Search for strong gravity in multijet final states produced in pp collisions at √s = 13 TeV using the ATLAS detector at the LHC). В рамках Стандартной модели многоструйные события происходят тем реже, чем больше адронных струй мы хотим увидеть. Однако если в природе существуют такие экзотические объекты, как, например, микроскопические черные дыры с массами в несколько ТэВ или другие эффекты сильной гравитации на «ТэВном» масштабе, то они проявят себя как раз в таких редких многоструйных событиях.

Коллаборация ATLAS выполнила несколько поисков таких эффектов. Она отбирала события с более чем n струями, причем число n доходило до 8. Для каждого n было построено распределение не по инвариантной массе, а по величине HT — сумме модулей поперечных импульсов всех струй. Опыт показывает, что эта величина более удобна при поиске тяжелых неизвестных объектов, распадающихся на многочисленные адроны и, возможно, на невидимые детектором частицы.

На рис. 2 показаны результаты самого мягкого отбора: здесь требовалось наличие как минимум трех адронных струй. Черные точки показывают данные, разноцветные кривые — варианты теоретического описания, возникающие из-за недостаточно точного знания партонных распределений внутри протона. Видно, что ансамбль этих кривых расходится не слишком сильно и на интерпретацию данных не особо влияет. Что касается самих данных, то здесь видны некоторые флуктуации, причем аномалия при 5 ТэВ особенно сильно бросается в глаза. Однако статистическая значимость всех этих отклонений не превышает двух стандартных отклонений, поэтому никаких серьезных выводов из этого делать нельзя: скорее всего, перед нами обычная игра случая. Более жесткие критерии отбора, когда выбирались события с более чем n струями, вплоть до n = 8, тоже не показали ничего экстраординарного, выходящего за рамки ожидаемых статистических флуктуаций.

Рис. 2. Распределение событий с тремя и более струями по величине HT

Рис. 2. Распределение событий с тремя и более струями по величине HT, характеризующей жесткость столкновения, по данным коллаборации ATLAS. Черные точки — экспериментальные данные, разноцветные кривые — разные теоретические экстраполяции из области из области ниже 4,9 ТэВ в область высоких значений HT. График из статьи ATLAS Collaboration, 2015. Search for strong gravity in multijet final states produced in pp collisions at √s = 13 TeV using the ATLAS detector at the LHC

В этой публикации была приведена еще одна любопытная деталь. Обычно экспериментаторы публикуют сразу результаты всей статистики, использованной для анализа. Но в этой работе было сделано четыре «временных среза», соответствующих статистике 0,0065 fb−1, 0,074 fb−1, 0,44 fb−1 и, наконец, 3 fb−1. Распределения были приведены для всех четырех значений. Это позволило проследить, как поначалу, когда статистика была маленькая, возникали резкие всплески в данных и как потом они сглаживались по мере накопления статистики.

На днях коллаборация ATLAS показала результаты поиска еще одного экзотического класса событий — рождения высокоэнергетического фотона и струи большой энергии (Search for new phenomena with photon+jet events in proton-proton collisions at √s = 13 TeV with the ATLAS detector). Здесь тоже изучалось распределение по инвариантной массе, на этот раз — фотоны и струи, и тоже никакого существенного отличия от предсказаний Стандартной модели не было обнаружено.

CMS свой анализ таких событий еще не завершила, однако текущее состояние этой работы можно найти в предварительной публикации Search for black holes at √s = 13 TeV, которая прямо посвящена поиску гипотетических черных дыр «ТэВного» масштаба масс. Здесь стоит отметить, что CMS отбирала события, содержащие не только жесткие струи (см. рис. 3), но и жесткие «объекты» в широком смысле (то есть и струи, и фотоны, и лептоны больших поперечных импульсов). Распределение по сумме поперечных импульсов тоже флуктуировало в области нескольких ТэВ, однако статистически достоверного отклонения от предсказаний не зарегистрировано.

Рис. 3. Событие рождения 12 жестких струй с большим поперечным импульсом в детекторе CMS

Рис. 3. Событие рождения 12 жестких струй с большим поперечным импульсом в детекторе CMS. Если бы таких событий набралось слишком много, они могли бы указывать на рождение и распад микроскопических черных дыр. Изображение из статьи CMS Collaboration, 2015. Search for black holes at √s = 13 TeV


17
Показать комментарии (17)
Свернуть комментарии (17)

  • niki  | 24.12.2015 | 08:30 Ответить
    Как понять "В рамках Стандартной модели многоструйные события происходят тем реже, чем больше адронных струй мы хотим увидеть."
    Чем больше струй в одном событии, тем такие события реже?
    Ответить
    • prox > niki | 24.12.2015 | 12:11 Ответить
      Видимо, да - говоря научным языком, чем больше струй, тем больше вершин в диаграмме, описывающей процесс, а каждая вершина добавляет константу связи, подавляющую амплитуду процесса. Что касается чёрных дыр, то здесь есть два соображения. Первое, это то, что хотя чёрные дыры гипотетически могут рождаться на ускорителях, во многом эта тема была поднята с целью привлечения внимания к БАК со стороны общественности. Второе, при обсуждении чёрных дыр сразу возникает вопрос о применимости ОТО, решением уравнений которой являются чёрные дыры, при микроскопических явлениях. Как известно, ОТО на таких масштабах не проверена.
      Ответить
      • Игорь Иванов > prox | 24.12.2015 | 14:16 Ответить
        > во многом эта тема была поднята с целью привлечения внимания к БАК со стороны общественности.

        Ну не скажите. В начале 2000-х был целый бум работ, посвященных сильной гравитации на Тэвном масштабе: модели с большими дополнительными измерениями, модели Randall-Sundrum, и как следствие микроскопические черные дыры и другие объекты сильной гравитации. Эта тема увлекла людей, потому что предсказания были проверяемы в ближайшие годы, а вовсе не для того, чтобы привлечь внимание общественности. В конце концов этот бум поднимали теоретики, а не экспериментаторы.

        Другое дело, что потом PR-офис ЦЕРНа подумал, что неплохо бы эту тему поэксплуатировать для популяризации LHC, и тут они, конечно, последствий не просчитали.

        > Второе, при обсуждении чёрных дыр сразу возникает вопрос о применимости ОТО

        Здесь, конечно, ОТО модифицируется, как минимум добавлением новых измерений, иначе не было бы таких ЧД. Союственно, поиск микроскопических ЧД — это и есть проверка ОТО на таких масштабах (а точнее, проверка этих конкретных отклонений от ОТО).
        Ответить
        • prox > Игорь Иванов | 30.12.2015 | 15:40 Ответить
          >Здесь, конечно, ОТО модифицируется, как минимум добавлением новых измерений, иначе не было бы таких ЧД

          А мне казалось, что микроскопические чёрные дыры это именно эффект ОТО - то есть, есть вероятность, что при соударениях на коллайдере частицы будут пролетать очень близко друг к другу, на расстоянии меньшем радиуса Шварцшильда, что и приведёт к появлению чёрной дыры. Видимо, этот процесс маловероятен и нужны дополнительные измерения, к примеру, для создания высокой плотности в точке. Спасибо за информацию.
          Ответить
          • Игорь Иванов > prox | 31.12.2015 | 01:08 Ответить
            В рамках обычной ОТО не бывает ЧД с массой меньше планковской. Но даже если это проигнорировать и оценить сечение, как вы сказали (опустив слова «близко друг к другу», что для квантовых частиц умеренной энергии бессмысленно), то получится безумно маленькая величина.

            Нет, все эти поиски ЧД на коллайдере ведутся только в предположении о модификации ОТО и сильной гравитации на тэвном масштабе.
            Ответить
  • Икарыч  | 24.12.2015 | 14:18 Ответить
    А если микрочерная дыра рождает при распаде не 2 и не 8, а 122 или 228 струй, детекторы вообще смогут переварить такое количество событий и что-то распознать?
    Ответить
    • Angl > Икарыч | 24.12.2015 | 16:17 Ответить
      Как отдельные струи может и не сможет такое количество распознать на уровне самого детектора, но всегда можно выделить струи и на этапе обработки данных, записываются же параметры каждой частицы, которых могут быть десятки тысяч (по крайней мере для ALICE).
      Если дыры "взрываются" с огромным числом частиц во все стороны это наверняка бы обнаружил ALICE или даже MOEDAL.
      Ответить
    • Игорь Иванов > Икарыч | 24.12.2015 | 16:52 Ответить
      Конечно, опознали бы. Просто увидели бы событие с очень большой множественностью, оно бы сразу вызвало интерес. До сих пор распределение по множественности заряженных адронов в pp-столкновениях заканчивалось в районе 200 частиц. Если бы вдобавок оказалось, что там и поперечные импульсы большие, несколько ГэВ и выше, то его изучили бы вдоль и поперек.
      Ответить
  • Impe Dumper  | 24.12.2015 | 22:04 Ответить
    Извините за вопрос не совсем по теме новости.
    Читая Ваши заметки, обратил внимание, что коллаборация ATLAS производит впечатление более успешной. Она накапливает больше статистики, чем CMS, быстрее получает результаты аналогичных исследований, раньше выступает с докладами и статьями.
    Если это не моё заблуждение, а реальный факт, то чем объясняется такое преимущество? Команда ATLAS действительно сильнее?
    Ответить
    • Игорь Иванов > Impe Dumper | 24.12.2015 | 22:58 Ответить
      Я такой закономерности не вижу.

      Насчет статистики я уже упоминал: в этом году у CMS была поломка с криогеникой центрального магнита, поэтому часть данных была наброана без магнитного поля (что делает их непригодными для многих поисков). Но это уже исправлено.
      Ответить
      • niki > Игорь Иванов | 25.12.2015 | 11:13 Ответить
        Я тоже вижу такую закономерность. Правда не по Элементам, а вообще в сети. ATLAS упоминается чаще. А если они упоминаются вместе то ATLAS первым.
        Ответить
      • niki > Игорь Иванов | 25.12.2015 | 11:23 Ответить
        Вот пожалуйста в Гугле "адронный коллайдер ATLAS" - 32 100 ссылок, "адронный коллайдер CMS" - 23 500.

        "ATLAS и CMS" - 9 860
        "CMS и ATLAS" - 4 330
        Ответить
        • Игорь Иванов > niki | 25.12.2015 | 15:56 Ответить
          Поиск в гугле:
          "месяц декабрь" — 318 тыс.
          "месяц январь" — 238 тыс.
          "месяц февраль" — 152 тыс.
          Вывод: декабрей в году в два раза больше, чем февралей.

          Не требуется обладать сверхспособностями, чтобы понять, что ATLAS/CMS — это стандартный bias алфавитного порядка.
          Ответить
          • aves > Игорь Иванов | 25.12.2015 | 18:50 Ответить
            О, не ёрничайте, этот биас способен изменить жизнь. Мои дети с фамилией из последних букв алфавита в школе вынуждены компенсировать этот недостаток только именами (начинающимися с первых букв алфавита) или намеренным написанием фамилии неправильно. В результате, вижу, что их судьба меняется.
            Ответить
          • niki > Игорь Иванов | 26.12.2015 | 00:07 Ответить
            Это то ежу понятно. А хорошо бы еще понять то, о чем шла речь.
            Ответить
          • PavelS > Игорь Иванов | 27.12.2015 | 03:07 Ответить
            А! Вот оно что. Нет, видимо есть элементарные человеческие вещи, которые от меня всегда ускользали - что коллаборации выступают по алфавитному порядку. Поднятый вопрос таки интересный, мне тоже всегда субъективно казалось что Атлас "круче", потому о нём всегда пишут в первую очередь, и лишь в последнюю про что-то что-то типа totem.

            Про bias имён... вот на одной конторе, где довелось быть, зарплату по алфавитному порядку выдавали и случалось что на конец списка (оопс!) не хватало в тот же день. Но это уж совсем оффтоп. :)
            Ответить
            • Angl > PavelS | 29.12.2015 | 00:17 Ответить
              Выступают в разном порядке, например на последней трансляции первыми выступали CMS. А вот в печати описываются скорее в алфавитном. Да и установка у ATLAS больше, и имя "мощнее". Один "Атлант", а другой "Компактный", кто круче? )
              Ответить
Написать комментарий


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»