ATLAS выполнил нехарактерный для себя поиск сверхредкого процесса

Рис. 1. Пример трехмюонного события, прошедшего отбор

Рис. 1. Пример трехмюонного события, прошедшего отбор. Рисунок с сайта atlas.web.cern.ch

Отклонения от Стандартной модели, которые физики так хотят обнаружить на LHC, способны проявиться не только в высокоэнергетичных процессах, но и в виде тонких эффектов в распадах легких частиц. Более того, среди десятка обнаружившихся к настоящему моменту намеков на Новую физику половина касается как раз распадов мезонов. Поэтому всегда есть смысл искать новые эффекты не только при максимальных энергиях, но и в поведении легких частиц.

На днях коллаборация ATLAS выпустила статью Probing lepton flavour violation via neutrinoless τ→3μ decays with the ATLAS detector, в которой она сообщает о поиске необычного распада \(\tau\to3\mu\), а точнее, распада \(\tau^-\to\mu^-\mu^+\mu^-\) или его версии с противоположными зарядами. При таком распаде нарушается сорт лептонов, поэтому в рамках Стандартной модели он возможен лишь за счет того, что где-то внутри этого процесса возникнет промежуточное нейтрино, изменит свой сорт и вновь поглотится. Мы сейчас знаем, что нейтрино осциллируют, они способны менять свой «аромат», поэтому этот распад в принципе возможен и в СМ.

Проблема, однако, в том, что вероятность нейтринного превращения на микроскопических масштабах очень мала. Из-за этого сам распад получается очень редким, с вероятностью не более 10−14 (но не безумно редким, как, например, распад мюона на электрон и фотон — там вероятность в рамках СМ не превышает 10−50!). Более того, в разных моделях Новой физики есть возможности увеличить эту вероятность в тысячи раз. Поэтому, если он будет обнаружен, это станет очень серьезной заявкой на открытие Новой физики.

Этот распад искали на других, специализированных, коллайдерах; к нему также приложила руку и коллаборация LHCb (см. статью Search for the lepton flavour violating decay τ→μμ+μ). Свидетельств в его пользу пока не нашли, и рекордное ограничение сверху на его вероятность составляет 20 миллиардных. Отметим также, что поиск этого распада перекликается с недавним намеком на «невозможный» распад хиггсовского бозона на мюон и тау-лептон. Не исключено, что эти два процесса позволяют прощупать один и тот же сектор Новой физики — а значит, ограничение на один распад можно будет пересчитать в вероятность другого.

Стратегия поиска этого редкого процесса в детекторе ATLAS состояла в следующем. В протонных столкновениях в больших количествах рождаются тяжелые W-бозоны. Они распадаются, в том числе, и с испусканием тау-лептонов. Эти тау-лептоны достаточно энергетические, с поперечными импульсами в десятки ГэВ (масса самого тау-лептона — чуть меньше 2 ГэВ). Поэтому, если вдруг он и распадется на три мюона, детектор увидит три близких мюонных следа, берущих начало из одной точки и имеющих инвариантную массу, примерно равную массе тау-лептона (рис. 1). Поиск таких мюонных троек и велся в детекторе.

Конечно, существуют и стандартные процессы, которые могут случайно дать похожий сигнал. Это, например, рождение и распад нескольких тяжелых мезонов. При таких распадах мюоны сопровождаются потоками адронов, поэтому появляется возможность отделить реальный сигнал от такого фона. Однако эта задача достаточно трудоемкая, поэтому ее поручили специально натренированному алгоритму распознавания.

Отбор событий велся в несколько этапов, причем его критерии настраивались в режиме контролируемого слепого анализа. Если самый первый, мягкий отбор прошло несколько сотен событий, то предпоследнюю стадию отбора — всего 7 событий-кандидатов в сигнальной области и 28 — в боковых, тестовых (рис. 2). Последний, самый жесткий этап отбора не прошло ни одно событие-кандидат ни в сигнальной, ни в тестовой областях. Одно событие, впрочем, выжило, но оно находилось как раз в промежуточной зоне и не повлияло на анализ.

Рис. 2. Распределение событий, прошедших два последних этапа отбора

Рис. 2. Распределение событий, прошедших предпоследний (черные точки) и последний (красная точка) этап отбора, по инвариантной массе трех мюонов. Серым показана форма ожидаемого сигнала. Изображение из обсуждаемой статьи

Отсутствие сигнала позволило установить ограничение сверху на вероятность распада: 376 миллиардных. Это, конечно, еще недотягивает до рекорда других детекторов, но и механизм рождения тау-лептонов тут иной, и потому следует ожидать резкого улучшения этого ограничения по результатам Run 2.


2
Показать комментарии (2)
Свернуть комментарии (2)

  • Minbadar  | 25.01.2016 | 19:10 Ответить
    >Отсутствие сигнала позволило установить ограничение сверху на вероятность распада: 376 миллиардных. Это, конечно, еще недотягивает до рекорда других детекторов, но и механизм рождения тау-лептонов тут иной, и потому следует ожидать резкого улучшения этого ограничения по результатам Run 2.

    Согласно https://atlas-physics-updates.web.cern.ch/atlas-physics-updates/2015/08/17/probing-inside-the-proton/ при увеличении энергии с 8 до 13 ТэВ сечение рождения W-бозона растет всего в 1.7 раза. Соответственно число порожденных ими тау-лептонов тоже вырастет всего лишь в разы, а ATLASное ограничение на редкий распад хуже аналогичных на порядок. Революции на этом участке фронта ATLASу не произвести, максимум дежурные публикации.
    Ответить
  • prometey21  | 25.08.2016 | 18:28 Ответить
    ping
    Ответить
Написать комментарий


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»