Коллайдер продолжает поиск частиц — переносчиков новых взаимодействий

Распределение событий по инвариантной массе электрон-позитронной пары. Черные точки — экспериментальные данные, закрашенные области — различные источники фона Стандартной модели, цветные гистограммы — примеры того, какой вклад будут давать гипотетические Z'-бозоны с массами 3, 4 и 5 ТэВ. Изображение из статьи arXiv:1707.02424

Вот уже почти сто лет известно, что элементарные частицы взаимодействуют друг с другом посредством всего четырех фундаментальных взаимодействий: электромагнитного, сильного, слабого, а также гравитации, которая, впрочем, на масштабах микромира себя не проявляет. Стандартная модель прекрасно описывает эти взаимодействия, но не дает ответ на вопрос, откуда они берутся. На самом деле никто не запрещает того, что взаимодействий в нашем мире — больше, просто они действуют на очень малых расстояниях и потому их проявления до сих пор не обнаружены. Многочисленные теории за пределами Стандартной модели постулируют существование новых взаимодействий или объединяют уже существующие в единую общую силу, однако окончательный вердикт об их реальности всё равно остается за экспериментом.

Большой адронный коллайдер ищет всевозможные проявления этих новых сил. Самый прямой способ их обнаружить — это открыть новую частицу — переносчик этих сил. Условное обозначение для такой гипотетической частицы — W', если она электрически заряжена, и Z', если нейтральна. Короткий радиус действия сил означает, что у этих частиц-переносчиков должна быть большая масса. Конечно, если она настолько огромна, как предсказывают теории великого объединения (порядка 10¹⁵ ГэВ), то никаких шансов напрямую их обнаружить нет. Но частицы могут оказаться и полегче, с массой несколько ТэВ, и тогда коллайдер сможет их породить и увидеть следы их распада. Как конкретно искать — зависит от деталей теоретической модели. Экспериментаторы стараются проверить все варианты, чтобы обнаружить следы новых частиц при самых разных предположениях.

Один вариант такой: все известные кварки и лептоны «слепы» к новому взаимодействию, однако хиггсовский бозон или тяжелые W- и Z-бозоны в нем участвуют. Тогда новую частицу можно будет ловить в каналах рождения WW, WZ, ZZ, WH или ZH в виде всплеска в распределении по инвариантной массе пары бозонов. Такие поиски уже, конечно, велись. Более того, в данных Run 1 были обнаружены два намека на такие всплески в WZ-канале и в WH-канале в районе 2 ТэВ. Однако когда появились первые данные Run 2, эти аномалии улетучились. Окончательный удар по ним был нанесен недавно, в конце мая. В архиве препринтов появилась большая статья коллаборации CMS (arXiv:1705.09171) с мета-анализом — между прочим, первым в своем роде — всех перечисленных выше двухбозонных каналов на основе статистики Run 1 и данных за 2015 год. Выяснилось, что нигде нет статистически достоверного отклонения, что позволило наложить на массы этих гипотетических частиц-переносчиков ограничение снизу — 2,3 ТэВ.

Имеются предварительные результаты по поиску таких резонансов и на полной статистике Run 2, см., например, недавний анализ ATLAS. Там тоже пока ничего не обнаружено, и ограничение снизу на массу достигает уже примерно 3 ТэВ. Оговоримся, впрочем, что в одном варианте поиска всё же проступает некоторая аномалия как раз при 3 ТэВ, и она потребует дальнейшего анализа.

Возможен и другой вариант, когда кварки и лептоны тоже охотно участвуют в новом взаимодействии. В этом случае новые частицы-переносчики могут напрямую распадаться на пары фермионов. Недавний пример такого анализа — это публикация коллаборации ATLAS arXiv:1706.04786, в которой физики искали распады W' на электрон или мюон и нейтрино — и тоже ничего отклоняющегося от нормы не нашли. Конечно, заранее не известно, насколько интенсивно работает это взаимодействие. Если для удобства предположить, что оно такое же интенсивное, как и для W-бозона (переносчика слабого взаимодействия), то получается ограничение снизу на массу W' — около 5 ТэВ. В другой недавней статье arXiv:1707.02424 коллаборация ATLAS выполнила поиск и Z'-бозонов по их распадам на электрон-позитронные или мюонные пары. В распределении по инвариантным массам пары не обнаружилось ничего выдающегося, что позволило установить ограничение снизу около 4 ТэВ — опять же, в предположении, что этот распад идет интенсивно.

Подчеркнем, что все эти отрицательные результаты вовсе не являются доказательством, что новых частиц легче 1 ТэВ вообще не существует. Они вполне могут существовать, если к ним «слепы» и наши обычные взаимодействия, и фундаментальные фермионы. Есть теоретические модели (модели скрытой долины или модели хиггсовского портала), в которых такая ситуация возникает естественным образом, и теоретики обсуждают, как в таком случае искать их проявления.