Проверка экзотических теорий

Существует огромное множество теоретических моделей, которые не запрещены существующими пока экспериментальными данными и которые дают вполне четкие предсказания для LHC. Эти теории могут включать новые частицы, новые взаимодействия или новые динамические явления с уже известными частицами. Достаточно подробный список таких теорий был приведен на страничке За пределами Стандартной модели.

Некоторые из этих моделей считаются главными кандидатами в более глубокую теорию, которая должна прийти на смену Стандартной модели; другие же воспринимаются большинством физиков как явная экзотика. Тем не менее, вне зависимости от уровня экзотичности, предсказания таких теорий будут проверяться на Большом адронном коллайдере (поиску суперсимметрии на LHC посвящена отдельная страничка).

Общий подход при поиске новых явлений

Имеется два основных способа проверить предсказания новых теорий в столкновении частиц на коллайдерах:

• Прямой способ: непосредственно породить новые частицы в достаточно высокоэнергетическом столкновении.
• Косвенный способ: заметить отклонение от предсказаний Стандартной модели при рассеянии обычных частиц.

Стоит подчеркнуть, что в подавляющем большинстве теорий новые частицы либо нестабильны, либо невидимы для детектора. Поэтому как прямой, так и косвенный способ сводится к внимательному изучению процессов рождения обычных частиц и проверке того, может ли их описать Стандартная модель.

То, на какие именно процессы надо обращать внимание, зависит от конкретных моделей. Однако у многих из них есть общие особенности, отличающие их от Стандартной модели. Ниже перечислены некоторые наиболее характерные типы проверок, которые используются при поиске эффектов за пределами Стандартной модели.

Потерянный поперечный импульс

Все частицы Стандартной модели, за исключением нейтрино, видны в детекторах, а значит, можно измерить их импульсы. Поскольку протоны сталкиваются вдоль оси ускорительной трубы, суммарный поперечный импульс всех конечных частиц должен быть практически нулевым. Если детектор «видит» сильный нескомпенсированный поперечный импульс и если не удается списать его на нейтрино, это может стать свидетельством в пользу того, что в столкновении родилась и улетела прочь какая-то новая частица, не предсказанная Стандартной моделью.

Распределение по инвариантной массе

Большинство элементарных частиц, которые по-настоящему интересуют физиков (включая и гипотетические новые частицы), очень нестабильны и распадаются на более привычные частицы, не успев долететь до детектора. Но точно такой же набор зарегистрированных частиц может родиться и сам по себе, без промежуточной стадии. В результате перед физиками возникает сложная задача: имея набор частиц, зарегистрированных детектором, попытаться выяснить их происхождение.

Важное свойство квантового мира состоит в том, что это практически никогда нельзя сделать для каждого конкретного события столкновений частиц. Такую информацию физики извлекают, лишь накопив много однотипных событий и проведя их статистическую обработку (пример см. в статье Анатомия одной новости).

Ключевая кинематическая характеристика, которая помогает узнать о промежуточных этапах в рождении частиц — это их инвариантная масса. Условно говоря, это та масса, которую должна была иметь тяжелая частица, чтобы при распаде породить данную пару частиц именно с такими энергиями и импульсами. В принципе, инвариантную массу можно сосчитать для любой пары частиц — не важно, получились они в результате распада какой-то общей исходной частицы или нет. Если нет, то распределение по этой инвариантной массе будет плавным, если да, то в этом распределении будет виден явный пик, отвечающей материнской частице. Именно так нестабильную частицу можно заметить по продуктами распада.

Рис. 1. Распределение по инвариантной массе мюонных пар в области до 150 ГэВ. Изображение с сайта twiki.cern.ch

На рис. 1 показано распределение по инвариантной массе пары мюон–антимюон в области от 0,5 ГэВ до примерно 150 ГэВ. На этих данных, полученных в 2010 году, видно несколько четких пиков, отвечающих известным частицам Стандартной модели (разнообразным адронам и Z-бозону). Если подобный пик будет обнаружен при еще больших значениях массы, можно будет говорить об открытии новой частицы, не входящей в Стандартную модель.

Рис. 2. Распределение по инвариантной массе мюонных пар в области до 2 ТэВ. Разноцветной гистограммой показаны вклады разных процессов в Стандартной модели; их сумма хорошо описывает данные детектора ATLAS (черные точки). Разноцветные ломаные линии в области выше 1000 ГэВ показывают пики, которые могли бы вызвать в данных гипотетические Z'-бозоны с массой от 1 до 1,5 ТэВ. Изображение из доклада Tommaso Lari. Recent results from New Physics Searches in ATLAS (PDF, 13 Мб)

Например, на рис. 2 показано то же распределение, но только в области вплоть до 2 ТэВ. На этом графике уже приведены данные детектора ATLAS за первые месяцы 2011 года и простираются они до значений почти 700 ГэВ. Они неплохо описываются сплошной черной гистограммой, которая суммирует вклады всех процессов Стандартной модели. Цветные гистограммы в области выше 1 ТэВ показывают, как должны пойти данные, если в природе существует гипотетический Z'-бозон с массой от 1 до 1,5 ТэВ; если его нет, то данные должны по-прежнему идти вниз, следуя черной гистограмме.

Большое количество жестких объектов

В стандартном жестком столкновении рождается лишь небольшое число (два, три, четыре) жестких объектов (адронных струй или лептонов с большим поперечным импульсом). Вероятность того, что в единичном столкновении за счет стандартных процессов родится сразу, скажем, десяток таких объектов, очень мала.

Рис. 3. Событие-кандидат в черную дыру, зарегистрированное детектором CMS 23 апреля 2011 года. Здесь показан вид с торца детектора. Отдельные дуги — это треки заряженных частиц в трековом детекторе, синяя и красная гистограммы по кругу показывают энерговыделение в калориметрах. Это конкретное событие имело аномально большое число лептонов и адронных струй с большим поперечным импульсом. Подчеркнем во избежание недоразумения, что это событие называется «кандидатом в черную дыру» лишь потому, что оно прошло критерии отбора, установленные в конкретном анализе. Физики вовсе не утверждают, что тут действительно имел место процесс рождения и распада черной дыры. Изображение из статьи коллаборации CMS

Эта вероятность может резко возрасти в некоторых экзотических теориях. Например, рождение и распад микроскопических черных дыр как раз характеризуется аномально большим количеством частиц с существенными поперечными импульсами. На рис. 3 показан пример события, зарегистрированного 23 апреля 2011 года детектором CMS, в котором родилось сразу десять струй и лептонов с большим поперечным импульсом. Если бы таких событий-кандидатов в черные дыры накопилось заметно больше, чем ожидалось в Стандартной модели, можно было бы всерьез говорить об открытии микроскопических черных дыр.

Дополнительная литература

• ATLAS Exotics Public Results и CMS Exotica Public Physics Results — страницы со всеми публичными результатами коллабораций ATLAS и CMS по проверке экзотических теорий.
• Теоретики систематизируют возможные проявления новой физики на LHC // «Элементы», 17.05.2011.