Детектор ATLAS искал, но не нашел возбужденные кварки

17 августа в архиве электронных препринтов появилась статья коллаборации ATLAS, посвященная поиску экзотических сильновзаимодействующих частиц с большой массой. В Стандартной модели таких частиц нет, но они появляются в самых разных теоретических конструкциях, расширяющих Стандартную модель. Простейший пример: если кварки — не точечные частицы, а состоят из чего-то еще более фундаментального, то в принципе могут существовать «возбужденные кварки» по аналогии с возбужденными состояниями атомов или ядер. Родившись на LHC, такие частицы тут же распадаются на кварки или глюоны с большой энергией, которые за счет адронизации порождают две жесткие струи.

Поиск таких частиц на LHC — важный элемент научной программы коллайдера; ведь важно не только открывать нечто новое, но и ограничивать фантазии теоретиков о том, каким может быть наш мир. Именно о результатах поиска таких событий в накопленной статистике и сообщает коллаборация ATLAS. Как всегда, в таком анализе искомый «сигнал» приходится отлавливать на фоне очень большого «шума» — т. е. на фоне тех многочисленных событий, которые выглядят так же, но которые порождены не новыми частицами, а совершенно обычными процессами (подробнее об этом читайте в статье Анатомия одной новости, или Как на самом физики деле изучают элементарные частицы). Две жесткие струи могут возникнуть не только в результате распада новой тяжелой частицы, но и просто за счет упругого столкновения двух кварков или глюонов из встречных протонов.

Детектор ATLAS действительно нашел очень много таких двухструйных событий. Их количество довольно плавно зависело от энергии струй (а точнее, от инвариантной массы системы двух струй, которая характеризует «энергетичность» этого процесса). Если бы возбужденные кварки существовали, они породили бы заметный «пик» на этом гладком распределении. Такого пика найдено не было. Это означает, что если возбужденные кварки и существуют, они должны быть тяжелее 1,3 ТэВ, поскольку именно до этого значения масс простираются накопленные пока данные.

Конечно, такие поиски будут повторяться в будущем: чем больше будет накоплено статистики, тем более высокоэнергетические струи в ней будут попадаться, а значит, тем более тяжелые экзотические частицы сможет «почувствовать» LHC. Интересно, что уже сейчас полученный результат заметно превышает лучшее достижение Тэватрона (там были проверены лишь возбужденные кварки с массой до 0,8 ТэВ). В течение ближайшего года, когда накопленная статистика на LHC возрастет на порядки, ограничение на массу возбужденных кварков может повыситься еще раза в два.