ATLAS и CMS рассказывают о поисках гипотетических тяжелых частиц-резонансов

Распределение двухфотонных событий по инвариантной массе двух фотонов. Точки — экспериментальные данные, цветные гистограммы — результаты моделирования в рамках Стандартной модели. На нижнем графике показано отношение данных и моделирования. Изображение из статьи CMS Collaboration, 2015. Search for diphoton resonances in the mass range from 150 to 850 GeV in pp collisions at √s = 8 TeV

За последние недели две крупнейшие коллаборации Большого адронного коллайдера, ATLAS и CMS, выпустили сразу несколько статей, посвященных поискам гипотетических частиц-резонансов. Ничего экстраординарного обнаружено не было, что в очередной раз позволило усилить ограничения на некоторые модели Новой физики.

Резонансы — это общее название любых нестабильных частиц, продукты распада которых полностью видны в детекторе. Когда экспериментаторы изучают какой-то определенный набор частиц, зарегистрированных детектором, они могут восстановить их инвариантную массу и построить по ней распределение. Узкий всплеск над ровным фоном в таком распределении говорит о существовании новой частицы (или, как минимум, новой структуры); это и есть резонанс.

Очень многие адроны являются резонансами при малых инвариантных массах. Хиггсовский бозон, открытый в 2012 году, тоже проявился как резонанс, распадающийся на два фотона или на четыре лептона (см., например, графики в новости Хиггсовский бозон: открытие и планы на будущее, «Элементы», 16.07.2012). Поэтому, когда экспериментаторы ищут проявления Новой физики без привязки к какой-то теоретической модели, они перебирают различные наборы частиц и смотрят, нет ли в распределении по инвариантным массам каких-то резонансов. Это один из самых консервативных способов искать «экзотику».

Мы уже сообщали о таких поисках на первых этапах работы коллайдера. Затем основные силы экспериментаторов были брошены на детальное изучение хиггсовского бозона и поиск суперсимметрии. Сейчас же, опубликовав окончательные данные по этим ключевым темам, физики снова вернулись к теме резонансов. Проанализировав всю статистику сеанса Run 1, группы ATLAS и CMS представили результаты поиска резонансов разной природы.

Это были, прежде всего, двухфотонные резонансы (см. публикации Search for high-mass diphoton resonances in pp collisions at √s = 8 TeV with the ATLAS detector и Search for diphoton resonances in the mass range from 150 to 850 GeV in pp collisions at √s = 8 TeV), которые очень хорошо регистрируются детектором. Такие резонансы могли бы быть хиггсовскими бозонами в неминимальных хиггсовских моделях или более экзотическими частицами, например, тяжелыми собратьями гравитона. Их отсутствие в области инвариантных масс вплоть до 1 ТэВ позволило ограничить соответствующие теоретические модели.

Чуть сложнее изучать резонансы, распадающиеся на топ-кварки (см. статьи A search for tt̄ resonances using lepton-plus-jets events in proton-proton collisions at √s = 8 TeV with the ATLAS detector и Search for resonant tt̄ production in proton-proton collisions at √s = 8 TeV). Каждый топ-кварк сам распадается на большой набор частиц, которые требуется вначале идентифицировать и собрать вместе, чтобы реконструировать энергию и импульс топ-кварка. Тем не менее это физикам неплохо удается. Здесь помогают новые методики изучения адронных струй, про которые мы рассказывали в новости Детальная структура адронных струй помогает анализировать новые типы процессов. Аналогичные трудности возникают при поиске резонансов в парном рождении W- или Z-бозонов (см. статьи коллаборации ATLAS Search for production of WW/WZ resonances decaying to a lepton, neutrino and jets in pp collisions at √s = 8 TeV with the ATLAS detector и Search for high-mass diboson resonances with boson-tagged jets in proton-proton collisions at √s = 8 TeV with the ATLAS detector).

Изучались также тяжелые резонансы, распадающиеся на тау-лептоны (A search for high-mass resonances decaying to τ⁺τ⁻ in pp collisions at √s = 8 TeV with the ATLAS detector), которыми могут быть частицы-переносчики новых гипотетических сил. Другой экзотический вариант — тяжелые собратья лептонов, распадающиеся как резонансы на Z-бозон и обычные лептоны (Search for heavy lepton resonances decaying to a Z boson and a lepton in pp collisions at √s = 8 TeV with the ATLAS detector).

Полезно подчеркнуть, что во всех этих поисках на графиках данных наблюдаются неизбежные статистические флуктуации. Отдельные точки могут даже существенно расходиться со Стандартной моделью, как, например, точка при массе чуть выше 400 ГэВ на рисунке в начале новости. Однако статистическую значимость всех таких флуктуаций надо оценивать с учетом «эффекта заглядывания во все углы». Из-за него никаких громких выводов о наблюдении необычного эффекта на основании одного такого отклонения сделать не удается.