Многоструйные события при 13 ТэВ не принесли сюрпризов

Рис. 1. Распределение двухструйных событий по инвариантной массе двух адронных струй по данным CMS. Внизу показано отклонение данных от плавной кривой наилучшего приближения. Различными прерывистыми линиями с точками показаны вклады гипотетических тяжелых частиц. График из статьи CMS Collaboration, 2015. Search for narrow resonances decaying to dijets in proton-proton collisions at sqrt(s) = 13 TeV

Большинство результатов нового сеанса работы коллайдера, представленных 15 декабря на семинаре в ЦЕРНе, несли пометку «предварительные». Однако по одному классу процессов анализы уже были завершены, и в декабре, еще до памятного семинара, обе коллаборации, ATLAS и CMS, выложили свои статьи в архив электронных препринтов. Речь идет про жесткие многоструйные события (то есть события рождения адронных струй очень большой энергии) и поиск в них отклонений от Стандартной модели.

Так, в начале декабря появились статьи сначала CMS (Search for narrow resonances decaying to dijets in proton-proton collisions at sqrt(s) = 13 TeV) и затем ATLAS (Search for New Phenomena in Dijet Mass and Angular Distributions from pp Collisions at √s = 13 TeV with the ATLAS Detector) с измерением количества двухструйных событий с инвариантной массой вплоть до 7 ТэВ. В обеих работах для анализа использовалась почти вся статистика Run 2: 2,4 fb⁻¹ в случае CMS и 3,6 fb⁻¹ для ATLAS. Как и предсказывала теория, это распределение имеет вид плавной, быстро спадающей зависимости (рис. 1). Физики проверяли, нет ли на этом плавном графике каких-то всплесков — такие отклонения могли бы указывать на наличие новых частиц или прочих резонансных явлений в неизученной пока области больших инвариантных масс. В нынешних данных никаких таких статистически значимых пиков пока не обнаружено. На краю распределения, в области инвариантной массы выше 4 ТэВ прослеживаются некоторые колебания в данных, но все они вполне согласуются с обычными статистическими флуктуациями. Согласие со Стандартной моделью позволило наложить еще более сильные ограничения на модели с гипотетическими тяжелыми частицами — возбужденными кварками, сильно взаимодействующими скалярами или другими частицами.

Новые данные покрывают и область в районе 2 ТэВ, где в прошлых данных коллайдера были обнаружены две любопытные аномалии, в том числе и в двухструйных событиях. Однако они были обнаружены в ходе специального отбора событий, когда физики не просто измеряли инвариантную массу двух струй, но и накладывали строгие ограничения на происхождение каждой струи. Здесь пока такого анализа не проводилось, поэтому нельзя утверждать, что новые данные закрывают аномалии при 2 ТэВ.

Чуть позже коллаборация ATLAS сообщила о результатах изучения многоструйных событий (Search for strong gravity in multijet final states produced in pp collisions at √s = 13 TeV using the ATLAS detector at the LHC). В рамках Стандартной модели многоструйные события происходят тем реже, чем больше адронных струй мы хотим увидеть. Однако если в природе существуют такие экзотические объекты, как, например, микроскопические черные дыры с массами в несколько ТэВ или другие эффекты сильной гравитации на «ТэВном» масштабе, то они проявят себя как раз в таких редких многоструйных событиях.

Коллаборация ATLAS выполнила несколько поисков таких эффектов. Она отбирала события с более чем n струями, причем число n доходило до 8. Для каждого n было построено распределение не по инвариантной массе, а по величине H_T — сумме модулей поперечных импульсов всех струй. Опыт показывает, что эта величина более удобна при поиске тяжелых неизвестных объектов, распадающихся на многочисленные адроны и, возможно, на невидимые детектором частицы.

На рис. 2 показаны результаты самого мягкого отбора: здесь требовалось наличие как минимум трех адронных струй. Черные точки показывают данные, разноцветные кривые — варианты теоретического описания, возникающие из-за недостаточно точного знания партонных распределений внутри протона. Видно, что ансамбль этих кривых расходится не слишком сильно и на интерпретацию данных не особо влияет. Что касается самих данных, то здесь видны некоторые флуктуации, причем аномалия при 5 ТэВ особенно сильно бросается в глаза. Однако статистическая значимость всех этих отклонений не превышает двух стандартных отклонений, поэтому никаких серьезных выводов из этого делать нельзя: скорее всего, перед нами обычная игра случая. Более жесткие критерии отбора, когда выбирались события с более чем n струями, вплоть до n = 8, тоже не показали ничего экстраординарного, выходящего за рамки ожидаемых статистических флуктуаций.

Рис. 2. Распределение событий с тремя и более струями по величине H_T, характеризующей жесткость столкновения, по данным коллаборации ATLAS. Черные точки — экспериментальные данные, разноцветные кривые — разные теоретические экстраполяции из области из области ниже 4,9 ТэВ в область высоких значений H_T. График из статьи ATLAS Collaboration, 2015. Search for strong gravity in multijet final states produced in pp collisions at √s = 13 TeV using the ATLAS detector at the LHC

В этой публикации была приведена еще одна любопытная деталь. Обычно экспериментаторы публикуют сразу результаты всей статистики, использованной для анализа. Но в этой работе было сделано четыре «временных среза», соответствующих статистике 0,0065 fb⁻¹, 0,074 fb⁻¹, 0,44 fb⁻¹ и, наконец, 3 fb⁻¹. Распределения были приведены для всех четырех значений. Это позволило проследить, как поначалу, когда статистика была маленькая, возникали резкие всплески в данных и как потом они сглаживались по мере накопления статистики.

На днях коллаборация ATLAS показала результаты поиска еще одного экзотического класса событий — рождения высокоэнергетического фотона и струи большой энергии (Search for new phenomena with photon+jet events in proton-proton collisions at √s = 13 TeV with the ATLAS detector). Здесь тоже изучалось распределение по инвариантной массе, на этот раз — фотоны и струи, и тоже никакого существенного отличия от предсказаний Стандартной модели не было обнаружено.

CMS свой анализ таких событий еще не завершила, однако текущее состояние этой работы можно найти в предварительной публикации Search for black holes at √s = 13 TeV, которая прямо посвящена поиску гипотетических черных дыр «ТэВного» масштаба масс. Здесь стоит отметить, что CMS отбирала события, содержащие не только жесткие струи (см. рис. 3), но и жесткие «объекты» в широком смысле (то есть и струи, и фотоны, и лептоны больших поперечных импульсов). Распределение по сумме поперечных импульсов тоже флуктуировало в области нескольких ТэВ, однако статистически достоверного отклонения от предсказаний не зарегистрировано.

Рис. 3. Событие рождения 12 жестких струй с большим поперечным импульсом в детекторе CMS. Если бы таких событий набралось слишком много, они могли бы указывать на рождение и распад микроскопических черных дыр. Изображение из статьи CMS Collaboration, 2015. Search for black holes at √s = 13 TeV