В эксперименте Run II отклонения от Стандартной модели пока не подтверждаются

Поиск физики за пределами Стандартной модели — попытка дополнить картину мира. Если же Стандартная модель верна, то остается всего лишь найти бозон Хиггса

Анализ данных эксперимента Run I на установке CDF в Лаборатории Ферми указал на возможные разногласия между экспериментом и теорией. Вопрос о том, было ли это флуктуацией или же чем-то новым, оставался открытым несколько лет. В эксперименте Run II ответ получен, Стандартная модель остается в силе, но возникли новые вопросы. Как это часто бывает в крупных экспериментах, решающий вклад в анализ данных внесли представители разных институтов — А. Б. Логинов из ИТЭФ (Москва) и Генри Фриш (Henry Frisch) из Чикагского университета. Результаты этого исследования признаны в Фермилаб событием недели.

Задача физики элементарных частиц — найти элементарные составляющие материи и исследовать взаимодействия между ними. Чтобы «увидеть» как можно более мелкие детали устройства частиц, физики сталкивают частицы максимальной энергии (чем больше энергия, тем меньше длина волны, отвечающая этой частице). Кроме того, чем больше энергия частиц, тем более массивные и/или энергичные объекты могут возникнуть в результате взаимодействия. На сегодняшний день наибольшей энергией обладают протон-антипротонные пучки на ускорителе Тэватрон в Лаборатории Ферми.

Результаты эксперимента должны объясняться в рамках теоретической модели, в которой приведена и обоснована классификация частиц, а также дано логичное описание взаимодействий между ними. Все полученные на сегодняшний день экспериментальные данные хорошо согласуются со Стандартной моделью (СМ) физики элементарных частиц. Однако эта модель во многом описательная: к примеру, она не объясняет, почему элементарных частиц ровно столько, сколько мы наблюдаем, почему различаются их массы, откуда берется темная материя и т. д. Кроме того, СМ неполна как с точки зрения эксперимента (до сих пор не найден бозон Хиггса — ключевая частица в иерархии СМ), так и с точки зрения теории (некоторые величины, рассчитанные в рамках СМ, расходятся).

Существует также множество моделей «за пределами» СМ — так называемая Новая физика (НФ), — предлагающих другие способы описания физики элементарных частиц. Как правило, в рамках этих моделей предполагается наличие дополнительных частиц или измерений. Такие теории необходимо подтвердить экспериментом — например, обнаружив новые частицы или иные эффекты, не укладывающиеся в рамки СМ. Поэтому всякое значимое отклонение от СМ вызывает интерес и требует внимательного изучения.

Так, на установке CDF на ускорителе Тэватрон в Лаборатории Ферми (США) на первой стадии эксперимента, Run I, было обнаружено событие, крайне редкое в рамках СМ (см. публикации в PRL и PRD). Это событие выглядело как совместное рождение нескольких частиц высокой энергии — двух фотонов («ф»), двух электронов («э»), а также недостающей поперечной энергии («НПЭ»), свидетельствующей о рождении одной или нескольких частиц, избежавших прямого обнаружения. Событие такого вида получило сокращенное название «2э+2ф+НПЭ». В рамках СМ события вида «2э+2ф+НПЭ» крайне редки — в имеющихся данных Run I ожидалось 10^-6 события. Следовательно, подобное «суперсобытие» могло быть вызвано рождением и распадом одной или нескольких новых частиц. Конечно, один раз может произойти что угодно. Тем не менее подобную аномалию следовало подвергнуть тщательной проверке.

Что если это одиночное «суперсобытие» — не просто редкий подарок СМ, а свидетельство чего-то нового? Что если другие такие события избежали обнаружения? Можно ли обнаружить частично восстановленные события такого рода? Например, что делать, если один из продуктов распада (электрон или фотон) пролетел «мимо» детектора? В таких случаях будут обнаружены так называемые «родственные» события.

И вот в одном из исследований Run I были проанализированы родственные события, содержащие как минимум один лептон (электрон или мюон) и фотон высоких энергий (см. публикации в PRL и PRD). События такого вида были исследованы также на наличие дополнительных высокоэнергетичных объектов — электронов, мюонов, фотонов, недостающей поперечной энергии и адронных струй. Легко заметить, что «2е+2ф+НПЭ» тоже входит в класс таких событий, но при этом категории поиска теперь существенно шире.

В постоянном поиске нового: Генри Фриш (Чикагский университет) и Андрей Логинов (сначала как аспирант в ИТЭФ, затем как научный сотрудник в Йельском университете) провели это исследование на данных Run II в CDF (фото с сайта www.fnal.gov)

Таким образом, неизвестная природа обнаруженного в Run I «суперсобытия» стала мотивацией для технически сложной стратегии «поиска по виду события». При использовании этой стратегии не делается привязки к какой-то определенной модели НФ. Вместо этого проводится аккуратное сравнение экспериментальных данных с предсказаниями СМ для разных видов событий. С помощью этой стратегии не было обнаружено других «суперсобытий», но было отмечено расхождение эксперимента и предсказаний СМ на уровне 2,7 стандартных отклонений (что соответствует вероятности в 0,7%) для одной из изученных категорий событий. Это события с лептоном («л»), фотоном («ф») и недостающей поперечной энергии (НПЭ), то есть «л+ф+НПЭ».

Результат для событий вида «л+ф+НПЭ» и одиночное событие «2э+2ф+НПЭ» вызвали огромный интерес и привели к активной разработке моделей НФ. Набор данных на стадии Run I закончился в 1996 году. Еще несколько лет понадобилось для подробного анализа набранной статистики. Как теоретики, так и экспериментаторы с нетерпением ожидали новой стадии эксперимента в Лаборатории Ферми.

Новая стадия эксперимента, Run II, была запущена в 2001 году. Для изучения еще меньших расстояний была увеличена энергия столкновений. В дополнение, для более детальных измерений была улучшена экспериментальная установка CDF. На сегодняшний день для исследования получено на порядок больше данных, чем в Run I. Настало время снова взглянуть на события с лептонами и фотонами высокой энергии. Для поиска таких событий применены те же критерии отбора, что и раньше — чтобы сделать проверку обнаруженного ранее расхождения, а также чтобы провести поиск других «суперсобытий».

Распределение в данных Run II событий, содержащих лептон, фотон и недостающую поперечную энергию (одна из многих проанализированных категорий). Новые данные закрыли вопрос о расхождении, обнаруженном в данных Run I. (Рис. с сайта www-cdf.fnal.gov)

В результате тщательного анализа обнаружено 163 события вида «л+ф+НПЭ» (то есть содержащих лептон, фотон и недостающую поперечную энергию), что согласуется с ожиданием 150,6 ± 13,0 событий в рамках СМ (см., например, статью для публикации в PRD). К сожалению, новые данные не подтверждают расхождения, замеченного в Run I. Также пока не обнаружено новых «суперсобытий».

Тем не менее при изучении разных подкатегорий таких событий были обнаружены 3 события вида «2л+ф+НПЭ» (то есть с двумя лептонами, фотоном и недостающей поперечной энергией) — при ожидании 0,6 ± 0,1 события (что соответствует вероятности 2,4%). Как это часто происходит, при ответе на один вопрос возникает другой.

Дописана еще одна глава этой саги, но много других еще предстоит написать, по мере того как набираются данные в Run II. К 2009 году ожидается в несколько раз больше данных, а пока Стандартная модель остается в силе. Только новые исследования и/или новые данные смогут ответить на вопрос о структуре окружающего нас мира.

Подробно ознакомиться с этой работой можно на сайте, посвященном исследованию.

По информации издания Fermilab Today и ГНЦ РФ ИТЭФ (Москва).

Андрей Логинов, ИТЭФ и Йельский университет