Детальная структура адронных струй помогает анализировать новые типы процессов

Рис. 1. Адронный распад неподвижного (слева) и быстро летящего (справа) топ-кварка. В первом случае его можно без труда распознать по трем адронным струям, во втором случае они сливаются в одну широкую струю, в которой без дополнительных усилий топ-кварк опознать трудно. Рисунок с сайта gla.ac.uk

На Большом адронном коллайдере, среди прочего, ведется поиск новых гипотетических частиц, предсказываемых разными моделями Новой физики. Эти частицы могут распадаться по-разному: например, на несколько известных частиц, а те, в свою очередь, могут распадаться на адроны. Поиск новых частиц в таком типе процессов, когда детектор видит лишь большое число адронов и никаких других «зацепок» нет, — исключительно сложная задача. Ведь в протонных столкновениях многочисленные адроны рождаются и сами по себе, без промежуточных частиц (эти процессы называются «фоном»). Заметить в этом «адронном стоге сена» иголку (которая еще и выглядит точно так же!) очень трудно.

Конечно, если принимать во внимание энергии и импульсы адронов, то ситуация немножко улучшается. Если на адроны распадается тяжелая частица, то эти адроны летят не в произвольных направлениях, а формируют более-менее узкие потоки — адронные струи. Например, топ-кварк, самая тяжелая из известных частиц, в большинстве случаев распадается на три адронные струи, которые обычно направлены в разные стороны (рис. 1, слева). Уже давно разработаны и повсеместно применяются специальные вычислительные алгоритмы, которые способны в автоматическом режиме распознавать струи в мешанине адронов. Благодаря им события с тяжелыми частицами удается легко замечать.

Однако и тут есть свой подводный камень. Если топ-кварк сам летел с околосветовой скоростью, то возникающие при его распаде адроны будут тоже все вместе лететь в одну сторону. Отдельные адронные струи есть, конечно, и тут, но только если раньше они четко отличались друг от друга, то теперь они сливаются. «Взглянув» на такое событие, алгоритм все эти адроны объединит в одну струю и не распознает в нем топ-кварк (рис. 1, справа).

Неспособность традиционных алгоритмов распознавать в таких событиях тяжелые релятивистские частицы очень мешает извлечению новой информации из многоадронных процессов. К счастью, несколько лет назад была начата теоретическая и затем вычислительная работа, позволяющая отчасти преодолеть эту проблему. Идея сама по себе была совершенно естественной — смотреть не просто на адронные струи, а искать в них характерные детали, определенную подструктуру. Это легко сказать, но трудно реализовать. Надежные алгоритмы появились только в прошлом году, а экспериментальные группы взяли эту методику на вооружение совсем недавно.

Рис. 2. Один из процессов, поиск которых велся в обсуждаемых статьях. В столкновении глюонов рождается гипотетическая тяжелая частица X, которая тут же распадается на два Z-бозона. Один из них распадается на лептон-антилептонную пару, второй — на кварк-антикварковую пару, которая затем превращается в две адронные струи. Поскольку Z-бозон летит с околосветовой скоростью, эти две струи сливаются в одну. Рисунок из статьи CMS Collaboration, 2014. Search for massive resonances decaying into pairs of boosted bosons in semi-leptonic final states at sqrt(s) = 8 TeV

На днях в архиве е-принтов появились две статьи коллаборации CMS (arXiv:1405.1994 и arXiv:1405.3447), в которых рассказывается об исследованиях, выполненных с помощью такой методики. В обеих статьях речь идет о поиске гипотетических тяжелых частиц, среди продуктов распада которых есть W- или Z-бозоны. Один пример искомого процесса показан на рис. 2. Этот анализ проводился для очень тяжелых гипотетических частиц X, с массой вплоть до 3 ТэВ, что намного больше масс W- или Z-бозонов (всего 0,1 ТэВ). Поэтому бозоны получались очень релятивистские, а значит, к их адронным распадам относятся все описанные выше трудности.

Коллаборация использовала новую информацию, которую предоставляет подструктура адронных струй, для того чтобы еще лучше отделить искомый сигнал от фона. После обработки всех набранных в 2012 году данных оказалось, что никакого существенного превышения сигнала над фоном не наблюдается. Как и водится в таких случаях, отрицательный результат позволил установить новые ограничения снизу на массы этих гипотетических частиц (то есть даже если такие частицы и существуют, их массы не могут быть меньше, чем некоторый предел). В целом же эти работы продемонстрировали перспективность новой методики: использование подструктуры адронных струй действительно помогает бороться с фоном в многоадронных процессах.