В данных LHC проступают новые намеки на отклонения от Стандартной модели

Рис. 1. Столкновение протонов на Большом адронном коллайдере может привести к одновременному рождению двух бозонов Хиггса и их последующему распаду. Показанное здесь событие рождения двух b-струй и двух фотонов большой энергии, зарегистрированное детектором CMS в октябре 2018 года, вполне согласуется с этим процессом. Отличие вероятности таких событий от предсказаний Стандартной модели может привести к открытию неизвестных до сих пор фундаментальных частиц. Рисунок с сайта cds.cern.ch

В данных Большого адронного коллайдера за последние несколько лет, похоже, вырисовываются новые намеки на отклонения от Стандартной модели. Сразу в нескольких публикациях экспериментальных групп ATLAS и CMS, вышедших в последнее время или готовящихся к печати, сообщается о любопытных аномалиях в процессах с участием бозона Хиггса, наблюдающихся при инвариантных массах ниже 100 ГэВ и в районе 1 ТэВ. Статистическая значимость отклонений пока недостаточна для заявления об открытии, однако всесторонний анализ данных еще не окончен.

Охота за Новой физикой

После быстрого открытия бозона Хиггса десять лет назад главной научной задачей Большого адронного коллайдера стал поиск каких-либо достоверных отклонений от предсказаний Стандартной модели. Если такое отклонение будет обнаружено с достаточной статистической значимостью и будет доказано, что его нельзя списать на экспериментальные или теоретические погрешности, оно принесет своим первооткрывателям Нобелевскую премию и положит начало новой эре в физике частиц. Исследователи наконец-то «нащупают» явления за пределами Стандартной модели, — то, что сейчас условно называется Новая физика, — и приступят к всестороннему изучению устройства мироздания на еще более фундаментальном уровне.

Надо сказать, что физики-теоретики уже предложили сотни моделей Новой физики разной степени экзотичности. Одни модели предсказывают фейерверки новых частиц или прочие явления, совершенно непохожие на то, что возможно в Стандартной модели. Другие более сдержанны в своих предсказаниях: на их основании физики всего лишь ожидают увидеть некоторые отклонения в поведении уже известных частиц — изменение скорости распада тех или иных нестабильных частиц или особенности в распределении по инвариантной массе. Многие из этих предсказаний доступны для проверки на Большом адронном коллайдере. Экспериментаторы, анализируя данные LHC, занимаются поиском любых отклонений, до которых коллайдер способен «дотянуться». Когда какое-то расхождение между экспериментом и ожиданиями Стандартной модели действительно обнаруживается, оно становится объектом самого пристального внимания. Если за ним стоит реальное новое физическое явление, а не статистическая флуктуация или неучтенная погрешность измерения, отклонение должно усилиться по мере накопления данных в последующих сеансах работы коллайдера. О полноценном открытии нового явления физики объявляют, лишь когда глобальная статистическая значимость различия превышает пять стандартных отклонений (5σ).

Первый сеанс работы LHC Run 1 (2010–2012 годы) принес большой объем данных, который физики обрабатывали несколько лет. К началу второго сеанса работы коллайдера в 2015 году среди сотен изученных процессов и тысяч измеренных характеристик действительно обнаружилось несколько намеков на существенные отклонения от предсказаний Стандартной модели на уровне статистической значимости от 2σ до 4σ (рис. 2). Сводку самых любопытных намеков на Новую физику по состоянию на октябрь 2015 года можно найти на нашей страничке Загадки коллайдера. Хотя экспериментаторы сдержанно сообщали, что отклонения пока нельзя считать открытиями, некоторые результаты вызвали настоящий ажиотаж среди теоретиков; многие из них воспринимали ситуацию так, словно мы стоим на пороге больших открытий.

Рис. 2. Отклонения от Стандартной модели, обнаружившиеся по итогам первого сеанса работы коллайдера. Здесь приведена сводка по состоянию на октябрь 2015 года. Три года спустя выжили лишь отклонения из левой колонки

Второй сеанс работы коллайдера LHC Run 2 (2015–2018 годы) расставил все по местам. Гораздо больший объем данных, обновленные детекторы, улучшенные методики обработки данных, все более широко использующие методы машинного обучения, позволили быстро «закрыть» обнаружившиеся ранее отклонения при высоких энергиях или при больших массах. Самая громкая сенсация — двухфотонный пик при массе 750 ГэВ — вспыхнула и рассеялась в течение полугода, успев потрепать физикам немало нервов (см. Двухфотонный пик исчез в новых данных коллайдера, «Элементы», 05.08.2016). Единственный тип отклонений, которые выдержали проверку временем, связан с распадами прелестных мезонов. Здесь имеется сразу несколько загадочных расхождений с предсказаниями Стандартной модели, которые продолжают подтверждаться новыми данными, но все никак не «дозреют» до полноценного открытия. Для многих физиков эти отклонения в распадах B-мезонов — главная надежда на скорое обнаружение Новой физики.

В 2022 году, на фоне начала третьего сеанса работы LHC Run 3, продолжается поток экспериментальных результатов, полученных на основе всей статистики сеанса Run 2. И хотя подавляющее большинство измеренных характеристик самых разных процессов согласуется, в пределах погрешностей, с ожиданиями Стандартной модели, к настоящему времени все же накопилось несколько любопытных расхождений, которые имеют шанс перерасти в полноценное открытие. И хотя, обжегшись на частице-мираже с массой 750 ГэВ, теоретики сейчас уже не впадают в радостное возбуждение, они, тем не менее, внимательно следят за экспериментальными результатами и предлагают свои интерпретации отклонений.

Двухэтапный распад бозона Хиггса

Рассказ об отклонениях можно начать с описания результата годичной давности, который не получил освещения в научно-популярных СМИ, но который хорошо иллюстрирует методику поиска отклонений.

В самом начале 2022 года коллаборация ATLAS опубликовала в журнале Physical Review D статью, в которой рассказывается о проверке необычного распада бозона Хиггса \(H \to aa \to b\bar{b}\mu^+\mu^-\) (рис. 3). В этом процессе бозон Хиггса распадается не напрямую на известные частицы, а вначале «расщепляется» на пару новых гипотетических CP-нечетных бозонов a, а уже они, в свою очередь, распадаются на известные частицы (конкретно, пару b-кварк и антикварк и мюон-антимюонную пару). В Стандартной модели, разумеется, никаких новых бозонов не существует, но в теориях Новой физики они часто встречаются. Поскольку массы и свойства этих новых частиц не фиксированы, а выступают свободными параметрами модели, однозначных предсказаний насчет вероятности этого распада нет. Однако предлагается метод поиска проявлений такого распада, который экспериментаторы и взяли на вооружение.

Рис. 3. Пример нестандартного распада бозона Хиггса \(H \to aa \to b\bar{b}\mu^+\mu^-\), невозможного в Стандартной модели, но встречающегося в многохиггсовских теориях. Промежуточные частицы a — гипотетические легкие бозоны

Когда физики из группы ATLAS искали проявления этого распада в данных своего детектора, они отбирали столкновения, в которых рождались две адронные струи, порожденных b-кварком, а также мюон-антимюонная пара достаточной энергии. Обе пары частиц (b-анти-b и мюон-антимюон) должны обладать одинаковой инвариантной массой, равной m_a, массе бозона a (свободный параметр анализа). Впрочем, аккуратно измерить удается лишь инвариантную массу μμ-пары, на которую физики и опирались, проверяя различные значения m_a. Суммарная инвариантная масса всех четырех частиц должна находиться в области от 110 ГэВ до 140 ГэВ, то есть недалеко от массы бозона Хиггса (125 ГэВ).

Из всего массива данных сеанса Run 2 отбор прошли лишь около тысячи событий. Построив распределение событий по инвариантной массе μμ-пары (она же m_a) и сравнив данные с ожидаемым фоном от Стандартной модели, физики обнаружили существенное превышение в районе m_a = 52 ГэВ. Погрешности пока достаточно велики, что не позволяет физикам заявить об открытии нового распада (и, следовательно, совершенно новой частицы за пределами Стандартной модели). Поэтому вместо указания вероятности искомого распада физики приводят ограничение сверху: если распад и протекает, то его вероятность будет меньше некоторого значения.

На рис. 4 красной кривой показаны полученные в результате анализа ограничения сверху. В широком диапазоне масс m_a они лежат в районе одной десятитысячной и, самое главное, примерно совпадают с тем, что этот эксперимент должен был бы показать в отсутствие искомого распада, на основе одной лишь Стандартной модели (черная линия). Иногда красная линия слегка отклоняется от черной, но по-прежнему лежит внутри цветных полос — области, отличающейся от ожиданий на ±2σ. Однако в районе m_a = 52 ГэВ ограничение сверху оказывается в несколько раз хуже того, что ожидалось изначально. Образно выражаясь, природа «сопротивляется» установлению слишком жесткого ограничения сверху, не позволяя физикам «закрыть» этот вариант распада. Локальная статистическая значимость отклонения при 52 ГэВ достигает 3,3σ. Однако глобальная статистическая значимость, учитывающая, что мы заранее не знаем, в каком месте обнаружится отклонение, составляет скромные 1,7σ.

Рис. 4. Ограничение сверху на вероятность гипотетического распада \(H \to aa \to b\bar{b}\mu^+\mu^-\) в зависимости от массы новой частицы a. Красная линия — результаты измерений; черная линия и цветные полосы — ограничения, ожидаемые в рамках Стандартной модели в пределах 2σ. Аномалия в области 52 ГэВ указывает на потенциальное открытие. Изображение из обсуждаемой статьи G. Aad et al. (ATLAS Collaboration), 2022. Search for Higgs boson decays into a pair of pseudoscalar particles...

Конечно, это отклонение вполне может оказаться лишь игрой случая. Но не исключен и вариант, что в данных действительно начинает проступать распад, вызванный новыми частицами. Напомним, что именно в виде бугра на аналогичном графике начинал проступать и бозон Хиггса в первых данных Большого адронного коллайдера (см., например, новость ЦЕРН сообщает о первых намеках на обнаружение хиггсовского бозона, «Элементы», 13.12.2011). В любом случае, только новые данные смогут подтвердить или опровергнуть эту аномалию.

Новые отклонения

Совсем недавно, 22 сентября, в архиве электронных препринтов появилась еще одна статья коллаборации ATLAS (arXiv:2209.10910), сообщающая о новом отклонении, уже в районе инвариантных масс 1000 ГэВ. В этой статье изучалось рождение не одного, а сразу двух бозонов Хиггса, один из которых затем распадался на b-анти-b пару, а второй — на лептонную пару тау-антитау (рис. 5). Оба этих распада, \(H \to b\bar{b}\) и \(H \to \tau^+\tau^-\), уже были надежно обнаружены ранее (см. Бозону Хиггса — 10 лет, «Элементы», 01.07.2022). В этой работе они выступали в качестве инструмента для поиска одновременного рождения двух бозонов Хиггса — важный процесс, который коллайдер еще не открыл.

Рис. 5. Варианты рождения одновременно двух бозонов Хиггса с их последующими распадами на b-анти-b и τ⁺τ^– пары. Слева: нерезонансное рождение, возможное как в Стандартной модели, так и в иных теориях. Справа: гипотетическое резонансное рождение через тяжелую промежуточную частицу X

Одновременное рождение двух бозонов Хиггса возможно как в Стандартной модели, так и в теориях Новой физики за счет новой тяжелой частицы. Различие лишь в том, как число событий распределено по инвариантной массе двух хиггсовских бозонов. В Стандартной модели это распределение плавное. Но если в природе существует новая тяжелая частица с массой m_X, распадающаяся на пару HH, то она проявится как дополнительный «бугор» на этом распределении.

Результаты этого исследования во многом напоминают предыдущий пример. До надежной регистрации искомого процесса дело пока не дошло — иначе бы физики объявили, что им, наконец-то, удалось зарегистрировать двойное хиггсовское рождение. Поэтому экспериментаторы приводят график ограничения сверху на сечение процесса (рис. 6). Видно, что поначалу черная кривая (результаты измерения) лежит в пределах цветных полос (теоретические ожидания в пределах ±2σ), однако в области от 800 до 1200 ГэВ она проходит существенно выше — так, словно в природе действительно существует новая частица с массой в районе 1 ТэВ, которая дополнительно усиливает рождение двух бозонов Хиггса. Локальная статистическая значимость отклонения составляет 3,1σ, глобальная — 2σ. Эти числа не слишком впечатляют, но, возможно, аномалия усилится в данных сеанса Run 3.

Рис. 6. Ограничения сверху на сечение одновременного рождения двух бозонов Хиггса за счет гипотетической тяжелой частицы X в зависимости от массы этой частицы. Красная и синяя линии — результаты измерений для разных вариантов распада тау-лептонов, черная линия — их объединение. Пунктирными линиями показано, что ожидалось от этого эксперимента в рамках Стандартной модели; цветные полосы показывают ожидаемые неопределенности. Изображение из обсуждаемой публикации ATLAS Collaboration, 2022. arXiv:2209.10910

Коллаборация CMS тоже не остается в стороне. В своем августовском препринте arXiv:2208.02717 физики рассказывают, среди прочего, о поисках дополнительного бозона Хиггса φ, который, наподобие уже открытого хиггсовского бозона, тоже мог бы рождаться в столкновении протонов и распадаться на τ⁺τ^–. Анализ выявил два небольших отклонения: один в районе 100 ГэВ с глобальной статистической значимостью 2,3σ, второй — в широкой области около 1,2 ТэВ с глобальной статистической значимостью 2,4σ.

Рис. 7. Ограничение сверху на сечение рождения и распада гипотетического дополнительного бозона Хиггса. Сплошная черная линия — результаты измерений, пунктир и цветные полосы — ожидания в рамках Стандартной модели со своими неопределенностями. Изображение из обсуждаемой публикации CMS Collaboration, 2022. arXiv:2208.02717

Обратите внимание: в двух упомянутых статьях присутствует отклонение в области 1 ТэВ, но в разных каналах распада. Является ли это совпадением случайных отклонений или перекрестным подтверждением новой частицы — покажет время.

Особый интерес вызывает также и первое расхождение, при 100 ГэВ. Дело в том, что три года назад физики заметили, что в данных не только LHC, но и более раннего электрон-позитронного коллайдера LEP вырисовывается аномалия при массе 95 ГэВ. Например, на рис. 8 показаны результаты CMS 2019 года по поиску дополнительных бозонов Хиггса, распадающихся на два фотона. Пик при 90 ГэВ — это «помехи» от Z-бозона, тут все в порядке, данные совпадают с ожиданиями. Но сразу за ним снова наблюдается отклонение. В этом конкретном случае глобальная статистическая значимость была невелика, всего лишь 1,3σ, поэтому экспериментаторы не делали никаких громких заявлений. Но если попробовать объединить результаты нескольких измерений, статистическая значимость аномалии при 95 ГэВ может резко возрасти. Сейчас, в августовской статье, физики из CMS подчеркивают это совпадение, но пока не берутся объединять данные по двум вариантам распада — на два фотона и на τ⁺τ^–-пару. Будет очень любопытно увидеть эти результаты в будущем.

Рис. 8. Ограничение сверху на сечение рождения дополнительного бозона Хиггса, распадающегося на два фотона, по данным CMS, опубликованным в 2019 году. Сплошная кривая — результат измерений, пунктир с цветными полосами — ожидания Стандартной модели. Отчетливо видно расхождение при массе 95 ГэВ. Изображение из статьи CMS Collaboration, 2019. Search for a standard model-like Higgs boson...

Не менее интересные отклонения присутствуют еще в двух вариантах анализа, которые коллаборация CMS пока не оформила в виде полноценных статей, но уже поделилась предварительными результатами. Отчет CMS-PAS-HIG-20-016, обновленный в марте 2022 года, рассказывает о поиске нового тяжелого бозона, способного распадаться на W⁺W^–-пару. Поскольку масса искомой частицы — свободный параметр, физики искали ее проявления в широком диапазоне значений, от 115 ГэВ до 5 ТэВ. И действительно в данных обнаружились намеки на отклонение в области масс 700–1000 ГэВ. В предположении, что эта новая тяжелая частица рождается тоже за счет слияния W- или Z-бозонов, глобальная статистическая значимость отклонения достигала 2,6σ.

В другом предварительном отчете CMS-PAS-HIG-21-011 сообщается об исследовании рождения b-анти-b пары вместе с двумя фотонами (см. диаграмму на рис. 9 и пример реального события на рис. 1). Критерии отбора были заточены под поиск событий возникновения новой тяжелой частицы, которая распадается либо на пару бозонов Хиггса (наподобие того, что мы уже описывали выше, см. рис. 5), либо на бозон Хиггса и еще одну новую частицу, условно обозначенную Y. При таком подходе у физиков есть как минимум два свободных параметра — массы обеих гипотетических частиц. Анализ данных выявил расхождение с предсказаниями Стандартной модели, причем оно оказывается наиболее сильным (глобальная статистическая значимость 2,8σ), если взять частицу X с массой 650 ГэВ, а частицу Y — с массой 90 ГэВ. Впрочем, здесь, пожалуй, стоит дождаться полноценных статей с окончательными результатами анализа.

Рис. 9. Гипотетический процесс рождения новой тяжелой частицы X и ее распада либо на два бозона Хиггса HH, либо на бозон Хиггса и еще одну новую частицу Y. Изображение из отчета CMS-PAS-HIG-21-011

Итог

Несмотря на то, что в каждом из перечисленных выше случаев ни о каком полноценном открытии говорить не приходится, можно с уверенностью утверждать — физики заинтригованы. Как минимум пять вариантов поиска новых частиц на Большом адронном коллайдере показывают любопытные отклонения, которые группируются в двух областях масс — ниже 100 ГэВ и в районе 1 ТэВ. Аномалии видны в разных каналах распада, однако пока рано утверждать, что эти отклонения согласуются друг с другом. Для этого потребуется довести до конца анализ различных процессов в предположении тех или иных свойств новых частиц, а также — самое главное — убедиться, что выводы CMS и ATLAS подтверждают друг друга. Разумеется, это займет немало времени в силу сложности анализа, так что придется запастить терпением.

Если судить о приведенных в новости числах по всей экспериментальной строгости, то, конечно, отклонения с глобальной статистической значимостью 2,5σ не позволяют даже заявить об указании на существование нестандартного эффекта. Но тут же надо уточнить: консервативный подход, опирающийся именно на глобальную статзначимость, годится лишь до тех пор, пока мы ищем новые частицы вслепую. Если же окажется, что в новых данных или в других каналах распада коллайдер «видит» отклонение при той же массе, что и раньше, аномалия резко обострится. Поэтому в ближайшие годы следует ожидать завершения обработки данных сеанса Run 2 (тут изучено далеко не все), а также попыток объединить разрозненные результаты. А тем временем подоспеют данные нового сеанса работы LHC Run 3, которые призваны втрое увеличить накопленную статистику и тем самым позволят уменьшить погрешности.

Источники:
1) ATLAS Collaboration. Search for Higgs boson decays into a pair of pseudoscalar particles in the bbμμ final state with the ATLAS detector in pp collisions at sqrt(s) = 13 TeV // Physical Review D. 2022. DOI: 10.1103/PhysRevD.105.012006.
2) ATLAS Collaboration. Search for resonant and non-resonant Higgs boson pair production in the bbττ decay channel using 13 TeV pp collision data from the ATLAS detector // препринт arXiv:2209.10910 [hep-ex].
3) CMS Collaboration. Searches for additional Higgs bosons and for vector leptoquarks in ττ final states in proton-proton collisions at sqrt(s) = 13 TeV // препринт arXiv:2208.02717 [hep-ex].
4) CMS Collaboration. Search for high mass resonances decaying into W+W? in the dileptonic final state with 138/fb of proton-proton collisions at sqrt(s) = 13 TeV // предварительный отчет CMS-PAS-HIG-20-016.
5) CMS Collaboration. Search for a new resonance decaying to two scalars in the final state with two bottom quarks and two photons in proton-proton collisions at sqrt(s) = 13 TeV // предварительный отчет CMS-PAS-HIG-21-011.

Игорь Иванов