Нет ли большего числа фундаментальных частиц, чем те, что уже известны науке? Не живем ли мы во Вселенной с дополнительными пространственными измерениями? Подобные гипотезы, наряду со многими другими идеями, привлекаются для решения проблемы объединения сильного и электрослабого взаимодействий и описания гравитации на субатомных масштабах. Несмотря на то, что существует довольно много теоретических сценариев для расширения стандартной модели взаимодействий (СМ), многие из них имеют одно общее свойство: они предсказывают новые явления в протон-протонных столкновениях на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН, которые приводят к изменениям (по сравнению с ожиданиями СМ) в интенсивности рождения высокоэнергетичных пар электронов и мюонов.

Мы ищем новую физику в событиях столкновений протонов в эксперименте CMS, записанных в период 2016–2018 гг., в которых были рождены два лептона с очень большими импульсами. Пара электронов или мюонов с противоположными знаками зарядов (в общем называемая дилептоном) позволяет извлечь из эксперимента массу гипотетической нейтральной частицы, которая могла бы распасться на эту пару. Таким образом, мы изучаем спектр масс дилептонов на предмет поиска отклонений от предсказаний СМ.

Упомянутые выше новые теории могут модифицировать распределение масс двумя способами. Если существует всего одна новая частица, которая и распадается непосредственно на два лептона, мы ожидаем увидеть узкий пик в распределении, называемый резонансом. В других случаях, вместо этого, можно ожидать нерезонансное усиление в широкой области масс (а в некоторых моделях – наоборот, недостаток) событий относительно фоновых предсказаний для известных процессов СМ.

Подобные исследования имеют длинную историю открытия новых частиц в дилептонном канале. Таким образом были обнаружены, например, J/ψ-мезон, открытый в 1974 г. на ускорительных комплексах SLAC и BNL, Y-мезон, открытый в 1977 г. в Fermilab, и Z-бозон, открытый в 1983 г. в CERN. Теперь рождение этих частиц, десятилетия назад считавшихся редкими, в больших количествах происходит на LHC. Это наглядно продемонстрировано на рисунке 1, где показан наблюдаемый CMS спектр масс пар мюонов с пиками, соответствующими резонансно распадающимся частицам. В наших исследованиях мы продвигаемся далеко в неизведанную область больших инвариантных масс дилептонов, в надежде снова открыть что-то новое.

В наших исследованиях мы опираемся на способность CMS аккуратно и с высокой эффективностью зарегистрировать и реконструировать электроны и мюоны с энергиями и импульсами более высокими, чем когда-либо прежде в коллайдерных экспериментах. Такие условия ставят перед нами множество сложных разнообразных задач на всех этапах, от калибровки детекторных систем и разработки алгоритмов реконструкции и идентификации до мониторинга работы всех компонент физического анализа.

С учетом большого объема данных, набранных на LHC для энергии взаимодействия протонов 13 ТэВ, мы можем исследовать массовый спектр дилептонов до рекордных на данный момент значений. Чтобы установить, присутствуют ли в наших данных указания на новые явления, мы должны сравнить их с распределениями, получаемыми для известных процессов СМ – они трактуются как фон для сигналов, которые мы надеемся обнаружить. Для оценки вкладов разных фоновых процессов в спектр инвариантных масс дилептонов преимущественно используется компьютерное моделирование. Основным источником фона являются димюонные и диэлектронные распады фотонов и Z-бозонов СМ, процесс рождения которых на адронных коллайдерах (к числу которых относится и LHC) известен как процесс Дрелла-Яна.

Наблюдаемые нами массовые спектры для пар мюонов и электронов в сравнении с предсказаниями СМ показаны на рисунке 2. Мы не наблюдаем значительных отклонений экспериментальных данных от ожиданий для фона, что свидетельствовало бы о признаках новой физики.

Рис.2. Распределения по инвариантной массе пар электронов (слева) и мюонов (справа), полученные в нашем анализе.

Кандидаты с наивысшей массой из числа зарегистрированных CMS дилептонов имеют значения инвариантной массы 3.34 ТэВ для пары мюонов и 3.47 ТэВ для пары электронов. Визуализации этих событий даны на рисунках 3 и 4.

Рис.3. Мюонная пара с наибольшим значением инвариантной массы 3.34 ТэВ, обнаруженная в данных LHC Run 2. Остальные частицы, а также их энергетические вклады, удалены. Траектории мюонов показаны красными линиями.

Рис.4. Электронная пара с наибольшим значением инвариантной массы 3.47 ТэВ, обнаруженная в данных LHC Run 2. Остальные частицы, а также их энергетические вклады, удалены. Траектории электронов показаны зелеными линиями в трекерной части детектора и зелеными блоками в электромагнитном калориметре.

Совсем необязательно, что масса пары лептонов будет единственным «различающим» параметром между результатом от процессов СМ (фоном) и нашим потенциальным сигналом. В зависимости от модели новой физики, пространственные распределения «сигнальных» лептонов могут значительно отличаться от ожиданий для известных фоновых процессов. Одной из величин, чувствительной к подобным эффектам, является угол рассеяния θ* (угол между разлетающимися лептоном и анлилептоном в системе покоя рожденной пары), который для рождения дилептона через процесс кварк-антикварковой аннигиляции определяется как полярный угол между направлением движения кварка и отрицательно заряженного лептона. На рисунке 5 показаны распределения событий по cosθ* для фонового процесса Дрелла-Яна и для нескольких сигнальных моделей. Для фона события концентрируются в области cos θ* > 0, а некоторые сигнальные распределения довольно заметно отличаются от этой ситуации. Таким образом, например, акцентировав внимание на событиях с cos θ* < 0, можно усилить сигнал относительно фона, тем самым повысив чувствительность наших поисков к моделям такого типа.

Рис.5. Распределение событий в дилептонном канале с инвариантной массой пары больше 2000 ГэВ по косинусу угла рассеяния cosθ*. Черная гистограмма соответствует фоновому процессу Дрелла-Яна, цветные гистограммы – сигналам от различных моделей.

Один из законов СМ гласит, что бозоны, в частности, Z-бозон, распадаются на мюонные и электронные пары с одинаковой вероятностью. Однако, если СМ неполна, в данных могут содержаться указания на предпочтительность распада по первому или второму каналу. Замечательно, что на статистике Run 2 мы впервые смогли проверить эту гипотезу в области больших инвариантных масс. К сожалению, мы не обнаружили значимых указаний на подобные электронные или мюонные «предпочтения» в распадах (хотя присутствуют небольшие отклонения, связанные с избытком событий в электронном канале в области самых больших масс, за которыми мы пристально понаблюдаем в будущем). Полученное нами отношение показано на рисунке 6.

Рис.6. Отношение вероятностей распада Z-бозона по электронному и мюонному каналу, полученное в эксперименте CMS; для сравнения показано также предсказание СМ (пунктирная линия).

Таким образом, до сих пор нам не удалось увидеть каких-либо значимых проявлений новой физики в распределениях дилептонов с большими инвариантными массами. Хотя даже сам факт их отсутствия способен многое нам сказать – о физике за пределами СМ и об используемых моделях. С нашими данными мы получили самые сильные из когда-либо существовавших ограничений на массы гипотетических новых частиц, которые могли бы распадаться на пару лептонов, для широкого класса теорий. Также были получены уникальные ограничения на параметры моделей, предсказывающих нерезонансные отклонения от фона: специального вида моделей с дополнительными пространственными измерениями или новых взаимодействий контактного типа между частицами.

Во время будущего сеанса набора данных на LHC (2022-2024 гг.), называемого Run 3, а также после обновления LHC, которое повысит светимость ускорителя почти на порядок (HL LHC, 2027 г. и далее), мы соберем гораздо больше данных, чем доступно сейчас. И мы продолжим продвижение в область все более высоких масс пар лептонов. В конечном счете, если Природа будет милостива к нам, в будущем мы сможем расширить длинный список открытий в дилептонном канале.

По материалам коллаборации CMS

Источник: https://cms.cern/news/searching-new-physics-very-high-energy-lepton-pairs

Статья опубликована в архиве препринтов arXiv:2103.02708 и направлена в журнал JHEP, а также доступна на сайте CMS.

Ученые Объединенного института ядерных исследований принимают активное участие в эксперименте CMS. Более 25 лет ОИЯИ играет в нем ведущую роль, начиная с самых ранних стадий разработки концепции эксперимента и предложения физической программы исследований. Основные усилия группы ОИЯИ сконцентрированы на проверке свойств СМ и поиске новой физики за ее рамками с помощью сигналов, содержащих пары лептонов.