Загадочный пик при массе 750 ГэВ, неожиданно для всех проступивший в данных коллайдера за 2015 год, остается самой горячей темой в физике элементарных частиц. Первое сообщение о нем от двух экспериментальных групп, ATLAS и CMS, прозвучало в прошлом декабре и сразу же вызвало шквал теоретических статей. Обновленный анализ тех же данных был представлен в марте этого года, и он укрепил веру многих физиков в реальность этого сигнала. В настоящее время теоретики продолжают строить модели Новой физики, которые могли бы объяснить этот эффект, а экспериментаторы ударными темпами набирают новую статистику.

Рис. 1. Результат поиска двухфотонных резонансов массой от 200 до 2000 ГэВ в данных ATLAS 2015 года. Черная кривая показывает реальные данные, желто-зеленая область — то, где должна была лежать кривая по предсказаниям Стандартной модели. Изображение из обсуждаемой статьи arXiv:1606.03833

Любопытно, что до сих пор все теоретические публикации базировались лишь на предварительных экспериментальных данных. И вот наконец обе коллаборации завершили анализ данных 2015 года и выложили полноценные статьи в архив епринтов (Search for resonances in diphoton events at sqrt(s) = 13 TeV with the ATLAS detector и Search for resonant production of high-mass photon pairs in proton-proton collisions at sqrt(s) = 8 and 13 TeV). Сводки всех графиков, приведенных в статьях, можно найти на сайте коллабораций (результаты ATLAS, результаты CMS).

Числа, приведенные в окончательных анализах, в целом совпадают с мартовскими. Проиллюстрируем методику их получения, взяв для примера работу ATLAS.

Из всей статистики протонных столкновений при энергии 13 ТэВ были отобраны события с рождением двух фотонов большой энергии (а точнее, достаточно большого поперечного импульса: выше 35 ГэВ для первого фотона и выше 25 ГэВ — для второго). Для каждого такого события была вычислена инвариантная масса двухфотонной пары. Затем было построено распределение числа событий по инвариантной массе в области выше 200 ГэВ (см. графики 2–4 в новости Загадочный двухфотонный пик проступает всё сильнее). В рамках Стандартной модели (СМ) это распределение должно иметь вид резко спадающей функции. Эффекты Новой физики, например новые двухфотонные резонансы, должны наблюдаться как всплески на фоне этой зависимости — если, конечно, они существуют. И оказалось, что в области 750 ГэВ действительно выступает вполне заметный невооруженному глазу пик.

Технически аккуратный анализ статистической значимости пика выглядит так. Коллаборация ATLAS ищет в отобранных данных всплески разной ширины и при разном положении на шкале инвариантных масс (Mx). Пока четкого сообщения об открытии новой частицы не прозвучало, для каждого значения Mx экспериментаторы устанавливали лишь ограничение сверху на сечение новой частицы, а потом сравнивали результат с ожиданиями СМ. Такое сравнение было проведено для самых разных значений Mx — от 200 до 2000 ГэВ; именно оно представлено на рис. 1.

На этом графике, за которым закрепилось жаргонное название «график в виде бразильского флага», показаны цветные области в 1 и 2 сигма, по которым должна была бы проходить экспериментальная кривая. Должна была бы — если бы в данных была чистая СМ, без Новой физики. Видно, что при 750 ГэВ реальная кривая, полученная ATLAS, сильно выскакивает из этой зоны. Это значит, что в данных имеется некоторое превышение, которое препятствует установлению ограничения сверху для Mx = 750 ГэВ. Является ли это новой частицей или чем-то еще, экспериментаторы на данном этапе не говорят; они лишь честно заявляют, что попытки установить ограничение сверху наталкиваются на «сопротивление данных».

Для читателей, которые несколько лет назад следили вместе с нами за поиском хиггсовского бозона, сначала на Тэватроне, а потом на LHC, такой график покажется знакомым. Именно так, в форме выступа за желто-зеленую область, начинал проступать бозон Хиггса, масса которого тогда тоже была неизвестна. Для желающих поностальгировать по тем временам, а также вспомнить, как строится такой график, и поискать в старых данных еще не открытый тогда хиггсовский бозон, предлагаем перечитать новости Тэватрон скоро начнет «чувствовать» хиггсовский бозон 2008 года и Представлены первые серьезные данные LHC по поиску бозона Хиггса 2011 года.

Возвращаясь к текущей ситуации, ATLAS сообщает, что статистическая значимость наиболее сильного отклонения от ожиданий СМ достигает 3,9σ для гипотезы о частице со спином 0 и 3,8σ для частицы со спином 2. Эти числа относятся к локальной статистической значимости. При учете поправки на множественную выборку глобальная значимость падает до 2,1σ. Однако к этому затем надо добавить заново обработанные данные 2010–2012 годов, которые тоже показывали слабое превышение ровно на тех же 750 ГэВ. Статистическая значимость этого сигнала составляет 1,9σ, причем только для частицы со спином 0. Для спина 2 никакого превышения в данных сеанса Run 1 не обнаружено.

Еще в марте физиков очень интересовало, какое же значение статистической значимости выдаст ATLAS при объединении данных Run 1 и Run 2. В марте коллаборация воздержалась от какого-либо заявления. Многие подозревают, что причина в том, что результат оказался очень близким к заветному порогу в 5σ, который для физиков звучит как свершившееся открытие, и, чтобы не вызывать необоснованных выводов, коллаборация предпочла не сообщать это число. В нынешней публикации этого объединенного результата тоже нет.

Что касается ширины резонанса, то указания тут пока размытые. Сигнал выглядит достаточно сильным и для малой, и для большой ширины; указанная выше статистическая значимость отвечает большой ширине, порядка 6% от массы резонанса.

ATLAS также проанализировал кинематические распределения в двухфотонных событиях в районе 750 ГэВ — распределения по поперечному импульсу, по углам разлета фотонов, по дисбалансу поперечного импульса и по числу сопровождающих адронных струй. Общий вывод такой: никакого существенного отклонения в кинематике таких событий по сравнению с двухфотонным рождением при других массах не обнаружено. Это закрывает, например, чрезмерно экзотические объяснения, в которых считается, что одновременно с новой частицей должны рождаться и уносить большой поперечный импульс частицы темной материи.

Данные CMS чуть похуже, чем у ATLAS; это связано с тем, что в 2015 году в течение месяца не работал основной магнит детектора. Однако и здесь видно отличие от фона. Более того, в отличие от ATLAS, коллаборация CMS предъявила объединенные данные обоих сеансов работы.

На рис. 2 показан график зависимости локального p-значения от инвариантной массы двух фотонов. Это число означает вероятность того, что чистая СМ за счет случайной флуктуации способна породить такое же или более сильное отличие в данных от ожиданий СМ. Видно, что в окрестности 750 ГэВ эта вероятность опускается ниже одной тысячной, что отвечает локальному отклонению 3,4σ. С учетом эффекта множественной выборки глобальная статистическая значимость отклонения составляет пока скромные 1,6σ.

Рис. 2. График зависимости локального p-значения от инвариантной массы двух фотонов. Красным и синим цветом показаны данные Run 1 (энергия 8 ТэВ) и Run 2 (энергия 13 ТэВ); черная кривая — объединенный результат. Изображение из обсуждаемой статьи arXiv:1606.04093

Поскольку совместной публикации ATLAS и CMS пока нет, никакого официального объединения результатов также не было представлено. Неофициальные оценки показывают, что глобальная статистическая значимость суммарной выборки точно превышает 4σ; достигнет ли она заветных 5σ — пока непонятно. Однако стремиться к этому объединению прямо сейчас большого смысла нет. Главное внимание приковано к новой статистике, которую прямо сейчас набирает коллайдер и которую анализируют коллаборации. Напомним, что сообщение о результатах нового анализа ожидается в начале августа на главной конференции года ICHEP 2016. Возможно, уже тогда статистики хватит для того, чтобы обе коллаборации по отдельности смогли объявить о самом громком открытии в физике частиц за последние десятилетия.

Источник: elementy.ru