В августе этого года коллаборация ATLAS опубликовала статьи по измерению массы бозона Хиггса, а также по измерению эффективного времени жизни B_s⁰-мезона в распаде на мюон и антимюон. В июле вышел препринт коллаборации, посвященный поиску квантовых черных дыр в распадах типа адрон – электрон. Еще одна, апрельская, работа рассказывает о поиске связанных состояний в рождении пары векторных мезонов. Все эти работы представляют объединенную статистику анализа столкновений частиц в первом и втором сеансе Большого адронного коллайдера в CERN. Первые две работы были проведены с участием ученых Петербургского института ядерной физики НИЦ «Курчатовский институт», третья и четвертая – с участием сотрудников Объединенного института ядерных исследований. Пока что ни в одном из исследований не получено никаких указаний на выход за пределы Стандартной модели.

Эти результаты ATLAS, вклад в которые сделали физики двух научных центров, прокомментировал соавтор исследований, начальник сектора элементарных частиц Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ Евгений Храмов.

В июле этого года коллаборация ATLAS опубликовала препринт, посвященный поиску квантовых черных дыр в распадах типа адрон – электрон. Квантовые черные дыры не имеют ничего общего со своими астрофизическими тезками. Привычные нам черные дыры возникают в результате того, что массивная звезда коллапсирует, то есть быстро сжимается под действием собственной массы, преобразуясь в область пространства-времени, которая притягивает к себе все остальные объекты, даже движущиеся со скоростью света. Квантовые же черные дыры – это объекты с дополнительными размерностями, гипотетическое предсказание вне рамок Стандартной модели. Их существование описывается в теориях многомерного пространства. Считается, что если пространство действительно имеет высшие, скрытые измерения, то микроскопические черные дыры могли возникнуть в ранней Вселенной сразу после Большого взрыва. Если это так, то рождение квантовых дыр можно предположить и на наиболее мощных из ныне действующих ускорителей. Ожидается, что такие микроскопические черные дыры будут не поглощать вещество, а, наоборот, мгновенно испускать излучение и тут же, примерно за
10^-26 с, распадаться.

Рис. 1. Распределения событий по инвариантной массе ведущего лептона и ведущей адронной струи в сигнальной области для данных (точки с погрешностями) и для фона Стандартной модели (сплошные гистограммы) после фитирования фоновыми событиями показаны на рисунке: (а) каналы электрон + адронная струя и (б) мюон + адронная струя

«Мы поставили очень высокие пределы на существование квантовых черных дыр. В двух основных теоретических моделях была исключена вероятность образования таких дыр при энергиях ниже 6,8 и 9,2 ТэВ», — сообщил Евгений Храмов.

Другим исследованием с участием ученых ОИЯИ стал поиск новых состояний в распадах на пару векторных мезонов. А именно – обнаружение и изучение так называемых связанных состояний: тетракварков и пентакварков, открытых в 2014–15 годах на LHC. Эти связанные состояния ученые получают с помощью мюонов, которые, в свою очередь, являются каналом распада пары J/ψ-мезонов (джей-пси-мезонов), рождающихся в протон-протонных взаимодействиях. Еще один канал рождения четверки мюонов, находящийся в поле внимания ученых, – пара J/ψ и ϕ2s-мезон.

«В связанных состояниях мы ищем новый пик, который до этого не видели. Пока что все данные согласуются со Стандартной моделью – в ней предсказываются связанные состояния кварков», – рассказал Евгений Храмов. Однако, отметил он, точных предсказаний массы этих состояний не было. Коллаборация другого эксперимента Большого адронного коллайдера, LHCb, опубликовала результаты, где обнаружилось связанное состояние при массе 6,9 ГэВ/с². При этом наблюдавшийся тетракварк состоял из четырех одинаковых кварков: двух с и двух с. Теперь этот результат должен быть проверен на ATLAS.

Рис. 2. Фитирование спектра масс в сигнальных областях в каналах рождения двойного J/ψ (a, b) и J/ψ + ψ(2С) (c, d). Фиолетовые штрихпунктирные линии соответствуют отдельным резонансам, а зеленые пунктирные линии соответствуют интерференции между ними

Сотрудники Петербургского института ядерной физики им. Б. П. Константинова НИЦ «Курчатовский институт» в эксперименте ATLAS были заняты измерением массы бозона Хиггса и эффективного времени жизни B_s⁰-мезона. Коллеги из ПИЯФ объединили результаты двух предыдущих сеансов на LHC: Run 1 (2009–2013) и Run 2 (2015–2019). При этом исследовались очень редкие распады, поэтому набирать статистику для них пришлось в течение нескольких лет.

Так, масса бозона Хиггса была измерена в двух каналах распада: на два фотона Н→γγ и на четыре лептона Н→ZZ(*) → 4l (именно в этих каналах на ATLAS и CMS и был открыт бозон Хиггса в 2012 году). Согласно объединенной статистике, масса получилась следующей: m_H^ATLAS = 125,11 ± 0,11 ГэВ/c². «Масса бозона Хиггса участвует в предсказаниях масс других частиц, поскольку взаимодействие с полем Хиггса «генерирует» их собственные массы. Перед открытием бозона Хиггса однозначного предсказания для его массы не было. Вариации были вплоть до ТэВ-ных областей», — прокомментировал важность измерения Евгений Храмов.

Вторым результатом, полученным при участии ПИЯФ и опубликованном в августе с. г., стало измерение эффективного времени жизни B_s⁰-мезона в распаде на мюон и антимюон B_s⁰ → μ+μ–. Оно, в отличие от массы бозона Хиггса, было рассчитано в Стандартной модели, где составляет около полутора пикосекунд: τ_μμ^СМ = (1,624 ± 0,009) пс. Существенные отклонения от этого промежутка могут помочь в поиске новой физики. «B_s⁰ – это классика поиска сигналов или признаков существования физики вне Стандартной модели. Если вдруг в распаде B_s⁰ в мюонную пару будет измерено другое время жизни, это будет указанием на существование новой физики», — сообщил Евгений Храмов, обозначив, что в этом направлении научного поиска есть определенные сложности.

Эффективное время жизни B_s⁰ было измерено в трех экспериментах Большого адронного коллайдера: коллаборации LHCb и CMS получили значения 2,07 ± 0,29 пс и 1,83−0,20+0,23 пс, соответственно. Однако ATLAS показал величину меньше, причем в другую сторону от расчетной: τ_μμ= (0,99−0,07+0,42стат. ± 0,17сист.) пс. «Результаты показали более-менее равноудаленные измерения от Стандартной модели, но одни в большую сторону, другие – в меньшую. С такими погрешностями интерпретировать время жизни как указание на новую физику не получается. Отличающееся значение при такой огромной погрешности ни о чем не говорит. К сожалению, эти измерения – не прямой поиск новой физики: они могут дать указание на ее существование, но никак ее не конкретизируют», — сказал ученый.

Все перечисленные измерения продолжаются на LHC в течение сеанса Run 3 (2022–2026). «Хотелось бы максимально прецизионно, точно, измерить результаты, потому что они пока не окончательные – до ответов еще очень далеко», — заключил Евгений Храмов.

Сейчас готовится публикация с участием ученых ОИЯИ по изучению пентакварков и тетракварков на ATLAS. Ученые ОИЯИ и ПИЯФ НИЦ КИ продолжают активно участвовать в анализе данных Run 2 и сборе данных Run 3.