Горнолыжный курорт Ла-Тюйль, Италия
С 3-го по 17 марта в альпийском курортном городке Ла-Тюйль проходит одна из ключевых весенних конференций по физике элементарных частиц — Rencontres de Moriond 2012. По традиции она делится на тематические недели. С 3-го по 10 марта работа конференции была посвящена электрослабым взаимодействиям и гипотетическим теориям объединения, а с 10-го по 17 марта параллельно будут идти конференции по сильным взаимодействиям и по космологии.
Одним из самых ожидаемых результатов в электрослабой секции были данные по поиску хиггсовского бозона. Напомним, что несколько месяцев назад две главные коллаборации Большого адронного коллайдера, ATLAS и CMS, объявили о том, что они начали «видеть» некоторое превышение данных над фоном, выглядевшее похоже на хиггсовский бозон с массой около 125 ГэВ. Подробности можно найти в нашей новости ЦЕРН сообщает о первых намеках на обнаружение хиггсовского бозона и в сводке результатов LHC по поиску бозона Хиггса. Поэтому неудивительно, что сейчас всё внимание было приковано именно к этой области масс.
Результаты Тэватрона
В среду 7 марта были представлены новые экспериментальные результаты. Вначале были представлены два доклада с данными детекторов CDF и DZero, работавших на Тэватроне (параллельно с этим, на сайте Фермилаба появился пресс-релиз, посвященный этим результатам). По сравнению с предыдущими сообщениями с Тэватрона, статистика, на которой проводился анализ, возросла до 10 обратных фемтобарн. Кроме того, была существенно улучшена методика «отлова» b-струй (то есть адронных струй, порожденных b-кварком высокой энергии), которая играет ключевую роль в поиске легкого бозона Хиггса на Тэватроне.
Дело тут в том, что Тэватрон ищет хиггсовский бозон с массой меньше 150 ГэВ несколько иначе, чем LHC. Вообще, есть несколько способов родить бозон Хиггса в столкновении адронов, и есть также несколько вариантов («каналов») его последующего распада. На LHC удобнее всего рождать бозон напрямую, в столкновении двух глюонов, а на Тэватроне наиболее удобным с точки зрения отбора событий является рождение бозона Хиггса в паре с W- или Z-бозоном и его распад на b-анти-b-пару (ассоциативное рождение WH или ZH). Хотя Тэватрон ищет хиггсовский бозон сразу по многим каналам, именно эта возможность остается на сегодня его главным (и, вероятно, единственным) козырем в соревновании с LHC.
Рис. 1. Коэффициент недочувствительности в поиске хиггсовского бозона на детекторах CDF (вверху) и DZero (внизу). Все изображения взяты из докладов на конференции Moriond 2012
На рис. 1 представлены новые данные коллабораций DZero и CDF. Подробное объяснение того, что изображено на этих графиках, см. в нашей новости Тэватрон скоро начнет «чувствовать» хиггсовский бозон, а также в довольно популярном пояснении на сайте ATLAS. Вкратце, экспериментальные данные показаны сплошной ломаной линией, а цветные полосы показывают, как примерно должен был бы себя вести график, если бы в природе не было хиггсовского бозона. Выход графика вверх за пределы зеленой и, тем более, желтой полос, указывает на превышение данных над фоном и является намеком на существование бозона Хиггса.
Видно, что эти намеки появились в обоих детекторах, хотя еще полгода назад их не было. Статистическая значимость их пока невелика, около 2 стандартных отклонений (2σ), однако результаты двух экспериментов можно объединить (это объединение показано на рис. 2), и тогда локальная статистическая значимость возрастает до 2,7σ. Несмотря на то, что набор данных на Тэватроне уже завершен, обе коллаборации не собираются останавливаться на достигнутом. Они планируют к лету сделать методику детектирования b-струй еще прозорливей, заново обработать те же данные и улучшить результаты.
Рис. 2. Результат объединения данных CDF и DZero
Результаты LHC
Сразу после докладов представителей Тэватрона были обнародованы и новые результаты коллабораций ATLAS и CMS, ищущих хиггсовский бозон на LHC. Они базируются на той же статистике, на которой были получены и декабрьские результаты, однако сейчас была проделана дополнительная работа и учтены каналы распада, которые не успели обработать в декабре.
Коллаборация ATLAS представила в декабре данные только по двум каналам распада: на два фотона и на два Z-бозона. Именно в двухфотонном распаде тогда был видно сильное отклонение от фона, даже более сильное, чем предсказывалось Стандартной моделью. Сейчас же были учтены и прочие каналы распада, а также ассоциированное WH- и ZH-рождение.
Результаты ATLAS таковы. На уровне достоверности 95% закрыты все области масс, кроме двух узких «окошек»: 117,5–118,5 ГэВ и 122,5–129 ГэВ. Самое сильное превышение над фоном находится по-прежнему в районе 126 ГэВ, однако его статистическая значимость заметно уменьшилась до 2,5σ. Получилось так потому, что в новых каналах распада никакого превышения вообще не видно.
Коллаборация CMS показала результаты обработки сразу пяти каналов распада еще в декабре. Сейчас были добавлены еще два канала, но основной упор был сделан на улучшение методов обработки данных, прежде всего в двухфотонном канале распада. Это привело к примерно 20-процентному улучшению чувствительности детектора в этом канале. По результатам CMS для хиггсовского бозона остается открытым только интервал масс 114,4–127,5 ГэВ, а локальная статистическая значимость сигнала при 125 ГэВ достигла 2,8σ.
Общие выводы
При сравнении результатов Тэватрона с данными LHC стоит обратить внимание на такой момент. Подозрительное превышение у Тэватрона находится примерно там, где оно было зарегистрировано и на LHC. Однако на LHC оно локализовано гораздо четче на шкале масс, в то время как на Тэватроне оно простирается примерно от 115 ГэВ и до 140 ГэВ. Это, конечно, не означает, что Тэватрон видит сразу много бозонов с разными массами. Такой широкий интервал — результат использования WH-рождения при анализе данных. Дело в том, что в распаде W вылетает нейтрино, которое бесследно уносит энергию и импульс, и потому в таком канале у вычисленной массы хиггсовского бозона неизбежно будут большие погрешности.
Несмотря на то, что подозрительное превышение сигнала над фоном в районе 125 ГэВ проступает во всех четырех экспериментах, ни в одном из них статистическая значимость не достигает значения 5σ, которое требуется для объявления об открытии новой частицы или явления. Официального объединения данных со всех экспериментов, которыми занимается специальная группа, пока нет, но вряд ли статистическая значимость возрастет настолько сильно после этой процедуры. Таким образом, выход сейчас один — накопить еще статистики как минимум на 5 обратных фемтобарн и обновить анализ, что, вероятно, будет сделано к лету. Судя по тому, что всё идет гладко, через полгода уже можно будет серьезно говорить о хиггсовском бозоне при 125 ГэВ (если, конечно, данные не преподнесут новый сюрприз).
Конечно, одно лишь наличие какого-то превышения над фоном еще не является доказательством того, что перед нами именно хиггсовский бозон. Для того чтобы отличить его от других возможных частиц, требуется проверить его свойства и сравнить их с предсказаниями теории. Прежде всего, это касается вероятностей разных каналов распада. И тут любопытный график привела коллаборация CMS (рис 3).
Рис. 3. «Сила» хиггсовского сигнала в различных каналах распада по данным CMS по отношению к предсказаниям Стандартной модели
Здесь показан результат поиска бозона Хиггса в пяти каналах распада по отдельности. В каждом канале распада из данных был выделен максимально правдоподобный «хиггсовский сигнал», а затем он был поделен на теоретически предсказанное значение; это отношение и представлено на рисунке. Видно, что это отношение в среднем заметно отличается от нуля — то есть в данных имеется сигнал о наличии некоторого нового эффекта. Но самое главное — видно, что точки группируются около единицы. Это означает, что поведение этого нового объекта очень напоминает именно хиггсовский бозон Стандартной модели, а не какую-то произвольную частицу.
Можно сказать, что самая первая проверка свойств (возможного) хиггсовского бозона подтверждает Стандартную модель. Таким образом, пока что события развиваются скорее по самому пессимистичному сценарию.
Варианты развития событий
Существует несколько вариантов того, какие результаты будут получены на LHC:
- Будет обнаружен лишь один хиггсовский бозон со свойствами, близкими к Стандартной модели, и больше ничего.
- Будет обнаружен лишь один хиггсовский бозон, но со свойствами, заметно отличающимися от Стандартной модели, либо не будет найдено ни бозона Хиггса, ни других новых частиц.
- Будут обнаружены новые частицы, которых нет в Стандартной модели.
Вариант 1, самый «пессимистический». При нём Стандартная модель (СМ) окончательно достраивается, но накопившиеся вопросы относительно происхождения Стандартной модели ответа не получают. Широко распространено мнение, что при таком развитии событий не будет выделено финансирование на международный линейный электрон-позитронный коллайдер ILC, и развитие физики элементарных частиц на время застопорится.
Вариант 2, достаточно интересный. Во многих теориях при подходящем наборе параметров возникает картина, подобная СМ, но со слегка отличным от СМ бозоном Хиггса. Измеренные на LHC свойства бозона укажут теоретикам направления дальнейшего развития теории. Если бозон Хиггса не будет обнаружен, то это значит, что нарушение электрослабой симметрии происходит за счет какого-то необычного механизма, и развитие получат бесхиггсовские теории. С точки зрения эксперимента это будет не самый лучший вариант, так как все эти теории будут опять плохо проверяемы.
Вариант 3, самый интересный. При таком развитии событий будет открыт новый глубинный «пласт» устройства нашего мира, и уже теоретикам придется напрячься, чтобы понять его. В этом случае есть все шансы на бурное развитие как экспериментальной, так и теоретической ФЭЧ.
