Обнародованы первые результаты LHC Run 2

Рис. 1. Распределение двухфотонных событий, накопленных детектором ATLAS в 2015 году, по инвариантной массе двух фотонов. Всплеск при 750 ГэВ, который видят обе коллаборации, — самый любопытный пока результат сеанса LHC Run 2. Внизу показано отклонение данных от наилучшего описания фона. Изображение с сайта atlas.web.cern.ch

15 декабря в ЦЕРНе прошел традиционный предновогодний семинар, на котором была представлена первая порция серьезных результатов нового сеанса работы Большого адронного коллайдера. Две крупнейших коллаборации, CMS и ATLAS, рассказали в своих презентациях о самых интересных из полученных результатов. Одновременно с этим ATLAS обнародовал весь цикл предварительных результатов, приготовленных для сегодняшнего семинара. Аналогичные результаты CMS тоже выложены на странице их публикаций.

Напомним, что в 2015 году Большой адронный коллайдер, отремонтированный и обновленный, приступил к новому сеансу работы — LHC Run 2. Интенсивность пучков в течение года поднималась плавно, поэтому накопленная за этот год интегральная светимость всё еще в несколько раз меньше, чем полная светимость первого сеанса работы (Run 1, 2010–2012 годы). Кроме того, в случае CMS полноценному набору данных в первые недели помешала техническая трудность с системой охлаждения магнита. Из-за этого полезная статистика CMS сейчас несколько меньше, чем у ATLAS.

Тем не менее столкновения происходили на повышенной энергии — 13 ТэВ вместо 8 ТэВ во время сеанса Run 1, — и благодаря этому резко возросла вероятность самых жестких и потому самых интересных столкновений. Ориентировочно, область масс порядка 1–2 ТэВ — это та граница, за которой только что набранные данные уже становятся более прозорливыми, чем вся статистика Run 1. А поскольку по результатам Run 1 обнаружилось немало любопытных отклонений от Стандартной модели, в том числе и в очень жестких столкновениях, физики с большим интересом ожидали новостей Run 2.

Переоткрытие Стандартной модели

Презентации обеих групп шли по примерно одинаковому сценарию. После кратких рассказов про детектор и его обновленные компоненты были представлены вначале результаты по самым простым процессам (например, инклюзивному рождению разных частиц или их пар). Здесь каких-то сюрпризов не ожидалось, но эти измерения необходимы для проверки того, что и сам детектор, и методы анализа данных работают исправно и воспроизводят то, что физики видели раньше.

Следом было кратко рассказано про ситуацию с «переоткрытием» бозона Хиггса. Опять же, такое переоткрытие — это простая проверка того, что обновленные детекторы правильно восстанавливают то, что физики уже твердо установили и раньше. Здесь обе группы были вынуждены сказать, что статистики Run 2 пока не хватает для надежной регистрации хиггсовского сигнала. Коллаборация CMS вообще воздержалась от каких-либо хиггсовских результатов, сказав, что данные еще обрабатываются и находятся в «замаскированном» состоянии (см. подробности про слепой анализ в физике частиц). ATLAS показал кое-какие слабые намеки на хиггсовский бозон и даже выдал новый загадочный результат: сечение рождения хиггсовского бозона почему-то оказалось заметно ниже ожидаемого. Впрочем, когда количество событий очень мало, вполне случаются и «флуктуации вниз» — это всё находится в рамках нормального процесса набора данных.

Рис. 2. Двухструйное событие с инвариантной массой 6,9 ТэВ, зафиксированное на детекторе ATLAS. Слайд из доклада представителя коллаборации ATLAS

Поиски суперсимметрии

Заметная часть обоих рассказов была посвящена поиску суперсимметрии. Была проведена обширная программа по поиску глюино и скварков, но, к сожалению, ничего существенно отличающегося от Стандартной модели найдено не было.

Обе группы также отчитались о проверке двух любопытных отклонений (см. Поиск суперсимметрии на ATLAS и Поиск суперсимметрии на CMS), которые видели и ATLAS, и CMS, но которые не состыковывались друг с другом. Выводы у двух групп сейчас оказались разными. ATLAS подтверждает свое отклонение, правда с меньшей статистической значимостью: 2,2σ вместо 3σ ранее. Какая статистическая значимость получится при объединении старых и новых результатов ATLAS, не сообщается, но, так или иначе, эта аномалия пока остается. А вот CMS не смог подтвердить ни свою старую аномалию, ни результат ATLAS. Поэтому здесь, видимо, предстоит скрупулезный анализ причин разногласия двух детекторов.

Судьба пиков при 2 ТэВ

Большой интерес у физиков вызвали в последний год загадочные «пики» на графике сечения рождения двух бозонов в области инвариантной массы 2 ТэВ. ATLAS видел резонанс в WZ-канале рождения с чисто адронным распадом, CMS видел превышение над Стандартной моделью в WH-канале. Предварительные результаты Run 2 у обеих групп не выявили ничего выдающегося. Впрочем, поскольку этот анализ достаточно сложный, докладчики аккуратно сказали, что потребуется еще несколько месяцев на его завершение.

Намек на новый двухфотонный резонанс

И наконец, финальным аккордом стал рассказ об изучении двухфотонных событий. Напомним, что в 2011–2012 годах именно в двухфотонном канале распада хиггсовский бозон стал проступать наиболее сильно. Поскольку многие физики надеются на то, что в нашем мире реализуется сложный хиггсовский механизм, вполне естественно искать в двухфотонных распределениях и новые пики, новые отклонения от плавной зависимости по инвариантной массе — то есть новые хиггсовские бозоны.

И действительно, обе группы сообщили о намеках на существование нового резонанса с массой в районе 750 ГэВ, распадающегося на два фотона. В случае ATLAS этот пик вполне виден глазом (см. рис. 1), и его локальная статистическая значимость достигает 3,6σ. Однако при учете эффекта множественной выборки глобальная статистическая значимость проседает до 1,9σ. Это означает, что вероятность найти в случайных данных такой или более сильный всплеск хоть где-то в большой области инвариантных масс составляет около 5%.

Это само по себе не вызывало бы особого энтузиазма, если бы CMS ничего на этом месте не увидел. Но CMS тоже видит всплеск ровно там же, при 760 ГэВ. Из-за меньшей выборки данных статистическая значимость тут пониже: локальная 2,6σ и глобальная 1,2σ. Однако когда у нас есть два независимых детектора с двумя сигналами, которые четко попали друг на друга, эффект множественной выборки надо применять однократно сразу к суммарным данным. Этих объединенных чисел, разумеется, пока не было представлено, но оценка на глаз дает глобальную статистическую значимость около 3σ.

Рис. 3. Двухфотонное событие с инвариантной массой 745 ГэВ, зафиксированное на детекторе CMS. Слайд из доклада представителя коллаборации CMS

Отвечая на вопросы из зала, оба докладчика отметили, что эти пики не вступают в сильное противоречие с результатами Run 1. Любопытно, что это значение массы находится вблизи той границы, до которой обе коллаборации проверяли резонансы в данных Run 1. Однако предстоит провести тщательный анализ, чтобы узнать статистическую значимость отклонений при сложении и новых, и старых данных.

Таким образом, список загадок коллайдера пополняется новым, достаточно любопытным и очень желанным для физиков пунктом — двухфотонным всплеском при 750 ГэВ. Окончательных данных еще нет, но можно не сомневаться, что уже через неделю в архиве препринтов начнут появляться статьи теоретиков, объясняющих этот всплеск с разных точек зрения. Уж слишком соблазнительно вписывается этот сигнал в разнообразные теории.

В целом оба докладчика подчеркивали, что представленные в этих коротких сообщениях данные — это только вершина айсберга. В ближайшие месяцы будут завершены и станут полноценными статьями десятки анализов. А пока что следующая опорная дата — это середина марта, когда пройдет одна из ключевых конференций Moriond 2016, для которой, по традиции, экспериментаторы готовят новую подборку данных.

Игорь Иванов