Борис Штерн: Шум с передовой

«Троицкий вариант» №9(78), 10 мая 2011 года

За последний месяц в СМИ появились две горячие новости с самых больших ускорителей — Тэватрона (Fermilab, США) и Большого адронного коллайдера (ЦЕРН, Швейцария). Причем в иных сетевых комментариях люди смешивают эти новости в нечто единое запутанное типа «Ученые с Тэватрона на БАКе открыли неизвестную науке "частицу Бога" под названием Бозон Хиггса». На самом деле речь идет о двух совершенно разных заявлениях, касающихся совершенно разных явлений и имеющих совершенно разный статус.

Начнем с первой новости, поскольку ее статус намного выше.

Коллаборация установки CDF на Тэватроне опубликовала электронный препринт arXiv:1104.0699v2, где приводятся результаты, которые можно интерпретировать как маргинально значимое указание на существование новой частицы, не вписывающейся в рамки Стандартной модели физики элементарных частиц.

Эксперимент заключался в следующем: на встречных пучках протонов с энергией чуть меньше 1 ТэВ регистрировалось образование W-бозона (тяжелая фундаментальная частица, отвечающая за слабые взаимодействия), и смотрели, что еще образуется вместе с ним. Были отобраны события, где вместе с W образуются две адронные струи, которые в свою очередь могут образовываться от распада другой тяжелой частицы, того же W или родственного ему, но нейтрального Z-бозона. При обработке данных определялась инвариантная масса этих двух струй (если струи образовались от распада частицы, то это и есть ее масса). Распределение событий по инвариантной массе показано на рисунке. Цветом на левой панели показаны вклады всех известных процессов в рамках Стандартной модели. Виден избыток в районе 120–160 Гэв. Если вычтем все процессы, кроме рождения пар WW и WZ, то получим распределение на правой панели. На нем виден четкий пик в районе 80–90 Гэв — это и есть рождение W и Z с последующим распадом на две струи (W от Z при данном энергетическом разрешении неотличимы). А дальше — тот самый избыток, по поводу которого весь шум.

Распределение по инвариантной массе двух адронных струй, регистрируемых вместе с W-бозоном. На левой панели разными цветами показан вклад всех известные каналов взаимодействия. На правой панели все вклады, кроме образования второго W или Z, вычтены. Избыток, о котором идет речь в статье (и про который шумят СМИ), виден в области 120–160 ГэВ. Изображение из статьи arXiv:1104.0699v2

Объяснить этот избыток в рамках стандартной модели нельзя. С другой стороны, его нельзя объяснить и рождением бозона Хиггса. Дело в том, что свойства неоткрытого бозона довольно жестко заданы стандартной моделью. Его масса неизвестна, но известно соотношение между массой и вероятностью разных процессов с участием этого бозона. Оказывается, что его вклад в этот процесс был бы в сотни раз меньше, чем наблюдаемый избыток. Если этот избыток не является статистической флуктуацией, то он может быть вызван распадом частицы еще не известной природы, не вписывающейся в Стандартную модель.

Наиболее обсуждаемым кандидатом на возможную роль такой частицы является некий суперсимметричный партнер обычной частицы. Теория суперсимметрии возникла как вариант избавления от некоторых «некрасивостей» Стандартной модели и является ее гипотетическим расширением. Подразумевает дублирование всех фундаментальных частиц, но с изменением целого спина на полуцелый и наоборот. Суперсимметричные партнеры должны быть довольно тяжелыми — сотня с чем-то гигаэлектрон-вольт — вполне разумная масса.

Но есть вопрос, который пока гораздо важнее дискуссий о природе избытка: насколько он статистически значим? Совсем простого ответа на этот вопрос не существует. Существует результат моделирования методом Монте-Карло по достаточно сложной процедуре с учетом нескольких систематических неопределенностей. Получилось, что вероятность случайной флуктуации, имитирующий данный избыток, когда нет никаких отклонений от Стандартной модели, порядка одной тысячной. Убедительно ли это?

Допустим, кто-то ставит четкую задачу по статистической проверке какого-либо факта, имеющую однозначный ответ: например, появилось подозрение, что данная игорная рулетка — шулерская. Для проверки проводят серию испытаний, выясняют, что черное выпадает чаще, чем красное. Причем при данном количестве испытаний статистическая значимость этого факта равна одной тысячной, т. е. вероятность, что избыток попаданий на черное случаен, равен одной тысячной. В случае с рулеткой это убедительно: ее нельзя использовать, испытания продолжать необязательно.

Совсем другое дело, если задача ставится примерно так: нет ли в многообразии данных, полученных на этой установке, каких-нибудь указаний на отклонение от Стандартной модели? Данные богаты и разнообразны, на их основе можно построить множество разных распределений. Более того, в каждом распределении есть неявные параметры, например пороги обрезания для минимизации фона. Поэтому, если в одном из десятков или даже сотен возможных распределений виден эффект со значимостью одна тысячная, рано бить в барабаны: по сути долго и упорно искали флуктуацию, имитирующую отклонение от существующей теории, возможно это как раз она (флуктуация) и есть. Но может это действительно эффект? Может быть. Проблема в том, что реальную значимость, с учетом плохо документированного множества попыток найти некий заранее не определенный эффект, оценить очень тяжело. Поэтому эффекты со значимостью порядка тысячной или даже десятитысячной не принимаются на веру. В этом случае говорят: время покажет. И очень часто время (набор статистики или новые эксперименты) показывает, что эффект «рассосался» — нет там ничего. А иногда эффект подтверждается. Например, первая экзопланета была зарегистрирована в 1992 г., за три года до несомненного открытия экзопланет. Но результат был лишь маргинально значимым и не был принят научной общественностью; твердое же подтверждение этой планеты сделано в 2004 г.

Однако в данном конкретном случае есть одно обстоятельство, оправдывающее публикацию ненадежного результата: в этом году Тэватрон будет закрыт. У авторов нет возможности существенно увеличить статистику и проверить результат. Поэтому даже маргинально значимые результаты с Тэватрона следует опубликовать в порядке описи наследства: к чему следует присмотреться в других экспериментах. Уже присматриваются — этот канал взаимодействия проверили в данных установок ATLAS и CMS Большого адронного коллайдера. Эффекта не видят, но статистика там пока меньше, чем на Тэватроне.

Перейдем к следующей «сенсации», связанной с Большим адронным коллайдером.

В конце апреля появилась анонимная утечка информации. Аноним, якобы работающий на Тэватроне, заявил в Интернете, что видел абстракт внутреннего документа коллаборации установки ATLAS, который гласил следующее:
Имеется пик в распределении инвариантной массы двух гамма-квантов при энергии 115 ГэВ. Интерпретируется как возможный распад бозона Хиггса. Статистическая значимость — 4 сигма. Интеграл в пике в 30 раз выше того, что можно получить от распада бозона Хиггса на два гамма-кванта в рамках Стандартной модели.

С одной стороны, цифра 115 ГэВ добавляет драматизма. Именно при этой энергии на старом ускорителе LEP (он располагался в том же тоннеле, где сейчас смонтирован БАК) видели слабо значимое указание на возможный бозон Хиггса. С другой стороны, физики сразу обратили внимание на ряд неувязок. В частности, на упомянутом выше детекторе CDF тоже смотрели распределение по двухфотонной инвариантной массе и не видели ничего подобного. При этом на Тэватроне гораздо больше статистика. Энергия меньше, но с лихвой достаточна, чтобы родить бозон с массой 115 ГэВ. Единственная лазейка — предположить, что бозон Хиггса рождается только вместе с какой-то очень тяжелой частицей, поэтому его видят в ЦЕРНе и не видят на Тэватроне. Правда, такое объяснение выглядит притянутым за уши.

Впрочем, коллаборация ATLAS официально заявила, что у них нет никаких значимых свидетельств регистрации бозона Хиггса. Если не увлекаться конспирологией, то и предмета для дальнейшего обсуждения нет.

Итак, шум вокруг результатов крупнейших ускорителей пока не имеет твердо установленного повода. И всё же во всем этом есть позитивное обстоятельство: лучше неопределенный шум, чем равнодушная тишина.

Автор благодарен Владимиру Гаврилову, заведующему лабораторией ИТЭФ, за ценные комментарии.