Новости искусства

Нa двуxфoтoннoгo пик, индeксы, кoтoрыe пoкaзывaют всe бoлee яснo, eсть всe шaнсы, чтoбы стaть сaмым бoльшим прoрывoм в физикe элeмeнтaрныx чaстиц зa пoслeдниe дeсятилeтия. Ситуaция дoлжнa прoясниться oчeнь скoрo, этим лeтoм, и близoсть рaзвязки пoддeрживaeт aжиoтaж. В oжидaнии нoвыx дaнныx, тeoрeтики прoдoлжaют гoлoвoлoмки o тoм, чтo этo вaриaнт Нoвoй физики мoжeт скрывaться зa этим oтступлeниe. Мы прeдстaвляeм крaткий oбзoр тoгo, чтo гoвoрят и дaнныe, чтo oбъяснeния сeйчaс сaмыe пoпулярныe.

Нaчaть oбязaтeльнo с oгoвoркaми. Всплeск двуxфoтoнныx сoбытий в oблaсти срeдств мaссoвoй инфoрмaции в 750 Гэв, кoтoрыe видят тeм бoльшe дeтeктoр Бoльшoгo aдрoннoгo кoллaйдeрa, ATLAS и CMS, мoжeт oкaзaться призрaк. Мoжeт быть, этo бaнaльнo кoлeбaния стaтистики, тaк xoрoшo сoвпaвшaя в oбoиx дeтeктoрax, или нeoтлoвлeнный дo прoкoлa aлгoритмoв oбрaбoтки дaнныx. Рeaльнo этoт пик или нeт — мы eщe нe знaeм. Нo eсли этo всe жe нaстoящee прoявлeниe Нoвoй физики, имeeт смысл для нaчaлa пoнять, чтo тeпeрь, имeннo зa нeй мoжeт скрывaться.

Чтo гoвoрят дaнныe

Дaвaйтe пeрeчислять гoлыe фaкты. Нa рис. 2 для удoбствa прeдстaвлeны двуxфoтoнныe дaнныe ATLAS, накопленных в 2015 году, в рамках сеанса Run 2. В них четко видно превышение над фоном в районе 750 Гэв. Похожи, однако, немного меньше значения, района. есть и CMS. И, наконец, некоторые намеки на превышение в этой области может догадаться и данных, накопленных в период 2010-2012 годы во время сеанса Run 1 энергии столкновения на 8 Километров. Подробнее об этих измерений см. в разделе новости Таинственный двухфотонный пик появляется все сильнее.

Рис. 2. Распределение событий по инвариантной массе двух фотонов по АТЛАС. График представления M. Delmastro, 2016. Diphoton searches in ATLAS

Эти графики, вместе с другими данными дают первое представление о двухфотонном всплеске.

• Пик распределения инвариантной массы двух фотонов приходится много 740-760 Бак.
• В данных ATLAS пик выглядит довольно широк: его ширина находится в диапазоне 20-120 Бак, более точную оценку дать пока сложно. Данные же CMS предпочитают узкий резонансу с шириной не более 10-20 Гэв.
• По количеству событий можно оценить сечение рождения гипотетических частиц с распадом на два фотона. Данные энергии 13 Км дают σ13 Км ≈ 5-10 fb, данных Run 1 на энергии 8 Километрах точки сечения σ8 Км ≈ 0,5–1 fb.
• Частицы нейтральной рождается в столкновении протонов и распадается на два фотона. Так что, это точно взаимодействуют с фотонами и глюонами или с кварками. Но она частица нейтральной, что означает, что она именно должны взаимодействовать с кем-то еще, и, по-видимому, является какой-то новой частицы.
• Ни в одной другой канал распада (струи, топ-кварки, тяжелые бозоны, и др.) резонанс в 750 Lhc не видно. Это означает, что отношения с другими хорошо-известных частиц не может быть слишком сильным.

Определенный процесс, который создает этот двухфотонный сигнал, еще не известно. На рис. 3 представлены некоторые из изученных теоретиками вариантов происхождения двухфотонного спайк. Наиболее естественным кажется вариант, что бозона Хиггса, то есть рождение скалярных частиц S (спин равен нулю) в слиянии двух глюонов и ее распад на два фотона (первый график на рис. 3). Сорта тот же процесс: когда частица рождается в quark-антикварковом столкновения, или когда ее спина-это не ноль, а двойке. В этом процессе, масса частиц S совпадает с положением двухфотонного пик.

Рис. 3. Основные варианты возникновения двухфотонного спайк. График представления А. Strumia, 2016. Interpreting the 750 два менее масштабных digamma excess: обзор

Второй возможный вариант — это рождения , более тяжелый родителей частиц Р, которая затем разлагается на несколько новых частиц, более легких, R и с привычным нам S. В этом варианте двухфотонный сигнал, который я вижу, детекторы, идет на S. Ее сосед R распадается на частицы темной материи, которые, в силу исключительной слабости их взаимодействия с обычным веществом, улетают далеко и не регистрируют детекторы.

Есть и более экзотические возможности, также, представлены на рис. 3. Например, тяжелая скалярная частица S не распадается на фотоны, и некоторые новые, очень легкие частицы, Π, которые, вроде нейтрального пи-мезона, можно разложить на фотоны. Потому что частица Π свет, фотоны от распада его, летят очень близко друг от друга, попадают в одну ячейку калориметра и вызывает ответ, который детектор воспринимает как сигнал от одного фотона.

Минимальный анализ

Перечисленные выше отдельные кусочки информации складываются в интересную картину, чтобы воссоздать которые даже не нужно прибегать к определенных теорий. Поясним это самый простой механизм, представленный на первой диаграмме рис. 3.

Как вы знаете, ширина частиц-резонансов связана с временем их жизни: чем больше резонанс, тем быстрее он распадается, и, следовательно, тем сильнее он взаимодействует с другими частицами. В этом случае ширина играет важную роль: если пик действительно большой, как показывает АТЛАС, новая частица обязана распадаться на что-то другое.

Для того, чтобы объяснить, откуда вытекает этот вывод, принять-ширину разложения на определенный канал f и делим на массу частицы: xf = Γf /M. Безразмерное число xf характеризует, сколько новая частица «сцеплена» с набором частиц f. Связь с фотонами и глюонами точно, и размер раздела можно получить xgg·хγγ ≈ 6·10-8. Но самая большая максимальная ширина резонанса (взять среднее значение ATLAS Γ = 45 Гэв) говорит о том, что сумма xf на все каналы распада должна быть около 0,06. Так может происходить в трех вариантах:

• двухфотонная ширина большая, хγγ ≈ 0,06, а двухглюонная — мало. Другими словами, частица рождается очень неохотно, но она распадается в основном на фотоны, и они, знаки, доверия. Однако, чтобы организовать настолько сильным, отношения нейтральные частицы фотоны крайне сложно.
• двухглюонная большая ширина, а двухфотонная — мало. Частица рождается в больших количествах, но вероятность распада в два фотона мала. Это организовать, в принципе, может, но тогда он должен идти мощный распада такой частицы в два глюона. Такой распад был бы виден, как резонанс в двухструйных событий, но в данных намека на него не видно. Ненаблюдение пик в двухструйных событий накладывает ограничения: xgg < 0,0015.
• самый естественный вариант: кроме двухфотонного и двухглюонного разложения не есть распад и любые другие частицы, или уже нам известных, новых и невиданных, что частицы темной материи. Распад идет в основном от них, но не видим, потому что там все забивает фон.

Снова уточним: стоит изменить предположение о механизме родов, как и выводы меняются. К сожалению, это неизбежно: в отсутствие экспериментальных данных, интерпретации пика сильно зависит от предположений.

Дополнительную информацию дает сравнение приведенных в разделах 8 и 13 Километров. Сечение должно расти с ростом энергии протонов, но вот насколько сильным будет рост, зависит от механизма родов (рис. 4). Если частица рождается в столкновении глюонов или тяжелые b-кварков, σ13 Км/σ8 Километров должен быть равен примерно 5. В случае, если механизм родов — через легкие кварки, или фотонов, выигрыш — в 2-2,5 раза. Тем не менее, данные указывают на более сильный контраст между данными Run 1 Run 2 — один раз в 10-15. Если для конфликта глюонов тяжелых или quark эти цифры еще можно уменьшить друг друга, попеняв на колебания статистики, для других механизмов рождения — это аргумент против. Это, в частности, закрыть наивно нашу гипотезу резонанса можно объяснить чисто фотонным рождения.

Рис. 4. Рост сечений при переходе от 8 до 13 Километров для разных механизмов рождения частиц с массой до 2 Километров. Горизонтальные линии показывают множитель нужно детекторам ATLAS и CMS, чтобы компенсировать разницу между светимостями, набранных на этих двух энергий. График представления А. Strumia, 2016. Interpreting the 750 два менее масштабных digamma excess: обзор

Однако, здесь также достаточно, чтобы изменить предположение о механизме родов и выводы поплывут. Например, в случае, если процесс рождения — как на второй график на рис. 3, то, с точки зрения детектора, двухфотонный сигнал будет похож, но вот укрепления раздела σ13 Км/σ8 Это может быть легко, чтобы перейти от десятки и выше, так как зависит от массы частицы P. В этом варианте, кстати, появляется важная зацепка. Раз частицы темной материи не зарегистрированы, то детектор должен видеть неожиданно появился дисбаланс поперечного импульса. Экспериментаторы, однако, ни о какой сильный дисбаланс не сообщает. Решить эту трудность может быть чья модель, правда, несколько искусственный. Так или иначе, исследование кинематических распределений и, в частности, поиска потерял поперечного импульса — важный этап в будущей программы исследований этого пика. Предварительные оценки на распределение стоит смотреть, прежде всего, представлены в статье, недавно Characterising the 750 два менее масштабных diphoton excess.

Описательные модели и их предсказания

Теперь приправим история щепотка теорий и моделей.

В физике элементарных частиц, существует два подхода для описания непонятного эффекта. Вы можете попытаться найти новое место частиц в конкретных, тщательно построенных теорий, или, может быть ограничен описательные конструкции, где все взаимодействие с внимание параметризуются, но никаких глубоких выводов пока не сделано. В первом случае, мы будем делать «точек укол», и, если удача нам улыбнется, мы можем сразу же наткнуться на той же теории, которые разворачиваются в нашем мире. Во втором случае, мы будем действовать широким фронтом, но не добраться, пока ответы на самые интересные вопросы.

Конкретных моделей, способных описать двухфотонный пятно от 750 Бак-предложил уже несколько сотен, и их список не имеет смысла. Таким образом, мы лишь упомянем некоторые функции, чтобы проиллюстрировать, насколько широкое поле возможностей рассматривает сейчас теоретики.

Соседи электрослабому взаимодействию

Первая история начинается с того, что фотон является, по сути, не является произвольной частицы, а «продукт» хиггсовского механизма. Этот механизм перемешивает исходные нейтральные частицы в новые комбинации, которые появляются перед нами, как и фотон, Z-бозон и бозон Хиггса (рис. 5). Таким образом, в случае, если новая частица «соответствует» электрослабую теорию, и в этом случае распадается на два фотона, то она должна, кроме того, чтобы распадаться и другие частицы: ДД, Zy и, возможно, на WW-пара.

Рис. 5. Суть хиггсовского механизма — смешивание исходных частиц в определенных сочетаниях, одним из которых является и «фотон». Рисунок на сайте quantumdiaries.org

Вероятность разложить на эти пары частиц достаточно подвергаются. Если предположить, что частица в 750 Бак цепляется фотону только через поля B (фиолетовый мяч на рис. 5), то распады на другие каналы получаются слабые. Есть только шансы заметить Zy-развала, даже тогда, с трудом. Если новая частица чувствует все, электрослабые поля, тогда все будет гораздо веселее. Затем распад на WW пара должна быть в 40 раз более вероятная, а ДД — 12 раз более вероятно, чем на фотоны. Теперь, эти распады до тех пор, пока не видны, просто потому, что их труднее отделить от фона, но детекторам будет в их силах, чтобы заметить, уже в следующем году.

Виртуальные частицы в петли

Другой аспект загадки: кто обеспечивает связь нейтральных частиц фотонами и глюонами? Наиболее естественный ответ: петли из заряженных частиц виртуальных, чувствующих сильное взаимодействие. Первое подозрение падает на топ-кварки, но сразу должны отмести. Если бы топ-кварки, и тем самым обеспечили себе сильную связь, новая частица, распадалась бы прямо на топ-антитоп-пары сотен тысяч раз легче, чем на фотоны. А мы в топ-кварковом рождения такого эффекта мы не видим.

Рис. 6. Цикл частиц обеспечивают связь новой частицы фотонами и глюонами

Итак, чтобы ответить на эти петли нужны новые частицы, например, новые тяжелые кварки Q (рис. 6). Но здесь возникает одна загвоздка. Взаимодействие этих частиц должны быть настолько интенсивной, что она выходит за рамки обычного подхода и не описывается теорией возмущений. В этом случае откроется прорва эффекты: связанные состояния, многочисленные резонансы и так далее. В целом, теория сложности начинает напоминать обычного сильного взаимодействия — но только с другими «игроками», и в очень большой аборта. И, самое главное, что нас в этом случае ожидает открытие новых частиц и явлений в самые ближайшие годы.

Внутренности резонанс

Третья история связана с тем, что скрывается внутри резонанса. Когда «АТЛАС» сообщили, что пик выглядит широким, многие исследователи отмечали, что он может на самом деле оказаться не один, а несколько близких по массе частиц с шириной. Просто детектор, в силу не достаточно хорошее разрешение по энергии, не разделяет их на отдельные пики. Это сразу решает проблему описанную выше с сильной связи, так как каждая из этих частиц имеет небольшую ширину, и, следовательно, не обязана ни с кем взаимодействовать слишком интенсивно. Возможен также вариант, в котором мы частицы несут большой заряд. Вероятность распада частицы S двух фотонов увеличивается пропорционально четвертой степени зарядки частиц, циркулирующих в цикле. Так что и в этом случае можно избежать сильной связи.

Существование многих частиц с близкими массами, это не удивительно. Новые частицы, часто присутствуют в моделях, парами или даже целыми семьями. Часто, они ближе к столу. Вот и получается, что один параметр теория дает общий масштаб масс, а во-вторых, слабее, привести к небольшие различия. Любопытно реализация этой функции в рамках суперсимметричных моделей была приведена в статье, 750 два менее масштабных Diphoton Excess from the Goldstino Superpartner.

Существует также целый список изданий, в которых предполагается, что новая частица — компонент. По аналогии с тем, как кварк-антикварковая пара образует мезон, новая частица может быть связано с состояние двух тяжелых частиц. В этом случае, опять же, по аналогии с устройство мезонов, естественно, ожидать не одно, а несколько состояний с близкими массами. Они отвечают одной и той же пары частиц, но только в различные возбужденные состояния и, как следствие, с различными уровнями энергии связи.

Детали этой конструкции зависят от предположений о том, как это новая сила, которая связывает частицы в единое целое. Один из самых простых вариантов, на основе аналогии с системой чармония, был обсужден в статье Back to 1974: The Q-onium. На рис. 7 представлен пример, как будет выглядеть спектр этой системы. В такой модели легчайшее состоянии, как новый спин нулевой, и это может быть связано и с фотонами и глюонами. Но эта модель предсказывает, и дополнительные резонансы, которые вы откроете для себя немного больше энергии, не только в двухфотонном канале.

Рис. 7. Возможно, спектр связанных состояний Q-анти-Q-пару стол нового фермиона 420 Бак. Рисунок из статьи J. F. Kamenik, M. Редь, 2016. Back to 1974: The Q-onium

Не резонанс уникальная

Четвертая история, в которой кратко упоминалось выше, — гипотеза, то, что мы видим не банальный резонанс, слева на рис. 3, а что-то более сложное. Если это водопад распада более тяжелых частиц, как на второй график на рис. 3, распределение инвариантной массы двух фотонов будет иметь в виду не пик, и клин (рис. 8). В статье The 750 два менее масштабных Diphoton Excess May Not Imply a 750 два менее масштабных-резонансная томография-эта гипотеза была проанализирована для различных вариантов разложения, и тогда, когда правильный подбор параметров модели вполне сходилась данных.

Рис. 8. Возможное описание ворвались в данных ATLAS клинообразным сигнала (синия линия), которые появляются в каскаде распада тяжелых частиц. Рисунок из статьи W. S. Cho et al., 2016. The 750 два менее масштабных Diphoton Excess May Not Imply a 750 два менее масштабных-резонансная томография

Анкета для двухфотонного резонанса

На следующей неделе большой адронный коллайдер должен возобновить набор данных. На лето, он накопит новую порцию статистики, по крайней мере, сопоставимые объемы. В августе, на международной конференции ICHEP 2016 будут объявлены новые результаты относительно двухфотонного спайк. И не исключено, что уже тогда физики элементарных частиц рывок перескочит в стадии поиска Новой физики на этапе исследований.

В ожидании этих потенциально революционных данных, физики сформулировали список вопросов к двухфотонному резонансу в ответ на который в корне зависит от того, теоретическое объяснение.

• Какова ширина и профиль резонанс? Не следует, если есть два или более расположенных рядом пиков?
• Как сечение рождения зависит от энергии? Каков механизм рождения частиц? Если есть дисбаланс поперечного импульса в этих событиях?
• То, что равно спина этой частицы — н или два?
• Что показывают все остальные каналы (WW, ZZ, Zy, HH, кварки, лептоны) в этом диапазоне масс?
• Видны ли другие процессы с участием новой частицы, такие, как пара рождения или совместное рождение с кем-то еще? Например, появилась несколько дней назад статья Digamma, what next? показывает, на основе детального анализа, что именно в такие процессы будут лучше понимать природу новых частиц.

В дополнение к «допроса» пик двухфотонного физики, конечно, будут с удесятиренным усердием искать любые другие новые частицы. Первая массовая атака теоретиков показывают, что наиболее природными являются те модели, где, в нагрузку в пике до 750 Гэв, присутствует кто — то еще- заряжен, сильновзаимодействующий, но, вероятно, довольно тяжелыми. Любой намек на дополнительные частицы, может быть, через несколько дней переформатировать файл новой частицы.

Ну, программа исследования, в общих чертах, ясно. Нам остается только ждать августа результаты.

Источники:

1) Roberto Франческини et al. What is the гамма-гамма-резонансная томография-at 750 два менее масштабных? // е-принт arXiv:1512.04933 [hep-ph].

2) Алессандро Strumia. Interpreting the 750 два менее масштабных digamma excess: обзор // доклад на конференции Moriond-2016 с предоставлением теоретических возможностей.

См. также:

1) Список всех публикаций по двухфотонному пик при 750 Гэв.

2) Diphotons: Moriond Обновление, анализ данных в блог PhysicsMatt.

Игорь Иванов