Рис. 1. Участники конференции ICHEP 2016 полностью забили конференционную аудиторию и стоят в дверях в ожидании новостей про двухфотонный пик. Изображение с сайта twitter.com
На конференции ICHEP 2016 обнародованы новые результаты Большого адронного коллайдера по загадочному двухфотонному пику при массе 750 ГэВ, намеки на который появились полгода назад. Сейчас, на основе вчетверо большей статистики, коллаборации ATLAS и CMS вынесли однозначный приговор: в новых данных никакого намека на этот пик нет. То, что будоражило физиков-теоретиков последние месяцы, оказалось статистической флуктуацией.
Конец сказки
Двухфотонный всплеск при массе 750 ГэВ, поставивший на уши научное сообщество в физике элементарных частиц и ставший предметом для более чем 500 теоретических статей, — оказался миражом, сказкой. Красивой, правдоподобной, будоражащей фантазию — но сказкой. Она оставила нам сильные чувства и теплые воспоминания, но нам нужно двигаться дальше.
Утром 5 августа на проходящей в эти дни конференции ICHEP 2016, главном мероприятии года в физике элементарных частиц, представители экспериментов ATLAS и CMS показали долгожданные новые результаты Большого адронного коллайдера по рождению двух фотонов высокой энергии. В прошлом году, когда коллайдер только-только начинал свой второй сезон после долгой паузы, статистика была набрана очень скромная, она соответствовала светимости чуть больше 3 fb–1. В этом году коллайдер вышел на рекордные темпы набора данных, так что представленные на конференции результаты за 2016 год были получены на светимости около 12 fb–1. Последний сеанс набора данных, попавший в эту выборку, прошел в ночь с 14 на 15 июля.
В марте отклонение от Стандартной модели казалось очень существенным — взгляните на рис. 2 и 3 из мартовской новости, — и были основания надеяться, что пятикратное увеличение статистики приведет к гарантированному открытию. При условии, конечно, что наблюдавшееся тогда отклонение — реально, что это не статистическая флуктуация.
Но новые данные уничтожили эти надежды. На рис. 2 приведен тот же график, что в прошлой новости, но только с новой статистикой. От всплеска при 750 ГэВ не осталось и следа. Более того, по злой прихоти статистики ровно при этом значении есть даже некоторая нехватка событий, а не превышение. Во всей области инвариантных масс вплоть до 2500 ГэВ также нет никакого существенного отклонения от фона Стандартной модели (цветные кривые на рис. 2). Флуктуации вверх-вниз в данных присутствуют, но они выглядят ровно так, как от обычных статистических флуктуаций и ожидаешь. Даже какое-то подобие всплеска в данных CMS (рис. 2, справа) в области 600–650 ГэВ не тянет на сколько-нибудь заметное отклонение — тем более, что оно не подтверждается в эксперименте ATLAS.
Рис. 2. Распределение двухфотонных событий по инвариантной массе в данных ATLAS (слева) и CMS (справа). Цветные кривые показывают наилучшее моделирование фона; внизу приведены данные за вычетом этой кривой в абсолютных единицах (для ATLAS) и в единицах статистической погрешности (для CMS). Изображения из обсуждаемых докладов
Сопоставление накопленных данных с фоном лучше всего показано на рис. 3 на примере эксперимента ATLAS для умеренно широкого скалярного резонанса; у CMS наблюдается похожая картина. Здесь приведены локальные p-значения, то есть вероятность того, что одни только фоновые процессы Стандартной модели, без какой-либо Новой физики, могут за счет статистических выпадов дать, при данном значении массы, такое (или даже большее) отклонение, которое физики увидели в эксперименте. Когда это p-значение падает до очень маленьких величин, порядка одной тысячной и ниже, это дает повод физикам подозревать, что одним фоном тут не обойтись, что, возможно, тут есть новый эффект.
Рис. 3. График локального p-значения для разных инвариантных масс двух фотонов по данным ATLAS. Красным и синим цветом показаны данные 2016-го и 2015 года; черная кривая — совокупный результат. Изображение с сайта atlas.web.cern.ch
В данных 2015 года так и было: синяя пунктирная кривая при значении 750 ГэВ резко падает вниз. Однако в данных 2016 года (красный пунктир) ничего подобного не наблюдается. Даже если объединить эти две выборки, то суммарный локальный эффект падает до 2σ, и то только за счет старых данных. С точки зрения эксперимента — это ничто; флуктуации такого масштаба неизбежно будут встречаются в хоть сколько-нибудь большой статистике.
Для того чтобы совсем расставить точки над «i», коллаборация CMS показала, как должен был бы выглядеть сигнал от новой частицы, если бы она была реальной и ее масса и сечение рождения были бы такими, на которые указывал мартовский анализ. Он показан на рис. 4 в области инвариантных масс 600–900 ГэВ. Пик должен был бы гордо возвышаться над фоном почти на 4 стандартных отклонения. Вместо этого — провал.
Рис. 4. Те же данные, что на рис. 2, справа, в области 600–900 ГэВ. Красным показано то, как должен был бы выглядеть сигнал, на который указывал мартовский анализ. Изображение с сайта indico.cern.ch
Вывод однозначный и неумолимый: двухфотонный всплеск при 750 ГэВ закрыт. То, что мы видели в прошлогодних данных, было лишь статистической флуктуацией. Новые результаты согласуются с ожиданиями Стандартной модели.
Отрицательный результат поиска резонансов, как в таких случаях и бывает, позволил физикам установить ограничение сверху на сечение рождения гипотетической частицы. На рис. 5 показаны ограничения по данным ATLAS. Почти во всей области масс ограничения усилились в 2-4 раза по сравнению со старыми данными и, в частности, они закрыли то сечение при массе 750 ГэВ, которое оценивалось в марте (5–10 fb).
Рис. 5. Ограничение сверху на сечение рождения гипотетического тяжелого резонанса с двухфотонным распадом. Красным и синим цветом показаны данные 2016-го и 2015 года; черная кривая — совокупный результат. Изображение с сайта atlas.web.cern.ch
Вопросы и уроки
Назревавшая было сенсация исчезла так же молниеносно, как и возникла. Но она оставила после себя вопросы, в каком-то смысле выходящие даже из чисто научной плоскости: Что это было? Как такое получилось? Были ли ожидания оправданы?
Прежде всего, подчеркнем еще раз, что ни в самом эксперименте, ни тем более в поведении экспериментаторов никакого прокола нет. Обвинения, что участники экспериментов якобы выдавали желаемое за действительное, — беспочвенны. Подход к анализу данных был взвешенный и беспристрастный, результаты анализа сообщались в максимально консервативных формулировках, а в общении с теоретиками и с прессой экспериментаторы подчеркивали, что пока рано делать выводы, нужны новые данные. Самое сильное утверждение, которое коллаборации официально выдали в марте, после новых подтверждающих результатов, звучало «теперь мы можем испытывать сдержанный оптимизм». Слово «открытие» экспериментаторы не говорили даже близко. И это сильно отличается от ситуации со сверхсветовым нейтрино, когда вся шумиха возникла из-за дефектного кабеля, и от поспешного сообщения BICEP2 о регистрации первичных гравитационных волн в поляризации реликтового излучения — там выяснилось, что был некорректно оценен галактический фон.
Здесь, по всей видимости, с экспериментом всё было в порядке с начала и до конца. Различие в результатах можно было бы списать на то, что в прошлом анализе физики чего-то не учли, а теперь приняли во внимание. Но методика анализа, по сути, осталась той же, просто теперь ею же был обработан новый массив данных (и заново, кстати, перепроверен старый). Получается, что именно данные сыграли с физиками злую шутку — причем сразу в обоих экспериментах. Совпадение странное, спору нет, но никакого иного объяснения у представителей коллаборации не находится (рис. 6). Они даже оценили вероятность того, что одна и та же физическая ситуация может выдать настолько различающиеся результаты в двух последовательных выборках данных. Вероятность получилась на уровне меньше одного процента (2,7σ, ATLAS) и пары процентов (2,4σ, CMS). Вероятность такой шутки природы сразу в обоих экспериментах приведена не была.
Рис. 6. Представитель коллаборации ATLAS Дейв Чарлтон (David Charlton), отвечая в ходе пресс-конференции на вопрос журналиста, соглашается с тем, что настолько близкое совпадение статистических флуктуаций в двух экспериментах выглядит удивительным, но другого объяснения он не видит. Скриншот видео-трансляции
Огромные — и, как выяснилось, беспочвенные — ожидания лежат, скорее, на совести теоретиков, включая многих людей с громкими именами, которые с первого же дня бросили недюжинные силы на всестороннее обсуждение отклонения в терминах Новой физики и тем самым подали личный пример многим другим. Исходный анализ ATLAS и CMS показывал отклонение на уровне (неофициально объединенной) статистической значимости около 3σ. Для такого, в общем-то, скромного отклонения отклик физиков был неоправданно оптимистичный. Сейчас, естественно, идет обратная реакция, включая не только шутки, но и прямые обвинения одними теоретиками других. Поэтому если и говорить о «потере контакта», то не между физиками и прессой, а, скорее, между экспериментаторами и теоретиками. Не исключено даже, что по итогам этой истории будет пересмотрено, какой вес следует придавать отклонениям в 4–5 сигм, особенно когда они возникают в ранее не изученной области.
В этой истории есть, впрочем, и позитивные моменты. Во-первых, затраченные усилия тысяч (!) теоретиков не пропадут даром как минимум потому, что появились универсальные феноменологические наработки на случай нового неожиданного всплеска лишь в одном из каналов без подтверждения в других. Во-вторых, хорошо, что аномалия исчезла быстро и безоговорочно. Было бы куда хуже, если бы такой всплеск обнаружился на излете первого сеанса работы коллайдера в 2012 году: тогда бы три года физики тешили себя иллюзиями. Столь же неприятной оказалась бы ситуация, если бы новые данные не закрыли отклонение, а держали его на грани любопытного. Физики недавно уже проходили через ситуацию с мучительной неопределенностью, когда распад хиггсовского бозона на два фотона (опять двухфотонный канал!) долго казался нестандартным.
В общем, научное сообщество в физике элементарных частиц приходит в себя и возвращается к взвешенной, обоснованной теоретической интерпретации данных. Благо, что этих самых данных теперь будет много. Коллайдер работает исправно, статистика еще утроится к концу этого года — а затем вырастет еще в несколько раз к концу сеанса Run 2. Наконец, 2020-е годы порадуют еще примерно десятикратным повышением статистики по сравнению со всей выборкой Run 2. Эта программа уже одобрена ЦЕРНом, и она будет реализована вне зависимости от развития событий в ближайшие годы. Пока что накоплено меньше процента от всего объема данных, на который рассчитан LHC, и, в ожидании новых горизонтов, этот процент надо бы трезво и внимательно изучить.
Ссылки
ATLAS Collaboration:
Search for a high mass diphoton resonance using the ATLAS detector // доклад на конференции ICHEP 2016;
Search for scalar diphoton resonances with 15.4 fb–1 of data collected at sqrt(s)=13 TeV in 2015 and 2016 with the ATLAS detector // предварительная публикация ATLAS-CONF-2016-059;
Diphoton Searches at ATLAS // семинар в ЦЕРНе (PDF, 29 Mb);
High-mass di-photon resonances: the first 2016 ATLAS results // заметка на сайте ATLAS.
CMS Collaboration:
Searches for BSM physics in diphoton final state at CMS // доклад на конференции ICHEP 2016;
Search for resonant production of high mass photon pairs using 12.9 fb–1 of proton-proton collisions at sqrt(s)=13 TeV and combined interpretation of searches at 8 and 13 TeV // предварительная публикация CMS-PAS-EXO-16-027;
Diphoton Searches at CMS // семинар в ЦЕРНе (PDF, 21 Mb).
Игорь Иванов
Это интересно
Новости партнеров
Амазахи — белый север Африки 
Как нарастить ресницы самостоятельно – инструкция