Теоретики продолжают искать объяснения двухфотонному пику

Главная → Science 14:42, Алексей Викторов

Рис. 1. Двухфотонный всплеск может оказаться лишь вершиной айсберга новых эффектов и открытий. График из презентации A. Strumia, 2016. Interpreting the 750 GeV digamma excess: a review

У двухфотонного пика, намеки на который проступают всё яснее, есть все шансы стать крупнейшим открытием в физике элементарных частиц за последние десятилетия. Ситуация должна проясниться очень скоро, уже этим летом, и близость развязки поддерживает ажиотаж. В ожидании новых данных, теоретики продолжают ломать голову над тем, какой именно вариант Новой физики может скрываться за этим отклонением. Мы приводим краткий обзор того, о чем говорят данные и какие объяснения сейчас наиболее популярны.

Начнем с обязательной оговорки. Всплеск двухфотонных событий в области масс 750 ГэВ, который видят оба крупнейших детектора Большого адронного коллайдера, ATLAS и CMS, может оказаться фантомом. Может быть, это банальная статистическая флуктуация, так удачно совпавшая в обоих детекторах, или неотловленный пока прокол алгоритмов обработки данных. Реален этот пик или нет — мы пока не знаем. Но если это всё-таки настоящее проявление Новой физики, то есть смысл начать разбираться уже сейчас, что именно за ним может скрываться.

О чем говорят данные

Давайте перечислим голые факты. На рис. 2 для удобства показаны двухфотонные данные ATLAS, накопленные в 2015 году в рамках сеанса Run 2. В них явно прослеживается превышение над фоном в районе 750 ГэВ. Похожие данные, правда, с чуть меньшей статистической значимостью, есть и у CMS. И, наконец, кое-какие намеки на превышение в этой области можно угадать и в данных, набранных в 2010–2012 годах во время сеанса Run 1 на энергии столкновений 8 ТэВ. Подробности про эти измерения см. в новости Загадочный двухфотонный пик проступает всё сильнее.

Рис. 2. Распределение событий по инвариантной массе двух фотонов по данным ATLAS. График из презентации M. Delmastro, 2016. Diphoton searches in ATLAS

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

Пик в распределении инвариантной массы двух фотонов приходится на массу 740–760 ГэВ.
В данных ATLAS пик выглядит довольно широким: его ширина лежит в диапазоне 20–120 ГэВ, более точную оценку дать пока затруднительно. Данные же CMS отдают предпочтение узкому резонансу шириной не более 10–20 ГэВ.
По количеству событий можно оценить сечение рождения гипотетической частицы с последующим распадом на два фотона. Данные при энергии 13 ТэВ дают σ13 ТэВ ≈ 5–10 fb, данные Run 1 при энергии 8 ТэВ указывают на сечение σ8 ТэВ ≈ 0,5–1 fb.
Нейтральная частица рождается в столкновении протонов и распадается на два фотона. Значит, она точно взаимодействует с фотонами и с глюонами либо с кварками. Но она нейтральная частица, а это значит, что она точно должна взаимодействовать с кем-то еще, и, по всей видимости, это какие-то новые частицы.
Ни в каком другом канале распада (струи, топ-кварки, тяжелые бозоны, и т. п.) резонанса при 750 ГэВ не видно. Это означает, что связь с другими известными частицами не может быть слишком сильной.

Конкретный процесс, который порождает этот двухфотонный сигнал, пока неизвестен. На рис. 3 показаны некоторые из изученных теоретиками вариантов происхождения двухфотонного всплеска. Самым естественным кажется вариант наподобие бозона Хиггса, то есть рождение скалярной частицы S (спин нуль) в слиянии двух глюонов и ее распад на на два фотона (первая диаграмма на рис. 3). Разновидности того же процесса: когда частица рождается в кварк-антикварковом столкновении или когда ее спин равен не нулю, а двойке. В этом процессе масса частицы S совпадает с положением двухфотонного пика.

Рис. 3. Основные варианты возникновения двухфотонного всплеска. График из презентации A. Strumia, 2016. Interpreting the 750 GeV digamma excess: a review

Второй возможный вариант — это рождение еще более тяжелой родительской частицы P, которая затем распадается на пару новых частиц полегче: R и уже знакомую нам S. В этом варианте двухфотонный сигнал, который видят детекторы, идет от S. Ее напарница R распадается на частицы темной материи, которые, в силу исключительной слабости их взаимодействия с обычной материей, улетают прочь и не регистрируются детекторами.

Есть и более экзотические возможности, также показанные на рис. 3. Например, тяжелая скалярная частица S распадается не на фотоны, а на какие-то новые очень легкие частицы Π, которые, наподобие нейтрального пи-мезона, могут распадаться на фотоны. Поскольку частица Π легкая, фотоны от ее распада летят очень близко друг к другу, попадают в одну ячейку калориметра и вызывают отклик, который детектор воспринимает как сигнал от единичного фотона.

Минимальный анализ

Перечисленные выше отдельные кусочки информации складываются в любопытную картину, для воссоздания которой даже не требуется прибегать к конкретным теориям. Поясним это в рамках самого простого механизма, показанного на первой диаграмме на рис. 3.

Как известно, ширина частиц-резонансов связана с их временем жизни: чем шире резонанс, чем быстрее он распадается, а значит, тем сильнее он взаимодействует с другими частицами. В данной ситуации ширина играет важнейшую роль: если пик действительно широкий, как это показывает ATLAS, то новая частица обязана распадаться на что-то еще.

Чтобы пояснить, откуда следует этот вывод, возьмем ширину распада на какой-то конкретный канал f и поделим на массу частицы: xf = Γf /M. Безразмерное число xf характеризует, насколько сильно новая частица «сцеплена» с набором частиц f. Связь с фотонами и с глюонами точно есть, и из величины сечения можно получить xgg·xγγ ≈ 6·10−8. Но большая полная ширина резонанса (возьмем среднее значение ATLAS Γ = 45 ГэВ) говорит о том, что сумма xf по всем каналам распада должна быть примерно 0,06. Так может получиться только в трех вариантах:

двухфотонная ширина большая, xγγ ≈ 0,06, а двухглюонная — маленькая. Иными словами, частица рождается очень неохотно, но зато она распадается в основном на фотоны, и они регистрируются надежно. Однако организовать настолько сильную связь нейтральной частицы с фотонами крайне затруднительно.
двухглюонная ширина большая, а двухфотонная — маленькая. Частица рождается в больших количествах, но вероятность ее распада на два фотона мала. Это организовать, в принципе, можно, но тогда должен идти сильный распад этой же частицы на два глюона. Такой распад был бы виден как резонанс в двухструйных событиях, но в данных намека на него не видно. Ненаблюдение пика в двухструйных событиях накладывает ограничения: xgg < 0,0015.
самый естественный вариант: кроме двухфотонного и двухглюонного распада существует распад и на какие-то другие частицы, либо уже нам известные, либо новые и невидимые, как частицы темной материи. Распад идет в основном на них, но мы пока не видим, потому что там все забивает фон.

Опять сделаем оговорку: стоит изменить предположение о механизме рождения, как выводы меняются. Увы, это пока неизбежно: в отсутствие других экспериментальных данных, интерпретация пика сильно зависит от предположений.

Дополнительную информацию дает сопоставление сечений при 8 и 13 ТэВ. Сечение должно расти с увеличением энергии протонов, но вот насколько сильный будет рост, зависит от механизма рождения (рис. 4). Если частица рождается в столкновении глюонов или тяжелых b-кварков, то σ13 ТэВ/σ8 ТэВ должно получиться равным примерно 5. Если механизм рождения — через легкие кварки или фотоны, то усиление — в 2–2,5 раза. Однако данные указывают на более сильный контраст между данными Run 1 и Run 2 — раз в 10–15. Если для столкновения глюонов или тяжелых кварков эти числа еще можно свести друг с другом, попеняв на статистические флуктуации, то для остальных механизмов рождения — это серьезный аргумент против. Это, в частности, закрывает наивное предположение, что наш резонанс можно объяснить чисто фотонным рождением.

Рис. 4. Рост сечений при переходе от 8 к 13 ТэВ для разных механизмов рождения частицы с массой вплоть до 2 ТэВ. Горизонтальные линии показывают, какой множитель нужен детекторам ATLAS и CMS, чтобы скомпенсировать различие между светимостями, набранными на этих двух энергиях. График из презентации A. Strumia, 2016. Interpreting the 750 GeV digamma excess: a review

Впрочем, здесь тоже достаточно изменить предположение о механизме рождения — и выводы поплывут. Например, если процесс рождения — как на второй диаграмме на рис. 3, то, с точки зрения детектора, двухфотонный сигнал будет похожий, но вот усиление сечения σ13 ТэВ/σ8 ТэВ может легко подскочить до десятки и выше, поскольку оно зависит от массы частицы P. В таком варианте, кстати, появляется важная зацепка. Раз частицы темной материи не регистрируются, то детектор должен увидеть неожиданно возникший дисбаланс поперечного импульса. Экспериментаторы, однако, ни о каком сильном дисбалансе не сообщают. Обойти эту трудность можно настройкой модели, правда, несколько искусственной. Так или иначе, изучение кинематических распределений и, в частности, поиск потерянного поперечного импульса — важный этап будущей программы исследования этого пика. Предварительные оценки того, на какие распределения стоит смотреть прежде всего, приведены в недавней статье Characterising the 750 GeV diphoton excess.

Описательные модели и их предсказания

Теперь приправим рассказ щепоткой теории и моделей.

В физике частиц есть два подхода к описанию непонятного эффекта. Можно пытаться найти место новой частице в конкретных, заботливо построенных теориях, либо можно ограничиться описательной конструкцией, где все взаимодействия тщательно параметризуются, но никаких глубоких выводов пока не делается. В первом случае мы делаем «точечный укол», и если удача нам улыбнется, мы можем сразу наткнуться на ту самую теорию, которая реализуется в нашем мире. Во втором случае, мы действуем широким фронтом, но не получаем пока что ответов на самые интересные вопросы.

Конкретных моделей, способных описать двухфотонный всплеск при 750 ГэВ, предложено уже несколько сотен, и перечислять все их бессмысленно. Поэтому мы просто упомянем некоторые варианты для иллюстрации того, насколько широкое поле возможностей исследуют сейчас теоретики.

Соседи по электрослабому взаимодействию

Первый сюжет начинается с того, что фотон — это, вообще-то, не произвольная частица, а «продукт» хиггсовского механизма. Этот механизм перемешивает исходные нейтральные частицы в новые комбинации, которые предстают перед нами как фотон, Z-бозон, и бозон Хиггса (рис. 5). Поэтому если новая частица «уважает» электрослабую теорию и при этом распадается на два фотона, то она должна также распадаться и на другие частицы: ZZ, Zγ и, возможно, на WW-пару.

Рис. 5. Суть хиггсовского механизма — смешивание исходных частиц в определенные комбинации, одна из которых и есть фотон. Рисунок с сайта quantumdiaries.org

Вероятности распадов на эти пары частиц вполне поддаются вычислению. Если предположить, что частица при 750 ГэВ цепляется к фотону только за счет поля B (фиолетовый шарик на рис. 5), то распады на другие каналы получаются слабые. Есть только шансы заметить Zγ-распад, да и то, с трудом. Если же новая частица чувствует все электрослабые поля, то всё будет намного веселее. Тогда распад на WW пару должен быть в 40 раз более вероятным, а на ZZ — в 12 раз более вероятным, чем на фотоны. Сейчас эти распады пока не видны просто потому, что их сложнее отделять от фона, но детекторам будет по силу их заметить уже в ближайший год.

Виртуальные частицы в петлях

Другой аспект загадки: кто обеспечивает связь нейтральной частицы с фотонами и глюонами? Наиболее естественный ответ: петли из заряженных виртуальных частиц, чувствующих сильное взаимодействие. Первое подозрение падает на топ-кварки — но его тут же приходится отмести. Если бы топ-кварки обеспечивали такую сильную связь, новая частица распадалась бы напрямую на топ-антитоп-пару в сотню тысяч раз охотнее, чем на фотоны. А мы в топ-кварковом рождении такого эффекта не видим.

Рис. 6. Петли частиц обеспечивают связь новой частицы с фотонами и глюонами

Значит, отвечать за эти петли должны новые частицы, например, новые тяжелые кварки Q (рис. 6). Но тут возникает другой подвох. Взаимодействие с этими частицами должно быть настолько интенсивным, что оно выходит за рамки обычного подхода и не описывается теорией возмущений. В этом случае открывается прорва эффектов: связанные состояния, многочисленные резонансы и так далее. В общем, теория по своей сложности начинает напоминать обычные сильные взаимодействия — но только с другими «игроками» и при очень больших массах. И самое важное, что нас при таком развитии событий ожидают открытия новых частиц и явлений в самые ближайшие годы.

Внутренности резонанса

Третий сюжет касается того, что скрывается внутри резонанса. Когда ATLAS сообщил, что пик выглядит широким, многие исследователи отметили, что он может на самом деле оказаться не одной, а несколькими близкими по массе частицами с маленькой шириной. Просто детектор, в силу своего недостаточно хорошего разрешения по энергии, не разделяет их на отдельные пики. Это сразу решает описанную выше проблему с сильной связью, поскольку каждая из этих частиц имеет маленькую ширину, а значит, не обязана ни с кем взаимодействовать слишком интенсивно. Возможен также вариант, в котором новые частицы несут большой электрический заряд. Вероятность распада частицы S на два фотона растет пропорционально четвертой степени заряда частиц, циркулирующих в петле. Так что и таким способом можно избежать сильной связи.

Наличие нескольких частиц с близкими массами не вызывает удивления. Новые частицы часто присутствуют в моделях парами или даже целыми семействами. Зачастую, они имеют близкие массы. Так получается потому, что один параметр теории обеспечивает их общий масштаб масс, а второй, более слабый, приводит к небольшим различиям. Любопытная реализация этой возможности в рамках суперсимметричных моделей была приведена в статье 750 GeV Diphoton Excess from the Goldstino Superpartner.

Есть также целый список публикаций, в которых предполагается, что новая частица — составная. По аналогии с тем, как кварк-антикварковая пара образует мезон, новая частица может быть связанным состоянием двух тяжелых частиц. В этом случае, опять же по аналогии с устройством мезонов, вполне естественно ожидать не одно, а сразу несколько состояний с близкими массами. Они отвечают одной и той же паре частиц, но только в разных возбужденных состояниях и, как следствие, с разной энергией связи.

Детали этой конструкции зависят от предположений о том, как устроена та новая сила, которая связывает частицы в единое целое. Один из самых простых вариантов, опирающийся на аналогию с системой чармония, обсуждался в статье Back to 1974: The Q-onium. На рис. 7 показан пример того, как мог бы выглядеть спектр этой системы. В такой конструкции легчайшее состояние как раз имеет спин нуль, и оно может быть связано и с фотонами, и с глюонами. Но эта модель предсказывает и дополнительные резонансы, которые можно будет обнаружить чуть выше по энергии, причем не только в двухфотонном канале.

Рис. 7. Возможный спектр связанных состояний Q-анти-Q-пары для массы нового фермиона 420 ГэВ. Рисунок из статьи J. F. Kamenik, M. Redi, 2016. Back to 1974: The Q-onium

Не резонансом единым

Четвертый сюжет, который мы вкратце уже упоминали выше, — предположение о том, что мы видим не банальный резонанс, как слева на рис. 3, а нечто более сложное. Если это каскадный распад более тяжелой частицы, как на второй диаграмме на рис. 3, то распределение по инвариантной массе двух фотонов будет иметь вид не пика, а клина (рис. 8). В статье The 750 GeV Diphoton Excess May Not Imply a 750 GeV Resonance эта гипотеза была проанализирована для разных вариантов распада, и при подходящем подборе параметров модель вполне сходилась с данными.

Рис. 8. Возможное описание всплеска в данных ATLAS клинообразным сигналом (синия линия), возникающим из каскадного распада тяжелых частиц. Рисунок из статьи W. S. Cho et al., 2016. The 750 GeV Diphoton Excess May Not Imply a 750 GeV Resonance

Анкета для двухфотонного резонанса

На следующей неделе Большой адронный коллайдер должен возобновить набор данных. К лету он накопит новую порцию статистики как минимум сравнимого объема. В августе, на международной конференции ICHEP 2016 будут озвучены новые результаты относительно двухфотонного всплеска. И не исключено, что уже тогда физика элементарных частиц рывком перескочит из стадии поиска Новой физики к стадии ее исследования.

В ожидании этих, потенциально революционных данных, физики сформулировали список вопросов к двухфотонному резонансу, от ответов на которые принципиально зависит теоретическое объяснение.

Какова ширина и профиль резонанса? Не вырисовывается ли там два или несколько близко расположенных пиков?
Как сечение рождения зависит от энергии? Каков механизм рождения частицы? Нет ли дисбаланса поперечного импульса в этих событиях?
Чему равен спин этой частицы — нуль или два?
Что показывают все остальные каналы (WW, ZZ, Zγ, HH, кварки, лептоны) в этом диапазоне масс?
Видны ли другие процессы с участием новой частицы, такие как парное рождение или совместное рождение с кем-то еще? Например, появившаяся несколько дней назад статья Digamma, what next? показывает на основании детального анализа, что именно в таких процессах будет лучше всего понятна природа новой частицы.

В дополнение к «допросу» двухфотонного пика физики, конечно же, будут с удесятиренным рвением искать любые другие новые частицы. Первая массовая атака теоретиков показывает, что наиболее естественными являются те модели, где, в нагрузку к пику при 750 ГэВ, присутствует кто-то еще — заряженный, сильновзаимодействующий, но, возможно, достаточно тяжелый. Любой намек на дополнительные частицы может в считанные дни переформатировать досье новой частицы.

Что ж, программа исследований в общих чертах ясна. Нам остается только дождаться августовских результатов.

Источники:
1) Roberto Franceschini et al. What is the gamma gamma resonance at 750 GeV? // е-принт arXiv:1512.04933 [hep-ph].
2) Alessandro Strumia. Interpreting the 750 GeV digamma excess: a review // доклад на конференции Moriond-2016 с обзором теоретических возможностей.

См. также:
1) Список всех публикаций по двухфотонному пику при 750 ГэВ.
2) Diphotons: Moriond Update, анализ данных в блоге PhysicsMatt.

Игорь Иванов

Смотрите также

Новости партнеров