Теоретики обсуждают новое отклонение в данных ATLAS

Рис. 1. Распределение событий по дисбалансу поперечного импульса в одной из семи сигнальных областей. Цветная гистограмма показывает вклад разных фоновых процессов, черные точки с погрешностями — реальные данные, точечные пунктирные линии демонстрируют, как мог бы идти этот график для двух конкретных вариантов Новой физики. График с сайта atlas.web.cern.ch

Прошедшая в августе 2016 года конференция ICHEP на основании первой крупной порции данных Run 2 навела порядок (или привела к разрушительным последствиям — кому какая формулировка ближе) в зоопарке отклонений от Стандартной модели, который возник на тот момент. Список этих отклонений можно найти на странице Загадки Большого адронного коллайдера: июль 2016; сейчас в области высоких энергий почти все они исчезли (см. текущую версию страницы Загадок коллайдера). Даже напоминавшее суперсимметричные частицы отклонение в канале рождения «лептонная пара + адронные струи + потерянный поперечный импульс», которое, казалось, начинало проступать и в данных 2015 года, — тоже было закрыто недавними данными.

Однако тогда же, прошлым августом, коллаборация ATLAS сообщила, что, обработав статистику 13,2 fb−1, она видит новое отклонение (см. предварительную публикацию ATLAS-CONF-2016-050). Это отклонение тоже напоминает рождение и распад суперсимметричных частиц, но только их «детекторная подпись» несколько иная: здесь событие состоит только из одного лептона большой энергии, адронных струй, включая и опознанные струи с участием b-кварка, и сильного дисбаланса поперечного импульса. В принципе, такие события могут происходить и в рамках Стандартной модели. Например, может родиться топ-кварк-антикварковая пара, в которой, скажем, топ-кварк распадается с испусканием позитрона и нейтрино (плюс адроны), а антитоп-кварк — только на адроны. Но в этом случае дисбаланс поперечного импульса — тот невидимый детектором импульс, который уносит нейтрино, — должен быть небольшой. Такие события действительно наблюдались в контрольных кинематических областях, что позволило точнее настроить моделирование фоновых процессов.

Однако кроме этого был обнаружен избыток событий с большим дисбалансом поперечного импульса, а также с большими значениями других кинематических функций (см. рис. 1). Было проведено семь разных процедур отбора данных — они отвечают разным сигнальным областям в пространстве кинематических параметров, — и в трех из них были обнаружены отклонения со статистической значимостью 2,2σ, 2,6σ и 3,3σ. Подчеркнем, что эти варианты анализа не являются независимыми друг от друга, поскольку сигнальные области частично перекрываются. По этой причине трудно указать общую статистическую значимость этого результата. Но тот факт, что один из вариантов анализа дал довольно сильное отклонение, заставил теоретиков относиться к намеку серьезно: несмотря на то что данные предварительные, уже с десяток исследовательских групп теоретиков включили их в свой анализ.

Если интерпретировать этот результат как сигнал Новой физики, то основная рабочая гипотеза — что это результат рождения топ-скварков, то есть частиц-суперпартнеров топ-кварков (рис. 2). Топ-скварк («стоп» на физическом жаргоне) во многих вариантах теории распадается на топ-кварк и частицу темной материи, которая, оставаясь невидимой для детектора, уносит большой поперечный импульс. Получается картина, похожая на рождение топ-антитоп-пары, но только с сильно нарушенным балансом поперечного импульса. Другая возможность — каскадный распад, в результате которого получается пара bW и пара их античастиц.

Рис. 2. Рождение пары топ-скварков и два варианта их распада, которые могут приводить к отклонению в канале «1 лептон + струи + потерянный поперечный импульс». Диаграммы с сайта atlas.web.cern.ch

В обоих случаях дальнейший распад этих частиц вполне может дать отклонение наподобие того, что увидел ATLAS. Общий 19-параметрический вариант минимальной суперсимметричной модели (pMSSM) вполне может объяснить этот результат, не вступая в противоречие с другими данными (K. Kowalska, E. M. Sessolo, 2017. MSSM fits to the ATLAS 1 lepton excess).

Конкретно этот процесс — лишь один из вариантов поиска топ-скварков. Детальный анализ показывает, что если перед нами действительно топ-скварки, то они должны давать отклонения и в других процессах (см. статьи H. Baer et al., 2016. A top-squark hunter’s guide и H. An et al., 2016. Exploring the nearly degenerate stop region with sbottom decays). Сейчас идет обсуждение списка измерений, которые должен будет выполнить коллайдер, чтобы серьезно протестировать именно такую гипотезу.

Многие теоретики обращают также внимание на то, что анализ в терминах одного лишь потерянного импульса может быть неоптимальным (см., например, P. Konar et al., 2016. Demystifying compressed top squark region with kinematic variables). Особенно опасна ситуация, когда частицы-суперпартнеры обладают большими, но близкими друг к другу массами. Например, если на рис. 2 масса топ-скварка лишь немногим больше массы частицы темной материи (χ0, нейтралино), то распад на топ-кварк (рис. 2, слева) будет невозможен по закону сохранения энергии. Поэтому открываются другие, менее энергозатратные варианты распада (например, рис. 2, справа). Еще очень важно то, что в таком случае появившиеся в распаде обычные частицы не будут демонстрировать слишком уж большой дисбаланс поперечного импульса. Основной поперечный импульс уносят две частицы темной материи, но они улетают почти в противоположные стороны. Значит, требуется использовать другие, более прозорливые кинематические величины. Поиск и оптимизация таких величин тоже продолжится в ближайшем будущем.

В целом, обжегшись на других недавних примерах, теоретики реагируют на этот предварительный результат ATLAS сдержанно, однако из виду его не упускают. Очевидно, сейчас следует дождаться полноценный статьи ATLAS и узнать, что скажет по этому поводу CMS. Мы будем следить за дальнейшим развитием ситуации с этим отклонением на страничке Поиск суперсимметрии — 3.