Рубрики У фотонов, несмотря на то, намеки на что проступают все яснее, есть все шансы стать крупнейшим открытием в физике элементарных частиц за последние десятилетия. Ситуацию нужно прояснить очень скоро, уже этим летом, и близость выхода поддерживает ажиотаж. В ожидании новых данных, теоретики продолжают ломать голову о том, какой вариант является Новой физики, что может скрываться за этим отказом. Это краткое резюме того, о чем говорят данные, и какие разъяснения, теперь более и более популярным.
Начнем с обязательной бронирования. Всплеск двухфотонных событий в области масс-750 ГэВ, что видят оба старше детектор Большого адронного коллайдера, ATLAS и CMS, может быть призрак. Может быть, это банально колебания статистики, а также то, совпавшая в обоих детекторов, или неотловленный до тех пор, пока бурение алгоритмы обработки данных. Реально этот пик или нет, мы пока не знаем. Но если у вас присутствует проявление Новой физики, то есть смысл начать понять теперь, что именно в нем может скрываться.
Что говорят данные
Давайте список голые факты. На рис. 2 для удобства выборки двухфотонные данных «АТЛАС», накопленный в 2015 году в рамках сеанса Run 2. В них явно прослеживается превышение над фоном в районе 750 ГэВ. Подобные данные, однако, с меньшей статистической значимости и CMS. И, наконец, некоторые намеки на превышение в этой области, вы можете догадаться, на данные, накопленные в 2010-2012 годах во время сеанса Run 1 на энергии столкновений 8 ТэВ. Подробная информация об этих измерениях, Новости Загадочный двухфотонный пик, Сейф.
Рис. 2. Распределение событий по инвариантной массы двух фотонов данных «АТЛАС». График подачи M. Delmastro, в 2016 году. Diphoton searches in ATLAS
В эти диаграммы совместно с другими данными, которые дают первое представление о двухфотонном правил.
- Пик распределения инвариантной массы двух фотонов попадает в массы 740-760 ГэВ.
- В данных ATLAS пик выглядит довольно широк: его ширина варьируется в диапазоне 20-120 ГэВ, более точную оценку дать еще сложнее. Данные же CMS, предпочитают узкий карата, не более от 10 до 20 ГэВ.
- По количеству событий, можно оценить сечение рождения гипотетическая частица, с последующим распадом на два фотона. Данные энергии 13 ТэВ дают σ13 ТэВ ≈ 5-10 fb, данных Run 1 с энергией 8 ТэВ, указывают в разделе σ8 ТэВ ≈ 0,5–1 fb.
- Нейтральная частица рождается в столкновении протонов и распадается на два фотона. За что конкретно взаимодействует с фотонами и глюонами или с кварками. Но она нейтральности частицы, что означает, что он должен взаимодействовать с кем-то еще, и, по-видимому, является одним из видов новых частиц.
- В любой другой канал распада (струи, топ-кварки, тяжелые бозоны и т. д.) резонанса при 750 ГэВ, не видно. Это означает, что связь с других известных частиц не может быть слишком сильным.
Процесс, который создает этот двухфотонный сигнал, еще не известно. На рис. 3 показаны некоторые изученные теоретические параметры источника фотонов всплеска. Более естественным кажется вариант как бозона Хиггса, то есть, рождение скалярной частицы S (спин ноль) в слиянии двух глюонов и его распада на два фотона (в первой схеме на рис. 3). Разновидности одного и того же процесса: когда частица рождается в quark-антикварковом столкновения или когда его поворота не равен нулю, а два. В этом процессе масса частицы, S совпадает с позицией фотонов пика.
Рис. 3. Основные формы возникновения фотонов всплеска. График представления A. Strumia, в 2016 году. Interpreting the 750 ГэВ, digamma excess.
Второй вариант-это рождение более тяжелой основной частицы P, который затем распадается на несколько новых частиц: R и уже привычную для нас S. В этом варианте двухфотонный сигнал, что они видят детекторы, идет от S. Его спутница R распадается на частицы темной материи, которые, из-за большой слабости их взаимодействия с обычной материей, они летают далеко и не регистрируются детекторами.
Есть и более уникальные особенности, также показанные на рис. 3. Например, последовательность частицы S разлагается не на фотоны, и очень легкие частицы, Π, которое, как и нейтрального пи-мезона, могут распадаться на фотоны. Поскольку частица Π легко, фотоны его разложения летят очень близко друг от друга, попадают в ячейку калориметра и вызывают отклик, что детектор воспринимает как сигнал единственного фотона.
Минимальный анализ
Перечисленные выше отдельные фрагменты складываются в некий образ, для реконструкции которого даже не надо обратиться к теории потребностей. Мы можем объяснить это в рамках более простой, механизм, показана на первой диаграмме рис. 3.
Как известно, ширина полосы частиц, резонансов, связанная с время жизни: чем шире резонанс, тем быстрее она ломается и, следовательно, тем сильнее она взаимодействует с другими частицами. В этом случае, ширина, играет важную роль: если пик действительно широкий, как показывает АТЛАС, новая частица, обязано соответствовать что-то более.
Чтобы пояснить, откуда такой вывод, возьмем ширину распада в канал f и разделим массы частиц: xf = Γf /M. Безразмерное число xf характеризует, сколько новая частица «сцеплена» с набором частиц f. Отношения с фотонами и глюонами-это точно, и масштабы разделе, вы можете получить xgg·xγγ ≈ 6·10-8. Но большая общая ширина резонанса (возьмем среднее значение ATLAS Γ = 45 ГэВ) говорит, что сумма, серии xf для всех каналов распада, должно быть около 0,06. Так может получиться только в трех вариантах:
- двухфотонная ширина большой, xγγ ≈ 0,06 и двухглюонная — маленький. Другими словами, частица рождается нехотя, но разлагается в основном фотоны, и регистрируются безопасно. Тем не менее, организовать так сильный отношение нейтральное с фотонами, частицами, крайне трудно.
- двухглюонная большая ширина, и двухфотонная — маленький. Частица рождается в больших количествах, но вероятность ее распада в два фотона мала. Исправить это, в принципе, можно, но тогда должен идти сильный распад одной частицы на два глюона. Этот распад можно было бы смотреть, как резонанс двухструйных событий, но в данных намека, что в ней не видно. Ненаблюдение пик в двухструйных событий накладывает ограничения: xgg < 0,0015.
- самый естественный вариант: кроме того, фотоны и двухглюонного распад есть распад и другие частицы, или мы, уже известные или новые и невидимые, как частицы темной материи. Распад это в большинстве из них, но мы пока не видим, потому что там все забивает фон.
Еще раз сделаем оговорку: стоит изменить гипотеза о механизме рождения, как и выводы меняются. К сожалению, пока неизбежны: в отсутствие других экспериментальных данных, интерпретации пика зависит от предположений.
Чтобы получить более подробную информацию дает сопоставление разделов 8 и 13 ТэВ. Раздел должен расти с ростом энергии протонов, но вот насколько сильным будет рост, зависит от механизма рождения (рис. 4). Если частица рождается в столкновении глюонов или тяжелых b-quark, σ13 ТэВ/σ8 ТэВ должно быть около 5. Если механизм рождения — через легкие кварки или протоны, прирост — в 2-2,5 раза. Тем не менее, данные указывают на резкий контраст между данных Run 1 Run 2, вместо 10-15. Если для столкновения глюонов или тяжелых кварков эти цифры можно еще уменьшить друг с другом, попеняв статистических колебаний, для остальных механизмов рождения-это аргумент «против». Это, в частности, закрывает наивное предположение, что наша резонанса можно объяснить чисто фотонным рождения.
Рис. 4. Рост сечений при переходе от 8 до 13 ТэВ для различных механизмов рождения частиц с массой до 2 ТэВ. Горизонтальные линии указывают на то, что множитель нужно, детекторы ATLAS и CMS, чтобы компенсировать разницу между светимостями, кажется, эти две энергии. График представления A. Strumia, в 2016 году. Interpreting the 750 ГэВ, digamma excess.
Тем не менее, здесь также достаточно изменить гипотеза о механизме рождения и заключения поплывут. Например, если процесс рождения — как на второй схеме). 3, с точки зрения детектора, двухфотонный сигнал будет похож, но вот укрепления раздел σ13 ТэВ/σ8 ТэВ легко может подскочить в десятки выше, поскольку зависит от массы частицы, P. В этой версии, кстати, появляется важное предложение. Когда частицы темной материи, которые не регистрируются, детектор должен видеть неожиданно возник дисбаланс поперечного импульса. Экспериментаторы, однако, ни один из которых сильных дисбалансов не сообщают. Обойти эту сложность можно настроить модель, однако, некоторые искусственные. Так или иначе, исследование кинематики распределений и, в частности, поиск потерянного поперечного импульса — важный шаг в будущей программы исследований на этот пик. Предварительным оценкам, в какое распределение стоит посмотреть, прежде всего, отображаются в недавней статье Characterising the 750 ГэВ, diphoton excess.
Описательные модели и их прогнозы
Теперь приправим историю и немного теории и модели.
В физике частиц существует два подхода для описания логики эффекта. Можно попытаться найти место новой частицы в определенных, тщательно выстроенные теории, или может быть просто описание дизайна, где все взаимодействия тщательно относятся параметры, но нет глубоких выводов пока не делает. В первом случае, мы на карте «удар в спину», и, если удача нам улыбается, мы можем начать сталкиваться с той же теорией, что происходит в нашем мире. Во втором случае, мы движемся широким фронтом, но мы не получили пока, что ответы на интересные вопросы.
Конкретные модели, способные описать то, двухфотонный, хлопая при 750 ГэВ, предложено уже несколько сотен, и перечислять весь свой смысл. Поэтому мы просто упомянем несколько вариантов, чтобы проиллюстрировать, насколько широкое поле возможностей исследуют сейчас теоретики.
Соседи по электрослабому взаимодействию
Первая история начинается с того, что фотон-это, в общем, не случайная частица, и «продукт» хиггсовского механизма. Этот механизм смешивания источника нейтральных частиц, в новых комбинаций, которые предстают перед нами, как фотон, Z-бозон и бозон Хиггса (рис. 5). Таким образом, если новая частица «уважает» электрослабую теорию и распадается на два фотона, то также должны распадаться на другие частицы: ZZ, Zy и, возможно, в WW-момент.
Рис. 5. Суть хиггсовского механизма слияния частиц в определенных сочетаниях, одним из которых является фотон. Чертеж с сайта quantumdiaries.org
Вероятность распадов в эти пары частиц, очень трудно вычислить. Предполагая, что частицы при 750 ГэВ, цепляется к фотону только за счет поля B (фиолетовый мяч на рис. 5), распады в другие каналы получаются слабые. Только есть вероятность, отметить Zy-распад, да и работа. Если частица чувствует все, электрослабые поля, все будет гораздо веселее. Тогда распад WW пара должна быть в 40 раз больше, чем, вероятно, и в ZZ — 12 раз более вероятно, что в фотоны. Теперь, эти распады, пока не видят, просто потому, что они являются гораздо более трудно отделить от фона, но детекторы будут в соответствии с их заметить уже в следующем году.
В виртуальных частиц в узлах
Другой аспект тайны: что обеспечивает связь нейтральной частицы с фотонами и глюонами? Наиболее естественный ответ: шарниры нагрузки виртуальных частиц, которые чувствуют сильное взаимодействие. Первое подозрение падает на топ-кварки, — но мы должны покинуть. Если топ-кварки, сформировали сильную связь, новая частица распадалась прямо в топ-антитоп-пары сотен тысяч раз чаще, чем фотоны. И мы в топ-кварковом рождения, этого эффекта не видно.
Рис. 6. Шарниры частиц обеспечивают связь новой частицы с фотонами и глюонами
Значит, отвечать за эти связи должны новые частицы, например, новые тяжелые кварки Q (рис. 6). Но здесь возникает другой подвох. Взаимодействие этих частиц должен быть настолько сильным, что выходит за рамки обычного подхода и не описывается теорией возмущений. В этом случае откроется Сима эффекты: связанные с государством, многочисленные резонансы и так далее. В общем, теория сложности, начинает напоминать обычные сильные взаимодействия, — но только с другими «игроками», и при очень больших масс. И самое важное, что мы имеем в этой прогрессии, надеются, что открытие новых частиц и явлений в ближайшие годы.
Внутренности звучания
Третья история касается того, что спрятано внутри резонанса. Когда «АТЛАС» сообщил о том, что пик выглядит широкой, многие исследователи отмечали, что действительно может быть не одна, а несколько семей массы частиц с небольшой ширине. Просто детектор, в соответствии с его не является достаточно хорошим разрешением по энергии, что не разделяет на разные пики. Это сразу решает большую проблему с сильной связью, потому что каждая из этих частиц имеет небольшую ширину, и поэтому не обязан ни с кем общаться слишком интенсивно. Как вариант, в котором частицы имеют большой Электрический заряд. Вероятность распада частицы S в двух фотонов растет пропорционально четвертой степени заряда частиц, циркулирующих в цепи. Так что в этом случае можно избежать прочных отношений.
Наличие нескольких частиц с близкими массами, это не удивительно. Новые частицы, часто присутствуют в модели пары и даже целые семьи. Часто они имеют близкие массы. Так получается потому, что один параметр теория дает общие шкалы масс, и второй, более слабый вызывает небольшие различия. Любопытно реализации этой возможности в рамках суперсимметричных моделей описаны в статье 750 ГэВ, Diphoton Excess from the Goldstino Superpartner.
Также есть список публикаций, в которых ожидается, что новая частица интеграл. По аналогии с тем, как кварк-антикварковая пара образует Мезон, новая частица может быть связанные с состояние двух тяжелых частиц. В этом случае, опять же, по аналогии с устройство мезонов, то естественно ожидать, что не один, а несколько государств с близкими массами. Они реагируют с одной и той же пары частиц, но только в разных государствах, возбужденные и, как следствие, с большей энергией связи.
Детали этой конструкции зависят от предположений о том, как это новая сила, которая связывает частицы в единое целое. Один из самых простых вариантов, который базируется на аналогии с системой чармония, обсуждался в статье » Back-to-1974: The Q-onium. На рис. 7 показан пример, как могла бы выглядеть спектра этой системы. В этой конструкции легчайшее государство как раз имеет спин ноль, и может быть связана с фотонами и глюонами. Но эта модель предсказывает и более резонанс, который можно найти чуть выше по энергии, и не только в двухфотонном канале.
Рис. 7. Диапазон связанных с состоянием Q-анти-Q-пары, чтобы тесто снова фермиона 420 ГэВ. Рис. из статьи в J. F. Kamenik, M. Redi, в 2016 году. Back to 1974: The Q-onium
Не резонанс, уникальный
Четвертый рассказ, который мы кратко упоминали выше, является предположение о том, что мы видим, не банальный резонанс, как слева на рис. 3, а что-то более сложное. Если это водопад распада более тяжелых частиц, таких, как на второй схеме). 3, распределение инвариантной массы двух фотонов будет не пик и клина (рис. 8). В статье The 750 ГэВ, Diphoton Excess May Not Imply 750 ГэВ, Resonance этой гипотезы была проанализирована для различных параметров разложения, и корректный выбор параметров модели полностью сходилась с данными.
Рис. 8. Можно описание штифт в ATLAS клинообразным сигнала (синия линия), который выходит из водопада распада тяжелых частиц. Изображение из статьи W. S. Cho et al., В 2016 году. The 750 ГэВ, Diphoton Excess May Not Imply 750 ГэВ, МРТ
Анкета для двухфотонного резонанса
На следующей неделе Большой адронный коллайдер должен возобновить набор данных. Лето получил новую порцию статистики, как минимум, сопоставимый по объему. В августе, на международной конференции ICHEP 2016 года будут объявлены новые результаты о фотоны Колос. И возможно, что уже тогда физики элементарных частиц рывком перескочит из стадии поиска Новой физики на этапе обучения.
В режиме ожидания эти, потенциально революционные данных, физики разработали список вопросов, на двухфотонному карат, из ответов на которые зависит, в принципе, теоретическое объяснение.
- Какова ширина и профиль резонанс? Не возникает, если есть два или более близлежащих пиков?
- Как раздел рождения зависит от энергии? Каков механизм рождения частиц? Если есть дисбаланс поперечного импульса в этих событиях?
- То, что спин частицы равен нулю или в два?
- Что показывают остальные каналы (WW, ZZ, Zy, HH, кварки, лептоны) в этом диапазоне масс?
- Видны, если все остальные процессы, с участием новой частицы, как связать рождения или участие в рождении кого-то еще? Например, появилась несколько дней назад, в статье Digamma, what next? показано, на основе детального анализа, что именно в этих процессах будет лучше всего понятна природа новой частицы.
Кроме «допроса» фотоны пика физической, конечно, удесятиренным усердием искать любые новые частицы. Первая массовая атака теоретиков показывает, что наиболее естественными являются те модели, где, в нагрузку, пик при 750 ГэВ, есть кто-то еще — заряжен, сильновзаимодействующий, но, пожалуй, довольно тяжелый. Любые предложения, более частицы могут в течение нескольких дней, переформатировать досье новой частицы.
Ну, программа исследований, в общих чертах, конечно. Нам остается только ждать августовских результатов.
Источники:
1) Роберто Franceschini et al. What is the gamma gamma rm at 750 ГэВ? // e-print: arXiv:1512.04933 [hep-ph].
2) Алессандро Strumia. Interpreting the 750 ГэВ, digamma excess: a review // доклад конференции организации Морион-2016 году, рассмотрение теоретических возможностей.
См. также:
1) Список всех публикаций по двухфотонному пик при 750 ГэВ.
2) Diphotons: Морион Update, анализ данных в блоге PhysicsMatt.
Игорь Иванов