Международная группа физиков, работающая с детектором ATLAS Большого адронного коллайдера, обнаружила намек на новую частицу. В числе ученых, сообщивших о новых данных, заведующий кафедрой высоких энергий МФТИ Александр Зайцев.
Исследователи проанализировали данные, собранные детектором в ходе первой серии работы, то есть до модернизации коллайдера. Частицы сталкивались с энергией в 4 тераэлектронвольта, и из всего множества вызываемых такими столкновениями событий физики выделили те, которые указывали на рождение так называемых W- и Z-бозонов. Подсчет W- и Z-бозонов и построение их спектра указали на возможность существования ранее неизвестной тяжелой частицы с очень небольшим периодом полураспада.
Спектр чего-либо — это график, где по одной оси отложена энергия, а по другой — число частиц или интенсивность излучения. Частицы, которые летят в детектор, имеют разную энергию, и спектр показывает распределение этой энергии. Спектральный анализ играет ключевую роль практически во всех областях науки, от физики элементарных частиц до акустики и аналитической химии; наши глаза и уши тоже работают как спектральные анализаторы.
Иллюстрация из статьи исследователей. По вертикали показано число событий в логарифмическом масштабе, по горизонтали указана масса W- и Z-бозонов. Черные точки соответствуют экспериментальным данным, зеленая область обозначает предсказания на основе Стандартной модели, разноцветные ступенчатые линии отображают предполагаемый вклад разных известных процессов. Под каждым графиком также нарисована гистограмма, на которой синими столбиками выделено отклонение числа реальных событий от теоретических значений.
Физики подчеркивают, что пока говорить об однозначном открытии новой частицы рано. Большой адронный коллайдер сейчас начинает работу после модернизации, которая позволит разгонять протоны до еще большей энергии — и это позволит провести дополнительную проверку, собрав еще больше данных и ответив на вопрос о том, были ли «лишние» бозоны случайностью или закономерностью. Пока что расчеты ученых показали, что наблюдавшееся распределение частиц могло получиться с вероятностью порядка 0,034%.
«У нас есть, с одной стороны, Стандартная модель, а с другой — стопроцентное понимание ее ограниченности и наличия в ней определенных внутренних проблем. Поэтому, конечно, новые данные очень интересны, но недостаточная статистическая обеспеченность не позволяет говорить об обнаружении новой физики», — сообщил пресс-службе МФТИ Александр Зайцев.
Что такое калибровочные бозоны? Самый наглядный и простой ответ звучит так: частицы, переносящие то или иное фундаментальное взаимодействие. W- и Z-бозоны ответственны за проявление слабой силы, которая позволяет ряду частиц превращаться друг в друга. Сверх того, именно слабое взаимодействие является единственным способом взаимодействия с обычным веществом таких частиц, как нейтрино. Поток нейтрино свободно проходит Землю насквозь, и его крайне сложно зарегистрировать какими-либо детекторами.
Вероятности и достоверности
Понятие статистического обеспечения требует некоторого комментария. Дело в том, что некоторое число W- и Z-бозонов должно получиться при столкновении протонов и без всяких неизвестных частиц. Существующие теоретические модели позволяют предсказать то, сколько таких бозонов прилетит в детектор — однако эти предсказания не абсолютно точные, а вероятностные. Их можно уподобить прогнозу числа «орлов» при бросании монеты; если монета симметричная, то в среднем на 1000 бросков придется около 500 «орлов» и 500 «решек». Но мы пишем именно «около», так как 503 и 497 — тоже вполне вероятный результат.
Математическая статистика позволяет указать то, с какой вероятностью произойдет то или иное событие. Можно посчитать вероятность того, что на 1000 бросков монеты придется произвольное (от 0 до 1000) количество «орлов», и если эта вероятность окажется мала, то мы сможем заподозрить монету в несимметричности — причем, строго говоря, именно заподозрить, ведь даже событие с вероятностью в ничтожные доли процента когда-нибудь, да произойдет. Чем меньше вероятность наблюдаемого события, тем больше уверенность в том, что сами расчеты этой вероятности были проведены неверно, и исходная теория (о симметричности монеты) не выдерживает экспериментальной проверки.
С коллайдером, детектором и протонными столкновениями картина аналогична — можно посчитать вероятность появления заданного числа W- и Z-бозонов с той или иной энергией и на основе этого сделать вывод о том, действительно ли верна та теория, на основе которой считали эту вероятность. Значение 0,034% уже достаточно близко к заявлению об открытии, но все-таки общепринятые в физике элементарных частиц стандарты требуют дополнительной проверки.
Коллайдер работает в непрерывном режиме круглые сутки и непрерывно накапливает данные без вмешательства человека. Кроме того, сообщение об открытии новой частицы может и подождать месяц-другой — так что ученые сравнительно спокойно собирают максимально возможный объем доказательств, выдавая чрезвычайно надежный и достоверный результат. А вот медики, которые испытывают вакцину от редкого вида рака, ограничены в числе испытаний (больных мало), имеют дело со множеством неконтролируемых факторов (индивидуальных особенностей пациентов), и они не могут тратить десятки лет на решение острой проблемы: в медицинских публикациях по этим причинам совершенно иной критерий достоверности.
На снимке (Pierre Descombes, Silvia Biondi / CERN) пультовая детектора ATLAS 5 июня 2015 года. В этот день ускоритель вернулся к научной работе после модернизации и длительного периода испытаний.
Что это значит?
В Стандартной модели таких тяжелых частиц, которые распадаются на W- и Z-бозоны, нет. Однако СМ — вовсе не последнее слово в физике, а только теория, описывающая элементарные частицы и их взаимодействие лишь в определенных границах. Никто не гарантирует применимость СМ для частиц с очень высокой энергией, к тому же, СМ не имеет дела с гравитацией — хотя и вводит понятие массы частиц за счет добавления в модель бозона Хиггса (за подробностями отошлем к нашей предыдущей новости или к разделу /LHC на научно-популярном сайте «Элементы»).
По словам Александра Зайцева, «практически все расширяющие Стандартную модель теории предполагают появление тяжелых калибровочных бозонов, но их масса не может быть меньше некоторого предела. Масса в два тераэлектронвольта — это то значение, где можно ожидать появления новых частиц, и уже начавшаяся работа ускорителя после модернизации, Run 2, позволит проверить такую возможность».
«Так как сечение процесса резко растет с энергией, то интересующих нас событий должно стать намного больше, и, возможно, мы получим ответ уже в течение ближайшего года работы коллайдера», — добавляет ученый.
