Главная задача Большого адронного коллайдера — достоверно обнаружить хоть какие-нибудь отклонения от Стандартной модели (СМ), нынешней теории устройства микромира. Ключевое слово здесь — «достоверно». К настоящему времени физики уже выполнили около тысячи проверок Стандартной модели на LHC, и в некоторых из них действительно проскальзывают намеки на отклонения от СМ. Но скажем прямо: гарантированного, железобетонного, стопроцентного нарушения Стандартной модели пока не найдено. Тем не менее, имеющиеся отклонения все же многообразны и очень интересны, так что физики-теоретики сейчас вовсю обсуждают и интерпретируют их в рамках различных гипотез.
Если эти отклонения подтвердятся, они наконец-то дадут физикам указания на то, какая из сотен теорий Новой физики верна и относится к нашей Вселенной. Но, конечно, может статься, что это просто статистические флуктуации, и тогда они растворятся в новом объеме данных. Разрешить эти загадки сможет лишь новый сеанс работы коллайдера LHC Run 2, который начался этой весной и продлится до 2018 года. В ожидании этих результатов полезно обрисовать общую картину «поля боя», перечислить те самые измерения, в которых коллайдер сейчас видит что-то подозрительное.
Странности при больших энергиях
Хоть весь последующий рассказ будет касаться результатов LHC Run 1, т.е. данных, накопленных за 2010-2012 годы, невозможно обойти стороной одно крайне любопытное событие, зарегистрированное детектором CMS совсем недавно, 22 августа. Это событие рождения электрон-позитронной пары с неожиданно большой инвариантной массой 2,9 ТэВ (рисунок вверху). Электрон-позитронные пары могут, конечно, рождаться и в Стандартной модели, но в подавляющем большинстве случаев они имеют небольшие импульсы и небольшую инвариантную массу. А тут — только-только начали набор данных, и уже такой рекордсмен.
Иллюстрация: Christian Gwiozda
Оценки показывают, что вероятность родить столь энергетичную пару при такой малой накопленной статистике — всего 0,2%. Конечно, по одному-единственному событию пока ничего достоверного сказать нельзя: это могло оказаться как игрой случая, так и намеком на рождение и распад новой тяжелой частицы. Но радует то, что это случилось так рано. Уже за сентябрь накоплено в несколько раз больше данных, чем было месяц назад — просто эта статистика еще не обработана. Если в этих данных обнаружится еще пара-тройка таких событий — будет сенсация. И в этом случае через год мы уже будем вовсю рассуждать о моделях Новой физики, на которые эта новая частица указывает. Ждать осталось совсем немного.
Вернемся, однако, к данным LHC Run 1. В этой большой, тщательно проанализированной статистике за последний год вскрылось сразу несколько любопытных отклонений в области инвариантных масс 2 ТэВ. Самым ярким здесь является результат коллаборации ATLAS по поиску парного рождения тяжелых бозонов — W или Z. В июне этого года группа сообщила, что в распределении по инвариантным массам явно виден пик при 2 ТэВ. Таких частиц в СМ нет даже близко — самая тяжелая, топ-кварк, весит всего 0,17 ТэВ. Если этот пик сохранится — это гарантированная Новая физика.
Коллаборация-конкурент, CMS, тоже видит что-то странное, но в слегка отличающихся процессах. В неопубликованной пока работе сообщается, что отбор событий рождения W-бозона в паре с хиггсовским бозоном обнаружил аномальное превышение в области больших инвариантных масс. При массе 1,8 ТэВ детектор зарегистрировал три события, хотя по предсказаниям СМ ожидалось в среднем 0,3 (см. рисунок).
Впрочем, и тут радоваться рано. Это отклонение обнаружено в предположении о лептонном распаде W-бозона. Но он может распадаться и на адроны, причем это даже происходит чаще. Если уж рождение WH-пар усилено по сравнению со СМ, то это усиление должно быть видно и в адронном канале распада. А как показывает другая работа CMS, ничего впечатляющего там не обнаружено. Как это интерпретировать — неясно.
Наконец, та же группа CMS сообщила год назад еще об одном отклонении — и снова в окрестности 2 ТэВ. Здесь речь уже идет о такой комбинации частиц: электрон-позитронная пара плюс две адронные струи. В отличие от предыдущих примеров, тут уже не проверяется, откуда именно взялись эти частицы. Поэтому отбор тут послабее, а статистика — побольше. В области инвариантных масс от 1,8 до 2,2 ТэВ было обнаружено 14 событий, в то время как по СМ ожидалось примерно 4. Но здесь тоже есть своя странность: в аналогичном процессе, но с мюонами, никаких отклонений нет. С другой стороны, это и не принципиально: можно представить себе модели Новой физики, в которых новые тяжелые частицы предпочитают давать в распаде электроны, а не мюоны.
Иллюстрация: Christian Gwiozda