Nowe dane ATLAS na temat bozonów Higgsa: pozostaje intryga • Igor Ivanov • Wiadomości naukowe na temat "Elementów" • LHC, bozon Higgsa, detektor ATLAS, fizyka

Nowe dane ATLAS na temat bozonów Higgsa: pozostaje intryga

Ryc. 1. Przykład zdarzenia dwóch fotonów wysokoenergetycznych w detektorze ATLAS, które mogły wystąpić podczas pośredniego porodu i rozpadu bozonu Higgsa. W centralnej części detektora widoczne są ślady naładowanych niskoenergetycznych cząstek, a dwie jasnożółte plamy odpowiadają dwóm fotonom zarejestrowanym przez kalorymetr elektromagnetyczny. Obraz z raportu współpracy ATLAS

Współpraca ATLAS zaktualizowała dane o rozpadzie bozonu Higgsa na dwa fotony i parę bozonów Z. Najgłośniejszy wynik LHC został potwierdzony – znaczny nadmiar rozpadu dwóch fotonów w porównaniu z modelem standardowym. Rozbieżności stwierdzono również w masie bozonu Higgsa, ale najwyraźniej wyjaśniono je statystyczną fluktuacją i wcale nie wskazują, że zderzacz "widzi" dwa bozony Higgsa.

Badanie bozonu Higgsa: krótkie podsumowanie

4 lipca 2012 r. Na specjalnym seminarium w CERN-ie ogłoszono otwarcie bozonów Higgsa w Wielkim Zderzaczu Hadronów. Ta cząstka – echo naruszenia symetrii elektro-słabej – fundamentalna transformacja naszego Wszechświata, która nastąpiła w erze jego "gorącej młodości" – została przewidziana przez teoretyków pół wieku temu.Ale dopiero teraz, po dziesiątkach lat poszukiwań w różnych eksperymentach, jego istnienie zostało wiarygodnie ustalone. Można słusznie powiedzieć, że era poszukiwania bozonu Higgsa zakończyła się fizyką cząstek elementarnych i rozpoczęła się era jego wszechstronnych badań.

Konieczne jest zbadanie bozonów Higgsa, aby dowiedzieć się, z jakiego rodzaju mechanizmu Higgsa powstaje. A to z kolei powinno powiedzieć o tym, jaka jest głęboka struktura naszego świata, która z wielu hipotez Nowej Fizyki ma związek z rzeczywistością. Dlatego wykrywanie bozonu Higgsa nie jest celem, a jedynie początkiem programu naukowego do jego badań.

Oto główne pytania, na które fizycy chcą uzyskać odpowiedzi w eksperymentach w Wielkim Zderzaczu Hadronów:

  • Ile rodzajów bozonu Higgsa istnieje i jakie są ich cechy (masa, ładunek, spinu itp.)?
  • Z czym się rozpadają i z jakim prawdopodobieństwem?
  • jeżeli LHC widzi tylko jeden bozon Higgsa, to czy jego właściwości różnią się od przewidywań Modelu Standardowego?

Od lata 2012 r. Ten obraz się rozwija.

  • Stwierdzono niezawodnie cząstkę o masie w zakresie 125-126 GeV, której właściwości były bardzo podobne do właściwości bozonu Higgsa.Jest to w przybliżeniu w zakresie masy wskazanym przez wcześniejsze dane pośrednie i dzieli się na te same zestawy cząstek ("kanały zaniku"), które są oczekiwane od mniej lub bardziej standardowego bozonu Higgsa. Z tego powodu przeważająca większość fizyków od samego początku była przekonana, że ​​jest to bozon Higgsa. Dodatkowe bozony Higgsa nie są jeszcze widoczne.
  • Bozon Higgsa przejawiał się najwyraźniej w dwóch najczystszych kanałach rozpadu: ulega rozkładowi dwa fotony i rozpadają się dwa bozony Z. z ich następnym rozpadem na cztery leptony (elektron lub mion). Poszukiwania przeprowadzono w trzech kolejnych kanałach zaniku, ale z powodu dużych błędów statystycznych i silnego tła, nie można było zauważyć w nich manifestacji bozonów Higgsa.
  • Najgłośniejszym wynikiem było to, że zmierzone prawdopodobieństwo rozpadu na dwa fotony było półtora do dwóch razy większe niż przewidziano w Modelu Standardowym. Nadmiar ten był synchronicznie obserwowany w dwóch głównych detektorach działających w zderzaczu, CMS i ATLAS. Teoretycy natychmiast zaatakowali ten wynik, oferując dziesiątki różnych wyjaśnień w ramach różnych modeli Nowej Fizyki.Eksperymentatorzy ochłodzili swój zapał, cierpliwie powtarzając, że różnica w stosunku do Modelu Standardowego nie jest jeszcze istotna statystycznie, a więc jest zbyt wcześnie, aby wyciągać wnioski.
  • Interesujące efekty zaobserwowano również w innych kanałach rozpadu; na przykład rozpad na dwa leptyny tau był po prostu niewidoczny. Jednak ze względu na nadal duże błędy danych, nie wyciągnięto jeszcze daleko idących wniosków.
  • Wystąpiły pewne rozbieżności między eksperymentami ATLAS i CMS dotyczącymi całkowitej intensywności produkcji i rozpadu bozonu Higgsa. ATLAS przekroczył przeciętnie oczekiwania Modelu Standardowego, podczas gdy w danych CMS było wręcz niedobór bozonów Higgsa. Ponownie, choć statystyki są niewielkie, ta rozbieżność nie jest problemem i może być przypisana fluktuacjom statystycznym.

Więcej szczegółów znajduje się na stronach poszukiwania bozonu Higgsa: wyniki i badania bozonów Higgsa, a także nowości bozonów Higgsa: odkrycia i plany na przyszłość. Linki do pierwszych recenzji fizyki bozonów Higgsa w LHC można znaleźć w naszych krótkich wiadomościach.

Wyniki letnie zostały oparte na statystykach zgromadzonych w 2011 roku (integralna jasność około 5 funtów-1 w sprawie energii zderzeń protonów 7 TeV) oraz w pierwszych miesiącach 2012 r. (około 6 funtów-1 przy energii 8 TeV). Jednak w przyszłości zderzacz uzyskał statystyki w coraz szybszym tempie: w okresie letnim i jesienią zgromadzono około 15 dodatkowych funtów-1. W związku z tym oczekiwano, że zarówno CMS, jak i współpraca ATLAS przedstawią zaktualizowane dane do końca roku. Jeśli odchylenia od Modelu Standardowego są nadal duże i błędy zostaną zmniejszone, to będzie to mocny dowód na to, że Nową Fizykę ostatecznie znaleziono.

W listopadzie w Japonii odbyło się ważne sympozjum na temat fizyki w zderzaczach hadronów. Oba eksperymenty przedstawiły zaktualizowane dane na temat bozonów Higgsa, ale najciekawsze kanały zaniku (dwa fotony, aw przypadku ATLAS także ZZ) nie zostały zaktualizowane. Można przypuszczać, że współpraca odkryła coś nowego i interesującego lub napotkała na pewne trudności. W każdym razie, zespoły badawcze zdecydowały się nie spieszyć i jeszcze raz sprawdzić się.

Nowe dane ATLAS

13 grudnia, po około miesiącu oczekiwania, opublikowano nowe wyniki współpracy ATLAS w zakresie statystyki 13 funtów.-1 (plus dane z 2011 r.).Raporty przedstawicieli tego eksperymentu zostały wysłuchane w ramach Mini-programu identyfikacji bozonów Higgsa w Instytucie Fizyki Teoretycznej. Kavli, jak również tradycyjne grudniowe seminarium w CERN, które podsumowało pracę LHC w zeszłym roku. Artykuły techniczne ze szczegółowymi wykresami i opisami pojawiły się również na stronie wyników badań ATLAS.

Ryc. 2 Sygnał Higgsa w kanale zaniku dwóch fotonów. Po lewej: rozmieszczenie zdarzeń przez niezmienną masę dwóch fotonów, po prawej: intensywność sygnału Higgsa w danych z lat 2011 i 2012. Obrazy z raportu technicznego ATLAS Collaboration

Nowe wyniki dotyczące rozpad na dwa fotony (H → γγ), są następujące:

  • Sygnał Higgsa staje się coraz jaśniejszy. Na rys. 2, po lewej pokazuje rozkład par dwufotonowych przez niezmienną masę. Widać wyraźnie, że na tle gładkiego rozkładu (czyli narodzin dwóch wysokoenergetycznych fotonów bez udziału bozonu Higgsa), obserwuje się niewielki wzgórek w rejonie 126 GeV. Odpowiada on dodatkowym przypadkom narodzin dwóch fotonów, które powstały w wyniku rozpadu bozonu Higgsa. Porównaj ten wykres z podobnym rozkładem sześć miesięcy temu (ryc.2, po lewej, w wiadomościach z lipca).
  • Istotność statystyczna tego piku jest 6.1 odchylenia standardowe. Tak więc, nawet gdybyśmy nie mieli danych o innych kanałach zaniku, sam ten kanał wystarczyłby, by ogłosić odkrycie bozonu Higgsa.
  • Ku radości fizyków intensywność sygnału Higgsa pozostaje wysoka, znacznie przekraczając oczekiwania Modelu Standardowego. Stosunek rzeczywistych danych do oczekiwanych znajduje się w tym kanale μγγ = 1,8 ± 0,3+0,29-0,21 (pierwszy błąd jest statystyczny, drugi jest systematyczny). Różnica w stosunku do jednostki (to znaczy od modelu standardowego) wynosi około 2 odchylenia standardowe. To oczywiście nie jest imponujący wynik, ale dobrze, że w miarę gromadzenia się danych liczba ta nie podlega fluktuacjom wokół jednostki, ale systematycznie pozostaje duża (patrz wykres na Rys. 2, po prawej, gdzie intensywność ta jest pokazana oddzielnie dla danych 2011 r. I za pierwszą i drugą połowę 2012 r.).

Ryc. 3 Sygnał Higgsa rozpada się na dwa bozony Z z ich późniejszym rozpadem leptonów. Po lewej: rozmieszczenie zdarzeń przez niezmienną masę czterech leptonów, po prawej: to samo, ale dla konkretnego kanału zaniku (cztery miony).Wybrano obszar 120-130 GeV, w którym występują fluktuacje statystyczne. Obrazy z raportu technicznego ATLAS Collaboration

Sygnał Higgsa w rozpad na dwa bozony Z (H → ZZ → leptony) również nadal rośnie (patrz ryc. 3). Osobliwością tego kanału jest to, że liczba zdarzeń, które przeszły wszystkie etapy selekcji, jest bardzo mała.okołoale tło jest bardzo słabe. Jeśli obserwowano 13 zdarzeń sześć miesięcy temu (a powinno być około 5, jeśli nie było bozonu Higgsa), teraz 18 wydarzeń z tłem Beshiggsa około 8. Sygnał Higgsa jest oczywisty: jego istotność statystyczna wynosi 4,1 odchylenia standardowego. Intensywność tego sygnału wynosi w przybliżeniu μZz = 1,3+0,6-0,4to znaczy całkowicie zgadza się ze standardowym bozonem Higgsa.

Najbardziej nieoczekiwany wynik nowych danych pomiary masy Bozon Higgsa (podobno współpraca zajęła dodatkowy miesiąc, aby dokładnie sprawdzić ten wynik). Ponieważ cząstka ta jest niestabilna, nie można jej bezpośrednio "zważyć". Jednak jego masa może zostać przywrócona przez całkowitą energię produktów rozpadu, to znaczy przez położenie środka piku na wykresach na ryc. 2 i 3.

Ryc. 4 Pomiary masy (na osi poziomej) i intensywności (na osi pionoweja) Bozon Higgsa. Na czerwono pokazuje dane uzyskane z rozpadu na dwa fotony, niebieski – Dane zaniku ZZ. Czarny Pokazano wyniki ich powiązania statystycznego. Zdjęcie z raportu technicznego ATLAS Collaboration

Pomiar ten można wykonać niezależnie dla kanałów zaniku dwóch fotonów i ZZ. I tutaj okazało się, że te dwa wymiary nie są ze sobą zbytnio powiązane. Rozpad na dwa bozony Z dał wartość MH → ZZ = 123,5 ± 0,9+0,4-0,2i rozpad na dwa fotony wykazuje nieco większą masę, MH → γγ = 126,6 ± 0,3 ± 0,7. Aby omówić możliwe przyczyny tej rozbieżności, zobacz poniżej.

Na koniec przedstawiono również nowe dane weryfikacyjne. powrót i parytet bozonu Higgsa. Te dwie cechy mówią nam o rodzaju cząstek przed nami. Prawdopodobnie nie warto tutaj szukać szczegółowych wyjaśnień; wystarczy wspomnieć, że od bozonu Higgsa oczekiwano tylko jednej kombinacji: zerowego spinu i pozytywnej parzystości. Każda alternatywa (niezerowy spin lub ujemna parzystość) automatycznie oznaczałaby, że to wcale nie jest bozon Higgsa,albo fizycy natknęli się na coś w rodzaju całkowicie egzotycznego.

Podobnie jak w przypadku masy, te cechy niestabilnej cząstki nie są badane bezpośrednio, ale poprzez produkty rozpadu. W każdym konkretnym przypadku narodzin i rozpadu cząstki bozonowej – rozpadu produktów rozpraszania w dowolnych kierunkach. Jednakże, gdy uśrednia się całą zgromadzoną statystykę, pojawiają się niektóre preferowane kombinacje kątów rozpraszania, które zależą od charakterystyki pierwotnej cząstki. Współpraca z ATLAS zbadała je i okazało się, że są one całkowicie zgodne z zerowym spinem i dodatnim parytem. Opcje egzotyczne są zamknięte przy poziomie ufności 99% (ujemny parzystości) lub ponad 90% (niezerowy spin).

Dwa bozony Higgsa?

Spośród wszystkich tych danych, na szczególną uwagę zasługuje rozbieżność między pomiarami masy w kanałach rozpadu dwóch fotonów i ZZ (ryc. 4). Jego najbardziej radykalną interpretacją jest to, że fizycy widzą manifestacje nie jednego, ale przynajmniej dwóch bozonów Higgsa. Teoretycznie jest to całkiem możliwe. W wielu nieminimalnych wariantach mechanizmu Higgsa istnieje kilka bozonów Higgsa.Jednak niektóre z nich mogą znajdować się blisko siebie w masie, ale mają bardzo różne właściwości. Na przykład jeden z dwóch bozonów Higgsa może być związany z pojawieniem się masy w fermionach, a drugi w bozonach. Wtedy pierwszy pojawia się tylko w rozpadzie na dwa fotony, a drugi może, z pewnych dodatkowych powodów, być przekrzywiony w kierunku rozpadu ZZ.

Pomimo tej teoretycznej możliwości nie jest to jeszcze najbardziej naturalna hipoteza. Należy rozważyć najbardziej prawdopodobne wyjaśnienie rozbieżności fluktuacja statystycznai oto dlaczego.

Zanik na dwa fotony mierzony jest dokładniej niż rozpad ZZ. Po pierwsze, niezmienna masa jest tam przywracana dokładniej. Po drugie, w kanale dwufotonowym jest już około 200-300 zdarzeń Higgsa, podczas gdy w rozpadzie ZZ (z ich późniejszym rozpadem do leptonów) jest tylko około tuzina (czyli około połowy wszystkich wybranych zdarzeń ZZ przechodzi przez poród i rozpad bozonu Higgsa). W porównaniu z danymi pół roku temu, obliczenia dwufotonowe są stabilne: masa wtedy, a teraz okazała się około 126,5 GeV. Ale ocena masy kanału ZZ do tej pory tyle przeskoków. Poprzednio było to około 125 GeV, a teraz spadło do 123,5 GeV.Nie jest to zaskakujące: każde nowe wydarzenie tego typu może znacząco wpłynąć na średnią wartość.

Okazuje się, że było nawet możliwe prześledzenie, że zmiana ta była spowodowana tylko jednym konkretnym wariantem zaniku (H → ZZ → 2μ+). Spójrz na zdjęcie. 3, po prawej stronie, gdzie pokazano udział tego kanału zaniku, a zwłaszcza w regionie od 120 do 130 GeV. Jest 8 zdarzeń w tym obszarze, ale okazało się, że są nierównomiernie rozłożone: 7 zdarzeń w przedziale 120-125 GeV i jeden w przedziale od 125 do 130 GeV. W istocie przypomina to grę w głowy i reszki: w serii ośmiu rzutów monetą, średnio, będą cztery orły i cztery ogony, ale w niektórych pojedyncza seria podrzucania wyrównanie może wynosić siedem do jednego (czytelnik jest proszony o znalezienie prawdopodobieństwa takiego zdarzenia). Więc nawet jeśli prawdziwe prawdopodobieństwo, że każde zdarzenie wpadnie w te dwa przedziały, było takie samo (to znaczy, że prawdziwa masa bozonu Higgsa miałaby być równa 125 GeV), takie wyrównanie nie byłoby tak niewiarygodne.

Warto również wspomnieć o systematycznym błędzie. Czy istnieje jakikolwiek powód do ukrywania się w tym, że niektóre elementy detektora zostały nieprawidłowo skalibrowane,z powodu tego, co pomiary w jednym z tych dwóch kanałów zaniku systematycznie dają przeszacowaną lub niedocenianą energię cząstek? Oczywiście nie można wykluczyć takiej sytuacji, ale jest to mało prawdopodobne.

Ryc. 5 Stabilność odczytów elektromagnetycznego kalorymetru ATLAS w 2012 roku. Obraz z raportu współpracy ATLAS

Faktem jest, że pierwszy rok lub dwa po uruchomieniu zderzacza, kiedy nie było jeszcze głośnych wyników, fizycy wykonali ogromną ilość nudnej, ale niezbędnej pracy. "Odnowili" Model Standardowy iw ten sposób skalibrowali cały wykrywacz z dużą dokładnością. W przyszłości wszystkie cechy detektora były regularnie monitorowane. Na rys. 5, na przykład, pokazuje wyjątkową stabilność kalorymetru elektromagnetycznego, mierząc energię fotonów i elektronów. Kontrola została przeprowadzona na dwóch niezależnych procesach jednocześnie; wahania w ciągu roku nie przekraczają 0,1% i nie obserwuje się systematycznych odchyleń.

Standardowy bozon Higgsa, czy nie?

Pytanie, które jest obecnie regularnie zadawane podczas omawiania jakichkolwiek nowych danych na temat bozonów Higgsa: czy istnieją wiarygodne wskazania, że ​​wykryta cząstka jest niestandardowy Bozon Higgsa? Fizycy mogą odpowiedzieć tylko na to pytanie, starannie mierząc właściwości bozonu (aw szczególności prawdopodobieństwa jego rozpadu za pomocą różnych kanałów) i weryfikując je za pomocą prognoz Modelu Standardowego.

Ryc. 6 Natężenie sygnału Higgsa w pięciu kanałach rozpadu: stosunek rzeczywistych danych do oczekiwań Modelu Standardowego dla bozonów o masie 125 GeV. Zdjęcie z raportu technicznego ATLAS Collaboration

W tym sensie nowe dane ATLAS wspierają intrygi. Zanik dwóch fotonów pozostaje bardzo duży i nadal jest to główna wiadomość. Pozostałe kanały zaniku "depczą" wokół jednostki (to znaczy przypominają standardowy bozon Higgsa). Jeśli połączymy wszystkie pięć rodzajów rozpadu, o których mowa w badaniu (ryc. 6), to okaże się, że ogólnie rzecz biorąc nie widać znaczącej różnicy od Modelu Standardowego, a przedstawiciele współpracy podkreślają ten fakt w swoich prezentacjach. Ten związek jest jednak czymś nienaturalnym. Nikt nie oczekuje, że niestandardowy bozon Higgsa przejdzie w ten sam sposób we wszystkich kanałach zaniku (jest również niestandardowy!). Przeciwnie, z teoretycznego punktu widzenia rozpad dwufotonowy jest sam, ponieważ nie idzie bezpośrednio, ale przez pętle wirtualnych cząstek.Dlatego teoretycy są ogólnie skłonni do bardziej optymistycznej interpretacji danych ATLAS.

Tutaj wciąż istnieje taka subtelność z powodu anormalnie niskiej wartości masy bozonów Higgsa z pomiarów w kanale ZZ. Kiedy fizycy obliczają intensywność sygnału Higgsa, porównują obserwowane dane z oczekiwaniami Modelu Standardowego. Ale same te oczekiwania należy obliczyć dla pewnej masy bozonu Higgsa. Powyższa liczba to μZz ≈ 1.3 oblicza się przy założeniu, że masa bozonu Higgsa jest dokładnie tym, co daje ten kanał (tj. 123,5 GeV). Jeśli jednak nadal akceptujemy fakt, że rzeczywista masa znajduje się w obszarze 126 GeV, wówczas znacznie zwiększa to oczekiwania Modelu Standardowego, a zatem zmniejsza wartość μZz do około 0,6-0,7. Dla porównania, współpraca ATLAS przygotowała całą serię wykresów, jak na rys. 6, dla różnych "referencyjnych" mas bozonu Higgsa od 123,5 do 126,5 GeV.

Co pokazuje CMS?

Cała ta rozmowa będzie niekompletna bez wspominania o danych CMS – drugim kluczowym detektorze Wielkiego Zderzacza Hadronów. Pół roku temu CMS wykazał również pewien nadmiar rozpadu dwufotonowego, chociaż nie tak silny jak ATLAS. Niecały miesiąc temu, podczas sympozjum na temat Zderzaczy Hadronów, nie CMS nie przedstawił nowych danych na temat rozpadu dwufotonowego.Nadmiar ten pozostanie lub osłabnie w nowych danych CMS – jednym z głównych pytań na nadchodzące miesiące.

Jednak w przeciwieństwie do ATLAS, współpraca z CMS pokazała już miesiąc temu zaktualizowane dane na temat kanału zaniku ZZ. Pomiary masy bozonów w tym kanale dały wartość MH → ZZ = 126,2 ± 0,6 ± 0,2. Innymi słowy, anomalna wartość masy w kanale ATLAS ZZ nie pasuje nie tylko do kanału ATLAS γγ, ale także do danych CMS ZZ.

Tak więc wydaje się, że rozbieżność wyników pomiaru masy bozonów Higgsa nad kanałem ZZ i zanikiem fotonu wiąże się ze statystyczną fluktuacją w kanale ZZ. To nie daje nie ma żadnego powodu, by sądzić, że dane ATLAS wskazują na dwa bozony Higgsa. Jednak te rozbieżności będą musiały być ściśle monitorowane w miarę gromadzenia się nowych danych. Ale głównym rezultatem nowej partii danych ze współpracy ATLAS jest potwierdzenie silnego rozpadu bozonu Higgsa na dwa fotony.

Źródła:
1) Raporty 13 grudnia: Nowe (!!) ATLAS Diphoton i ZZ Results, KITP Miniprogram: Higgs Identification; Status eksperymentu ATLAS: Ostatnie (wybrane) najważniejsze wydarzenia, seminarium CERN.
2) Komunikaty techniczne (Uwagi ATLAS): rozpad na 2 fotony, rozpad na ZZ, połączone wyniki.

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: