Наука и образование

CMS точно измерил «невидимое»

В июне 2022 года эксперимент CMS, который проводится на Большом адронном коллайдере (БАК), объявил о новом прямом измерении парциальной ширины распада Z-бозона в недетектируемые (невидимые) частицы. Это измерение по точности оказалось сопоставимым с объединенным результатом трёх экспериментов Большого электрон-позитронного коллайдера (LEP, англ. Large Electron-Positron collider).

В Стандартной Модели физики элементарных частиц (СМ) электрически нейтральные калибровочные бозоны Z выполняют роль частиц- переносчиков слабого взаимодействия (так называемые «нейтральные токи»). Масса этих нестабильных частиц около 90 ГэВ/с². СМ надежно предсказывает интенсивность распадов Z по различным каналам. Распадаются Z на пары фермион-антифермион, то есть на пары кварк и соответствующий антикварк, на пары заряженных лептонов l⁺l^– (где l = e, μ, τ), а также на пары нейтрино-антинейтрино. Последние моды распада нельзя детектировать на установках физики высоких энергий, так как сечение взаимодействия нейтрино с веществом крайне мало. Поэтому такие распады называют распадами по невидимым каналам, а соответствующую парциальную ширину – невидимой (англ. invisible width, Г_inv.).

Существует два класса экспериментальных методов определения невидимой ширины Z бозона: косвенный и прямой. В косвенном методе измеряется форма линии этой частицы, а затем из неё вычитаются экспериментально измеренные парциальные ширины распадов по всем видимым каналам. Точность косвенного метода очень высока: Г_косв.(Z → υυ) = 499,0 ± 0,5 МэВ. Однако, невидимую парциальную ширину можно измерять и напрямую. Чтобы это сделать, эксперименты LEP: OPAL, ALEPH и L3 изучали события, когда в электрон-позитронном взаимодействии родился фотон и Z, который распадался в недетектируемые частицы. Точность этих измерений на порядок хуже и определяется в основном набранной статистикой. И все же прямые измерения необходимы для проверки косвенных методов. И вот недавно эксперимент CMS придумал, как измерять Г_inv. напрямую в протон-протонных взаимодействиях. Препринт работы, уже направленной в реферируемый журнал, недавно появился в архиве препринтов.

Метод, который использовал эксперимент CMS, базируется на сходстве кинематических характеристик событий, в которых Z рождается вместе с адронными струями и затем распадается на лёгкие заряженные лептоны (e и μ), с событиями с таким же механизмом рождения, но с распадом в нейтрино. Наличие нейтрино в таких случаях определяется недостающим поперечным импульсом в событии. Поэтому можно изучать векторную сумму недостающего импульса и, соответственно, векторную сумму импульсов заряженных лептонов. Такие суммы тесно связаны с поперечным импульсом Z-бозона. Действительно, как видно из рисунка 1, распределения для векторных сумм недостающего импульса и импульсов заряженных лептонов в соответствующих отобранных событиях довольно похожи. Фоновыми для измерений были события с рождением и лептонным распадом заряженных калибровочных бозонов W^±; мультиструйные события; события с рождением двух калибровочных бозонов; события с рождением топ-кварков.

В результате CMS удалось рекордное (по точности) прямое измерение парциальной ширины распада Z бозона в недетектируемые частицы:

Г_inv. = 523 ± 3_стат. ± 16_сист. МэВ.

Следует отметить, что, если измерения LEP были ограничены статистикой, то в случае БАК основные погрешности носят систематический характер. Статистическая погрешность составляет всего 3 МэВ. Измерения CMS находятся в согласии с предсказаниями СМ.

Сотрудники Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ принимали активное участие в эксперименте L3 на LEP (1989-2004 гг.) и в настоящее время вносят существенный вклад в эксперимент CMS на БАК.