Пресс-центр

CMS провел глобальный поиск Новой физики в набранных данных

В октябре 2020 года эксперимент CMS, который проводится на Большом адронном коллайдере (БАК), выпустил новую экспериментальную работу по поиску признаков существования частиц и фундаментальных взаимодействий, которые не входят в Стандартную модель (СМ). Физики проверили насколько согласуются с СМ экспериментальные данные для десятков различных категорий записанных событий.

В начале работы БАК экспериментальный поиск «механизма», дающего массу векторным бозонам W^± и Z⁰, являлся приоритетной задачей экспериментов ATLAS и CMS. В руках у экспериментаторов было два хорошо проработанных теоретических сценария в рамках СМ: Энглера-Браута-Хиггса, следствием которого является существование бозона Хиггса (H) и теория техницвета при сверхсильном взаимодействии электрослабых векторных бозонов (см. обзор журнала УФН, выпущенный до запуска БАК). После экспериментального открытия хиггсовской частицы в 2012 году на первый план вышел поиск частиц и взаимодействий так называемой Новой физики (НФ). Однако, теперь, в отличии от ситуации с поиском H, в руках у экспериментаторов нет жестко ограниченного класса теоретических моделей. Вариантов теорий НФ очень много и для каждой их них есть ключевые каналы поиска. Уже выпущены сотни экспериментальных работ, проверяющих конкретные варианты реализации НФ. При этом существует опасность не заметить проявлений НФ, если они «равномерно распределены» по исследуемым каналам. Для того, чтобы исключить такую возможность, сотрудники эксперимента CMS провели анализ глобальной согласованности полученных экспериментальные данных с предсказаниями СМ для десятков различных категорий записанных событий. Анализ получил название Model Unspecific Search in CMS или сокращенно MUSiC. Его результаты были направлены для публикации в рецензируемом научном журнале в октябре 2020 года.

Анализ проводился по всем событиям, записанным в 2016 году при энергии взаимодействия протонов 13 ТэВ. Набор данных соответствует интегральной светимости 35.9 фб^–1. События-кандидаты были разбиты на категории, которые можно сокращенно записать в виде i_ej_μk_γl_bm_jetp_T^miss,

где i_e – это число электронов (и позитронов); j_μ – число мюонов (и антимюонов); k_γ – число восстановленных фотонов высокой энергии; l_b – число реконструированных адронных струй, образованных прелестным (b) кварком; m_jet – число реконструированных адронных струй; p_T^miss – недостающий поперечный импульс в событии, который может появляться, например, в случае, когда событие-кандидат содержит одно или несколько нейтрино.

Естественно, для того чтобы провести такую категоризацию экспериментально зафиксированных событий, нужно задаться некоторыми пороговыми значениями по энергиям частиц. Дальше количество событий в каждой категории нужно сравнить с предсказаниями СМ.

Чтобы предсказать количество событий в каждой категории, необходимо учесть все возможные процессы СМ. Это включает: генерацию процессов в соответствии с сечениями (вероятностями), задаваемыми параметрами СМ, трассировку этих событий в компьютерной модели эксперимента, учитывающей как геометрию детектора и законы прохождения частиц через вещество, так и пороги, в соответствии с которыми была проведена категоризация событий. Так как СМ содержит относительно мало параметров, одни и те же процессы дают вклад в различные категории событий. Соотношение ожидаемого сигнала для разных категорий оказывается строго определено. Такой подход имеет предсказательную силу даже для гипотетического сценария, в котором НФ оказывается относительно равномерно «размазана» на фоне СМ (дает небольшой вклад сразу в несколько каналов).

Для примера, на рисунке 1 приведены распределения числа зарегистрированных событий типа 2_e0_μ0_γl_bm_jet0_pTm – событий без мюонов, фотонов и потерянного поперечного импульса, однако, содержащие два электрона и адронные струи. Вклад в 18 различных измеренных комбинаций такого типа могут давать только 9 процессов СМ. СМ хорошо описывает число событий в каждой конкретной категории. Подобные спектры построены и для других категорий событий. Расхождения с предсказаниями СМ не выявлено.

Помимо подсчета событий в различных категориях в своем анализе физики рассмотрели и ключевые кинематические распределения для различных категорий событий. Для примера, на рисунке 2 представлено распределение по полной инвариантной массе частиц для категории с двумя мюонами.  Вклады 9 процессов СМ уже фиксированы на предыдущей стадии анализа. Форма спектров отдельных вкладов также довольно сильно ограничена. При этом данные не противоречат теоретическому описанию. Алгоритмы настроены так, чтобы автоматически искать места, где данные не соответствуют предсказаниям СМ. Например, на рисунке 3 вертикальными полосами выделен участок спектра масс, для которого число событий предсказаний слегка (для нескольких значений подряд) превышает зарегистрированное число событий кандидатов. Каждый из таких участков подвергается статистической проверке. В этом и в других случаях статистически значимых отклонений не было выявлено.

Пока анализ проведен лишь для данных 2016 года. В скором времени можно ожидать результатов, основанных на данных 2017-2018 годов. Подробнее об этой работе можно узнать из препринта научной статьи, а также из заметки на сайте CMS. Сотрудники Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ принимают активное участие в работе эксперимента CMS.