Пресс-центр

Новые результаты БАК подтверждают Стандартную Модель

Эксперименты Большого адронного коллайдера представили новые результаты на проходящей в Болонье (Италия) ежегодной конференции «Физика на БАК» (LHCP2018). Эксперименты ATLAS и CMS впервые зарегистрировали рождение бозона Хиггса вместе с парой t-кварк—анти-t-кварк, а эксперимент LHCb улучшил измерение свойств матрицы кваркового смешивания. Объявленные результаты подтверждают предсказания Стандартной Модели физики элементарных частиц.

Традиционно первые важные результаты БАК представляются на серии конференций «Физика на БАК» - LHCP, начавшейся в 2013 году. Так на 3-ей конференции из этой серии LHCP2015 в Санкт-Петербурге, где одним из основных организаторов являлся НИЦ КИ – ПИЯФ,  были представлены первые результаты на новой энергии БАК 13 ТэВ. На проходящей в эти дни в Болонье конференции LHCP2018 эксперименты ATLAS и CMS объявили об обнаружении процесса образования бозона Хиггса вместе с парой t-кварк – анти-t-кварк  (процесс образования ttH).

Стандартная Модель (СМ) – теория, описывающая физику элементарных частиц, во-первых, хорошо описывает почти все имеющиеся на сегодняшний день экспериментальные сведения о частицах, а во-вторых, обладает мощной предсказательной силой. В частности, она описывает рождение и превращения частиц (кварков, лептонов, бозонов переносчиков взаимодействия) друг в друга. В 2012 году эксперименты ATLAS и CMS объявили об обнаружении бозона Хиггса (H), кванта скалярного поля, дающего массу элементарным частицам. СМ дает четкие проверяемые предсказания, как должна рождаться и распадаться эта частица. Задача экспериментов БАК - проверить эти предсказания. Обнаружение процесса образования ttH - первое экспериментальное свидетельство прямого взаимодействия бозона Хиггса с t-кварками, самыми тяжелыми частицами СМ. Прежде имелись лишь косвенные подтверждения этого предсказания СМ; например, распад бозона Хиггса на два фотона идет преимущественно через виртуальные t-кварки, однако нельзя было полностью исключить ситуацию, при которой вклад t-кварковой петли был бы меньше или больше предсказанного СМ, а компенсация происходила бы за счет каких-либо новых, еще не открытых частиц. Измерение вероятности tt-процесса – хороший тест на наличие Новой физики. Фейнмановские диаграммы, описывающие tt-рождение приведены на Рис.1 (слева). Кварки и бозон Хиггса рождаются в столкновении партонов (составных частей протона). Интенсивность таких процессов меньше, чем для других каналов рождения H. В набранной экспериментальной статистике экспериментаторы искали события-кандидаты, в которых хиггсовский бозон распадался по одному из уже известных каналов (WW*, ZZ*, два фотона, τ⁺τ^–- или bb-пары), а уже из них выбирались события,в которых проявлялись распады tt-пары. В экспериментах физики высоких энергий очень редко возникают ситуации, когда удается полностью отделить сигнальные события от фоновых. При поиске tt-рождения необходимо учитывать фон случайных совпадений, процессы с рождением tt-пар, но без бозона Хиггса, события с рождением бозона Хиггса по другим каналам СМ, неверно распознанными как ttH-процесс (пример на Рис.1 справа). То есть, можно говорить о том, что открытая несколько лет назад частица сама стала (в некотором смысле) фоном для новых открытий.

В итоге, рассмотрев множество категорий событий и ATLAS, и CMS объявили об обнаружении tt-процесса. Оба эксперимента объявляют, что статистическая значимость сигнала превосходит пять стандартных отклонений, то есть вероятность статистической флуктуации ничтожно мала. Измеренная сила сигнала (вероятность образования событий-кандидатов данного процесса) находится в согласии с предсказаниями СМ (см. Рис.2). Процедура анализа данных описывается в научных статьях, опубликованными обоими экспериментами (1, 2) в день открытия конференции 4 июня.

Другая интересная и также очень сложная работа была представлена экспериментом LHCb. В теоретическое описание превращения кварков (u, c, t)↔ (b, s, b), за которое отвечает слабое взаимодействие, входит матрица кваркового смешивания (матрица Кабиббо-Кобаяши-Маскавы, ККМ-матрица) – квадратная матрица 3х3 с комплексными элементами. Так как в СМ существует только три поколения кварков, ККМ-матрица обладает свойством унитарности и девять комплексных чисел зависят от 4 вещественных параметров. Одной из стратегий поиска указаний на то, что СМ является лишь частным случаем общей теории, или как говорят, поиском физики за пределами СМ является сравнение независимых измерений параметров или комбинации параметров ККМ-матрицы. Одной из таких комбинаций является угол γ, являющийся фазой комплексного числа (–V_udV^*_ub/V_cdV^*_cb), где V_ij – элементы ККМ-матрицы. Особенность этой наблюдаемой, состоит в том, что часть погрешностей её измерения, зависящая от теоретических вычислений, может быть сведена к нулю.

Признанным лидером в измерении параметра γ является эксперимент LHCb. Дело в том, что параметр γ измеряют, сравнивая распады положительно и отрицательно заряженных прелестных (содержащих b-кварк) мезонов на очарованные и странные: B^±→DK^±. Сложность возникает из-за того, что помимо γ, за которую отвечает слабое взаимодействие, эти распределения зависят от свойств сильного взаимодействия. Оказывается, разделить эти вклады можно, если рассмотреть различия в каналах последующих распадов очарованного D-мезона. Так, в новой работе физики LHCb представили анализ для D→K_S⁰π⁺π⁻ (см. Рис.3) и D→K_S⁰K⁺K⁻.

На Рис.4 показаны измерения параметра γ, проведенные для различных каналов распада D-мезонов. Новое измерение LHCb показано малиновым цветом. Полученные результаты находятся в согласии с унитарностью ККМ-матрицы, но кольцо ошибок «сжимается» по мере того, как растет накопленная экспериментальная статистика. Препринт публикации доступен онлайн.

Конечно, в короткой заметке невозможно раскрыть все нюансы экспериментальных работ, над которыми трудились тысячи физиков из сотен научных организаций и университетов. Активное участие во всех четырех крупных экспериментах БАК принимают сотрудники Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ.