Коллаборации CMS (Compact Muon Solenoid) и ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) Большого адронного коллайдера (БАКа) обнаружили слабый сигнал распада на два гамма-фотона неизвестной частицы массой около 750 гигаэлектронвольт. Строго говоря, наблюдаемое никак не может считаться открытием, однако вселяет оптимизм в некоторых физиков-теоретиков, работающих над расширениями Стандартной модели (СМ).
На пресс-конференции коллабораций БАКа, состоявшейся 15 декабря 2015 года, сообщили о первых результатах экспериментов после перезапуска коллайдера. С 17:00 до 17:40 мск об открытиях CMS рассказывал Джим Олсен из Принстонского университета (США), а с 17:40 до 18:20 результаты ATLAS представлял Маруми Кадо из Линейной ускорительной лаборатории при Университете Париж-юг XI (Франция). Большая часть представленных данных касалась уточнений параметров расширений СМ. Но были и более интересные результаты.
Пик необычного сигнала, который, вероятно, не может быть списан на фоновые взаимодействия, обе коллаборации, CMS и ATLAS, обнаружили примерно на 750 гигаэлектронвольтах (данные несколько разнятся). В эксперименте CMS локальная статистическая значимость составила 2,6 стандартного отклонения, а глобальная статистическая значимость — 1,2 стандартного отклонения. У ATLAS эти параметры — 3,6 и 1,9 соответственно.
Всего коллаборация CMS зарегистрировала 10 таких необычных событий, ATLAS — 40. CMS удалось объединить новые данные с предыдущими (полученными до остановки БАКа 14 февраля 2013 года после его первого этапа работы). Это привело к повышению локальной статистической значимости до 3-х стандартных отклонений и глобальной статистической значимости до 1,7 стандартного отклонения. Коллаборация ATLAS новые данные со старыми по необычному пику не объединила.
Эти результаты не позволяют считать наблюдения коллабораций БАКа открытием. В физике элементарных частиц открытие фиксируется, если его статистическая значимость равна минимум пяти стандартным отклонениям (в этом случае вероятность ошибки равна примерно 0,00005 процента). Различие в данных коллабораций CMS и ATLAS можно объяснить тем, что у магнита первого эксперимента в начале запуска возникли проблемы с охлаждением, и в распоряжении ученых CMS было меньше времени.
Данные коллаборации CMS
Изображение: скриншот презентации CMS
Полученные данные в случае их подтверждения могли бы означать наличие в природе скалярной частицы массой около 750 гигаэлектронвольт и выход физики за пределы СМ. Наиболее подходящий кандидат на роль новой частицы — еще один нейтральный бозон Хиггса (помимо ранее открытой первой частицы массой около 125 гигаэлектронвольт). Он может быть рожден при участии более тяжелых (и еще не открытых) частиц, которые в свою очередь могут быть суперсимметричными и иметь массу около или более двух тераэлектронвольтов.
В суперсимметрии число частиц удваивается за счет того, что каждой известной частице соответствует ее частица-партнер. Например, для фотона — фотино, кварка — скварк, хиггса — хиггсино и так далее. Спин суперпартнера на полуцелое число отличается от спина частицы — это означает, что у суперпартнеров другая квантовая статистика (частица-бозон имеет суперпартнером фермион и наоборот).
Данные коллаборации ATLAS
Изображение: скриншот презентации ATLAS
Ситуацию, сложившуюся сейчас, многие физики сравнивают с 2011 годом. Тогда были получены первые намеки на существование кандидата в бозон Хиггса массой в интервале 115-130 гигаэлектронвольт, которые за недостатком статистики воспринимались с настороженностью (позднее похожие результаты представили ученые американского Тэватрона).
О необычном пике в 700 (затем — 750) гигаэлектронвольт уже сообщалось. Например, 6 декабря польский физик-теоретик Адам Фальковский из Университета Париж-юг XI (оттуда же был докладчик из коллаборации ATLAS) предупреждал, что 15 декабря физики из CMS и ATLAS расскажут о необычном распаде частицы массой 700 гигаэлектронвольт в два фотона. 11 декабря израильский астрофизик Марио Ливио подтвердил информацию Фальковского, уточнив, что статистическая значимость равна трем стандартным отклонениям. За день до пресс-конференции в ЦЕРНе, 14 декабря, Фальковский поднял массу частицы до 750 гигаэлектронвольт. О ней и рассказали коллаборации CMS и ATLAS.
Кроме того, новые данные ATLAS подтвердили наблюдаемые еще в 2012 году на первом этапе экспериментов на коллайдере отклонения в пользу реакций с участием суперсимметричных частиц (тогда было зарегистрировано 29 таких событий). Однако если ранее статистическая значимость составляла три стандартных отклонения, то сейчас речь идет о 2,2 стандартных отклонениях. Коллаборация CMS это отклонение не заметила как на первом, так и на втором этапах эксперимента. Позднее это явление получило (впрочем, не единственно возможное) теоретическое обоснование в рамках Минимальной суперсимметричной СМ (МССМ), в которой, в отличие от СМ, не один, а пять бозонов Хиггса.
Говорить об обнаружении нового бозона Хиггса и тем более об открытии суперсимметрии пока рано. Тем не менее наивное объединение результатов двух коллабораций по пику в 750 гигаэлектронвольт приводит к локальной статистической значимости, большей 4-х стандартных отклонений, что уже не так мало. Обнаружение бозона Хиггса и подтверждение СМ было главной целью первого этапа экспериментов на БАКе. Задача второго этапа — поиски физики за пределами СМ (в частности, дополнительных бозонов Хиггса, суперсимметричных частиц и следов скрытых измерений). Остается надеяться, что в 2016 году ученые на БАКе уже уверенно смогут заявить о физике за пределами СМ.