Misteriozni dvotočkovni vrh se bolj in močno pojavi • Igor Ivanov • Novice o "Elementih" • Iskanje nove fizike, Detektor CMS, Detektor ATLAS, LHC

Misteriozni dvotokonski vrh se zdi še močnejši

Sl. 1. Dogodek rojstva dveh visokoenergetskih fotonov v detektorju ATLAS. Slika s spletne strani atlas.ch

V fizikaliji elementarnih delcev se v zadnjih 30 letih najbolj glasno odkriva. Ali – najmočnejše razočaranje. V zadnjem decembru so v podatkih Large Hadron Colliderja odkrili namige skrivnostnega dvotočkovnega valovanja z maso 750 GeV. Na nedavno organizirani konferenci Moriond 2016 so eksperimentalne skupine predstavile posodobljeno analizo istih podatkov in zvišane podatke iz prejšnje seje. Zvišanje ne le ostane, temveč je postalo tudi močnejše.

Predstavitev Blitz: dvotokotonski val na 750 GeV

Glavna naloga fizike osnovnih delcev je zdaj zanesljivo odkrivanje Nove fizike, to je vsaj nekaj učinkov, ki presegajo standardni model. V mikrokozmosu je popolnoma nova verjetnost nove plasti realnosti, globlje od slike sveta, ki jo ponuja standardni model. Vendar, pri kakšnih energijah se bo srečal s fiziki in kako bo – ni znan. V preteklih desetletjih je bilo opravljenih na tisoče meritev lastnosti elementarnih delcev, vendar so se vsi strinjali s standardnim modelom ali niso bili dovolj prepričljivi za odstopanja.

Pomen te naloge za temeljno fiziko ni mogoče preceniti. Da, v zadnjih letih so že obstajala glasna odkritja: Higgsov bozon, astrofizični nevtrinozi, gravitacijski valovi. Toda vse to je vesel zaključek za iskanje nečesa. pričakovanoteoretično napovedan. Če se tukaj odkrije nekaj, bo to nekaj resnično novega, kar ni nedvoumno teoretično vodilo. Brez pretiravanja bomo odkrili popolnoma nov vidik mikroskopske strukture vesolja.

Large Hadron Collider je namenjen tudi iskanju nove fizike. Kljub množici rezultatov in postopoma naraščajočem seznamu sumljivih odstopanj pa še ni prejela nobenega ojačenega konkretnega sklicevanja na New Physics.

Lani je bil nadzornik nadgrajen, in zbral je prvi, skromen, medtem ko je bil delež podatkov o skupni energiji trkov 13 TeV. 15. decembra lani so na posebnem seminarju v CERNu pokazali prve rezultate tega srečanja dva glavna sodelovanja Large Hadron Collider, CMS in ATLAS. V njih, in še posebej v podatkih ATLAS, je bilo ugotovljeno nekaj zelo radovednega.Graf odvisnosti števila dvo-fotonskih dogodkov na invariantni masi dveh fotonov je očitno štrlel širok vrh z maso 750 GeV; Za podrobnosti glej stran Dvofotonski val na 750 GeV. To je zelo podobno dodatnemu prispevku iz rojstva in razpadanja nove, prej neznane, težke delce – ali več delcev hkrati.

To sporočilo je povzročilo mešanje v fiziki delcev. V prvih dveh tednih je bilo objavljenih sto teoretičnih člankov z različicami razlag. Zdaj je število člankov blizu tristo. Omeniti je treba, da doslej še ni bilo niti ene, niti predhodne znanstvene objave CMS in ATLAS; Vse te stotine člankov so se nanašale samo na decembrska poročila. In potem, v decembru, so eksperimentanti imeli dovolj časa za analizo podatkov, zato je veliko vprašanj ostalo neodgovorjeno.

Posodobljeni rezultati

Na konferenci Moriond 2016 prejšnji teden so bili rezultati bolj temeljite analize že zbranih podatkov v letu 2015 objavljeni. Poročila o obeh sodelovanjih in pregled teoretičnih pojasnil so bila predstavljena v četrtek, 17. marca; vse diapozitke so prosto dostopne na strani znanstvenega programa konference.Poudarjamo, da se statistika dogodkov ni spremenila, vendar je dovolj časa, da natančno primerjamo različne podatke in pridobimo zanesljivejše zaključke.

Nova analiza v primerjavi z decembrskimi sporočili vsebuje naslednje elemente:

  • natančnejše kalibriranje detektorskih sistemov in vrednotenje ozadja;
  • obe sodelavci sta preizkusili podatke iz predhodne seje LHC Run 1 in jih vključili v analizo;
  • sodelovanje CMS je uspelo stisniti vse iz "tainted" statistike Run 2 z ugasnjenim magnetom detektorja;
  • pod pogojem, da je porušitev povzročila en sam delec z maso 750 GeV, ki se razpade v dva fotona, je bilo preverjeno, katera varianta je prednostna s podatki: spin 0 ali 2.

Na sliki. 2 prikazuje posodobljene podatke ATLAS, ki ustrezajo nakopičeni svetilnosti 3,2 fb−1. Tukaj je število odloženih dvofotonskih dogodkov, ki so prešli izbor, odvisno od invariantne mase dveh fotonov (recimo, da bo isti graf z invariantno maso 125 GeV pokazal vrh, ki ustreza že znanim Higgsovim bozonom). Izbrani sta bili dve različni dogodki: eden je optimiziran za delce z ničelnim ožinjem (slika 2, levo), drugi pa za delce z dvema vrtljajema (slika 2, desno).Ker so se kriteriji izbora razlikovali, se je število dogodkov in porazdelitev nad invariantno maso izkazalo za neenakomerno.

Sl. 2 Porazdelitev dogodkov z invariantno maso dveh fotonov po ATLAS. Izbira je optimizirana za ničelno točko (na levi strani) in spin dva (na desni). Črne pike – podatki rdeča krivulja – ocenjeno ozadje. Slika iz poročila o pogovorih ATLAS Collaboration

V obeh primerih distribucija kaže presežek v gladkem ozadju v območju 750 GeV. Seveda se pojavljajo nihanja navzgor in navzdol tudi v drugih regijah spektra, vendar so v bližini 750 GeV več točk sinhrono potekale navzgor glede na gladko krivuljo. To je ravno pokazatelj, da takšno odstopanje ni naključno. Lokalni statistični pomen odstopanja je 3.9σ za spin 0 – in to nekoliko višje kot je bilo v decembru – in 3.6σ za spin 2. Globalni statistični pomen, ob upoštevanju učinka večkratnega vzorčenja, se zmanjša na skromno 2σ.

Na sliki. 3 prikazuje podobne porazdelitve, ki jih dobi detektor CMS. Graf na levi ustreza statistikam 2.7 fb−1zaposlen s popolnoma delujočim detektorjem. Graf na desni je dodaten 0,6 fb−1ki so bili zaposleni v prvem mesecu detektorja, ko je bil glavni tehnični problem izklopljen glavni magnet detektorja (oznake 3.8T in 0T kažejo le magnetno polje detektorja). Podatki, zbrani brez magnetnega polja, seveda ne razkrivajo vseh informacij, ker ne morejo obnoviti impulzov nabitih delcev. Toda, na srečo, za fotone ni bistveno, poleg tega pa zaradi ničelnega magnetnega polja fotonska energija postane nekoliko natančnejša kot pri standardnem načinu delovanja. Povedati je treba, da je potreba po razvoju nove strategije analize in praskanju podatkov iz "pomanjkljive" statistike postala izziv za sodelovanje CMS in se je uspešno spopadala z njo.

Sl. 3 Razporeditev dogodkov na invariantni masi dveh fotonov po CMS. Na levi: podatki, zbrani s popolnoma delujočim detektorjem. Na desni: podatki, zbrani na ničelnem magnetnem polju. Slika iz poročila o razpravah o sodelovanju CMS

Podatki CMS tudi kažejo presežek nad ozadjem v območju 750 GeV. Poleg tega je njihov prispevek, čeprav majhen, dal podatke brez magnetnega polja. Oznaka EBEB na obeh grafih označuje takšno konfiguracijo, kadar oba fotona vstopita v glavni valj detektorja.Sodelovanje CMS ima tudi podatke o konfiguraciji, ko en foton vstopi v valj, drugi pa v končni poddetektor; presežek je tam tudi opazen. Lokalni statistični pomen odstopanja doseže 2.9σ pod predpostavko ozke resonance, kar je prav tako nekoliko višje kot decembra.

Primerjava s podatkovami Run 1

V decembru sta obe sodelavci povedali o dvofotonskem vrhuncu, prvo vprašanje je bilo: kaj je pokazal Run 1 na tem področju mase? Potem ni bilo nobenega popolnega odgovora na to vprašanje: eksperimentanti preprosto niso imeli dovolj časa za ponovno analizo starih podatkov. Zdaj sta oba sodelovanja izvedla takšno analizo – in zdi se, da podpira sklep o zavrnitvi!

Tukaj je treba pojasniti, kako se podatki iz Run 1 in Run 2. povezujejo med seboj. Med triletno sejo Tečaja 1 je bilo zbranih približno 8-krat več statističnih podatkov kot v pravkar zaženem Run 2. Vendar pa se je energija trčenja povečala s 8 na 13 TeV – in zato se je verjetnost visokih energijskih dogodkov močno povečala (za to je bila v resnici dvignjena energija). Za najbolj naravno predpostavko o novem delcu – resonanco z maso 750 GeV, rojen zaradi trčenja gluonov, se prerez rojstva poveča 4,7-krat.To pomeni, da bi morali biti nekateri namigovi vidni v podatkovnih podatkih Run 1. V drugih predpostavkah (npr. Rojstvo še težjega novega delca, ki se razpade v kaskadi) je dobiček lahko 10 ali večkrat. Zato v okviru teh predpostavk odsotnost povečanja podatkov v Runu 1 ne postavlja nobenih vprašanj.

Na sliki. 4 prikazuje rezultate nove obdelave vseh statističnih podatkov, ki jih je ATLAS nabavil pri energiji 8 TEV. Izbira je bila enaka kot prej, vendar so kalibracije registracije fotonov in analitske metode nove. Tudi tukaj je opazen rahel, a precej opazen presežek očesa prav v želeni regiji mase in približno enake oblike. Statistična pomembnost odstopanja je 1.9σ. Istočasno je treba upoštevati, da ni potrebna nobena prilagoditev učinka večkratnega vzorčenja, ker ne iščemo vsaj nekega signala, vendar preizkušamo hipotezo o zelo specifični lokalizirani anomaliji. Izkazalo se je, da se je dvofotonski vrh pri 750 GeV že začel pojavljati v podatkih Run 1, vendar je bil šele takrat premajhen, da bi vzbudil sum.

Sl. 4 Nova analiza starih podatkov Run 1 pri 8 TeV. Slika iz poročila o pogovorih ATLAS Collaboration

Kakšen bo statistični pomen, če združite podatke Run 1 in Run 2? Sodelovanje ATLAS je ustavilo korak stran od tega potencialno senzacionalnega sporočila. Cena in pomen vsake izjave je zdaj tako visoka, da se je sodelovanje odločilo, da ga bo varno igralo in se vzdržalo takšne izjave (čeprav so krožile govorice o možnosti takega sporočila).

Toda sodelovanje CMS je dober primer. V svojem poročilu, ko se upošteva podatke Run 1, se skupni lokalni statistični pomen signala poveča z 2,9 na 3,4 σ. Globalni pa ostaja nizek – le 1,6 centov, a se je od decembra bistveno povečal.

Vmesni seštevek

Dejstvo, da vsa ta odstopanja padejo na isto maso, dajejo fiziki res navdih. Vsi bi radi videli skupni rezultat ATLAS-a in CMS-a, vendar je jasno, da zdaj nihče tega uradno ne bo posredoval. Neformalna subjektivna ocena očesa je naslednja: skupni učinek treh odstopanj – 3.9σ (ATLAS, 13 TeV), 1.9σ (ATLAS, 8 TeV), 3.4σ (CMS, Run 1 + Run 2), – zniža učinek večkratnih vzorčenje, potegne vsaj 4σ v svetovnem statističnem pomenu.

Vendar pa je treba takoj ohladiti plamen. Praskanje podatkov iz majhnih statistik je zelo težka naloga.Spomnimo se, da so vsi sklepi o prisotnosti novega naraščanja vezani na zaupanje, da lahko ustrezno opišemo ozadje na tem področju. Ampak kako upravičena je? Recimo, če ponovno pogledate pic. 4, je razvidno, da podatki presegajo rdečo krivuljo (to je ocenjeno ozadje) ne samo pri 750 GeV, temveč tudi v območju 1 TeV. Tam ni ničesar nenavadnega, ker podatki na 13 TeV niso pokazali ničesar tam. Če pa rahlo popravite ozadje, naredite bolj kul, potem bo želeni signal oslabil.

Da, vrh na sl. 2 in 3 izgleda impresivno. Toda drugi vrhovi, tudi pri LHC, so bili videti enako impresivni – recimo, nedavni nihanji pri 2 TeV v podatkih Run 1. Vendar se ne zdi, da bi nova seja kolajderja potrdila, da bo ta "dva TeV" odstopala. Zato je zahteva po pragu 5 standardnih odstopanj za tako pomemben rezultat popolnoma upravičena. Pravzaprav celo teoreti – in preveč optimistično razlagajo odstopanja – govorijo o novih rezultatih v precej omejenih izrazih (glej: Dve fotonske presežke pri LHC-ju se rahlo osvetli).

Ena stvar je jasna: v tem letu se bo stanje izboljšalo. Mesec dni kasneje se bo kolektor nadaljeval z nizom podatkov. Do poletne statistike Run 2 se bo večkrat povečal.Od 3. do 10. avgusta bo potekala glavna konferenca leta, ICHEP-2016, in najverjetneje bodo glavni rezultati za to rezervirani. Toda to nas nato čaka – občutek ali veliko razočaranje – še ne vemo. No, počakaj.

Viri:
1) ATLAS Coll., Diphoton išče ATLAS // poročilo Marco Delmastro na konferenci Moriond-2016.
2) CMS Coll., Iskanje velikih dipotonskih resonanc v CMS // poročilo Pasquale Musella na konferenci Moriond-2016; glej tudi tehnično publikacijo CMS-PAS-EXO-16-018.

Glej tudi:
Seznam vseh publikacij na vrhu dveh fotonov pri 750 GeV; Prav tako je v interaktivni grafični predstavitvi.

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
Dodaj odgovor

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