Теоретики продолжают искать объяснения двухфотонному пика

Вы двуxфoтoннoгo пик, признaки тoгo, чтo прoступaют всe яснee, имeют всe шaнсы быть вeличaйшee oткрытиe в физикe элeмeнтaрныx чaстиц зa пoслeдниe дeсятилeтия. Ситуaция дoлжнa стaть бoлee яснoй, oчeнь скoрo, ужe этим лeтoм, и близoсть рaзвязки пoддeрживaeт aжиoтaж. В oжидaнии нoвыx дaнныx, тeoрeтики прoдoлжaют лoмaть гoлoву нaд тeм, кaкoй вaриaнт Нoвoй физики мoжeт спрятaться зa тaкoe oтклoнeниe. Мы прeдстaвляeм oбзoр тoгo, чтo гoвoрят цифры и чтo зa oбъяснeниe являeтся сeйчaс сaмым пoпулярным.

Дaвaйтe нaчнeм с oбязaтeльнoгo брoнирoвaния. Splash двуxфoтoнныx сoбытий в oблaсти мaсс-750 Гэв, чтo видят oбa крупнeйшиx дeтeктoрa Бoльшoгo aдрoннoгo кoллaйдeрa, ATLAS и CMS, мoжeт быть призрaк. Мoжeт быть, этo бaнaльнaя флуктуaция стaтистики, тaк жe xoрoшo, сoвпaвшaя в oбoиx дeтeктoрoв, или нeoтлoвлeнный дo пункции, aлгoритмoв oбрaбoтки дaнныx. Рeaльнo этoт пик или нeт — мы пoкa нe знaeм. Нo eсли этo всe eщe сeгoдня прoявлeниe Нoвoй физики, тo eсть смысл нaчaть пoнимaть ужe сeйчaс, чтo oн мoжeт скрыться.

O чeм гoвoрят дaнныe

Дaвaйтe пoсмoтрим гoлыe фaкты. Нa рис. 2 для oбoрудoвaния пoкaзывaeт, двуxфoтoнныe дaнныe AТЛAСA, нaкoплeнный в 2015 году, в рамках сеанса Run 2. Они очевидны, превышение фона в районе 750 Гэв. Подобные данные, правда, с немного меньшей статистической значимости, и есть CMS. И, наконец, несколько советов, превышение в этой области, можно догадаться, а также данных, накопленных в 2010-2012 годах, во время сеанса Run 1 на энергии столкновений 8 Тэв. Подробности относительно этих мер см. в новости Таинственный двухфотонный пик выходит все больше и сильнее.

Рис. 2. Распределение событий по инвариантной массы двух фотонов в соответствии с атласом. График презентации M. Delmastro, в 2016 году. Diphoton исследования in ATLAS

Эти графики, наряду с другими данными дают первое представление о двухфотонном взрывов.

  • Пик распределения инвариантной массы двух фотонов представляют массы 740-760 Гэв.
  • В данных ATLAS пик кажется довольно большим: его ширина варьируется от 20-120 Гев, более точную оценку дать пока затруднительно. Данные же любимый CMS узкий резонанс с шириной не более 10-20 Гэв.
  • О, сколько событий можно оценить сечение рождения гипотетической частицы, с последующим распада на два фотона. Данные при энергии 13 Тэв, дают σ13 Lhc ≈ 5-10 fb, данных Run 1 на энергии 8 Тэв, выявили, сечение σ8 Lhc ≈ 0,5–1 fb.
  • Нейтральная частица рождается в столкновении протонов и распадается на два фотона. Значит, она точно взаимодействует с фотонами и глюонами или с кварками. Но она это частица нейтральная, и это означает, что он должен общаться только с кем-то, и, видимо, это какой-то новые частицы.
  • Ни в какой другой канал распада (двигатель, топ-кварки, тяжелые бозоны, и т. п.) резонанс 750 Гэв не может быть видно. Это означает, что связь с другими известными частиц не может быть очень сильным.

Процесс, который создает это двухфотонный сигнал, еще неизвестно. На рис. Рис. 3 иллюстрирует некоторые теоретики изученных параметров источника двухфотонного пик. Самым естественным кажется вариант, как бозон Хиггса, то есть, рождение скалярных частиц S (спин ноль) слияние двух глюонов, и ее распад на два фотона (первая диаграмма на рис. 3). Вариации одного и того же процесса: когда частица рождается в quark-антикварковом столкновения или когда спин не равен нулю, и двойке. В этом процессе, массы частиц S совпадает с положением двухфотонного пик.

Рис. 3. Основные случаи возникновения двухфотонного пик. График представления A. Strumia, в 2016 году. Interpreting the 750 Гэв digamma excess: обзор

Второй вариант-это рождение еще более серьезным отцом частицы P, который затем распадается на несколько новых частиц успокойтесь: R и уже известный в Сек. В этом варианте двухфотонный сигнал, что они видят детекторы, будет Сек. Ее напарница R распадается на частицы темной материи, которые, в силу исключительной слабости взаимодействия с очередной материи, летают далеко и не регистрируются детекторами.

Есть и более экзотические возможности, также показанные на рис. 3. Например, скалярная частица S не распадается на фотоны, и что-то новое-это очень легкие частицы Π, которое, как нейтрального пи-мезона, может распадаться на фотоны. Поскольку частица Π легко, фотонов от их разложения, пролетел очень близко друг от друга, попадают в ячейку калориметра и вызывают реакции, что детектор воспринимает как сигнал единственного фотона.

Минимальный анализ

Перечисленные выше отдельные кусочки информации складываются в любопытную картину, чтобы воссоздать то, что даже не требуется прибегать к теории конкретных. Мы будем объяснить это в более простой механизм, как показано в первой диаграмме на рис. 3.

Как известно, ширина частиц-резонансов связана с их время жизни: больше резонанс, тем быстрее она распадается, и, следовательно, тем сильнее она взаимодействует с другими частицами. В этом случае ширина играет важную роль: если пик действительно большой, как показано на АТЛАС, новая частица обязана распадаться на что-то другое.

Чтобы пояснить, что означает это заключение, возьмем ширину распада для определенного канала f и разделить массу частицы: xf = Γf /M. Безразмерное число xf отличает, как новые частицы «сцеплена» с набором частиц f. В связи с фотонами и глюонами точно есть, и от величины сечения можно получить xgg·хγγ ≈ 6·10-8. Но большая полная ширина резонанса (принимая среднее значение ATLAS Γ = 45 Гэв) указывает, что объем xf на все каналы распада, должно быть около 0,06. Таким образом, это может произойти только тремя способами:

  • двухфотонная ширина больше, хγγ ≈ 0,06, и двухглюонная — небольшой. Другими словами, частица рождается очень неохотно, но она распадается в основном на фотоны, и они регистрируются надежно. Тем не менее, организовать столь сильная связь, нейтральных частиц, фотонов очень трудно.
  • двухглюонная больше ширины, и двухфотонная — небольшой. Частица рождается в больших количествах, но вероятность распада на два фотона мала. Организовать это, в принципе, можно, но тогда придется идти сильный распад этой частицы на два глюона. Такой распад был бы виден, как резонанс в двухструйных событий, но в данных намека на него не видно. Ненаблюдение пик в двухструйных событий накладывает ограничения: xgg < 0,0015.
  • самый естественный вариант: кроме двухфотонного и двухглюонного упадок есть упадок, и в любые другие частицы, или уже известные, новые и невидимые, как частицы темной материи. Распад в основном для них, но мы не видим, потому что там все забивает фон.

Еще раз сделать оговорку: стоит изменить гипотеза о механизме рождения, как и выводы меняются. К сожалению, это пока неизбежно в отсутствие других экспериментальных данных, интерпретации пика сильно зависит от предположений.

Дополнительные сведения дает сопоставление разделов 8 и 13 Тэв. Сечение должно расти с ростом энергии протонов, но вот насколько сильным будет рост, зависит от механизма рождения (fig. 4). Если частица рождается в столкновении глюонов или тяжелый b-кварк, σ13 Lhc/σ8 Lhc должен быть равен около 5. Если механизм, с рождения — через легкие кварки или фотонов, увеличение — в 2-2,5 раза. Тем не менее, данные указывают на более сильный контраст между данных Run 1 Run 2 — раз в 10-15. Если для столкновения глюонов или кварк тяжелые, эти цифры еще могут быть сведены друг с другом, попеняв статистических колебаний, другие механизмы рождения — это серьезный аргумент против. Это, в частности, закрывает наивно предположение, что наш резонанс может быть объяснено чисто фотонным рождения.

Рис. 4. Рост сечений, при переходе от 8 до 13 Тэв, для различных механизмов рождения частицы с массой 2 Тэв. Горизонтальные линии показывают, какой множитель нужно детекторы ATLAS и CMS, чтобы компенсировать разницу между светимостями, набранными из этих двух энергий. График представления A. Strumia, в 2016 году. Interpreting the 750 Гэв digamma excess: обзор

Однако и здесь, достаточно, чтобы изменить гипотезу о механизме рождения — выводы и поплывут. Например, если процесс рождения — как на второй схеме на рис. 3 то есть, с точки зрения детектора, двухфотонный, знак похож, но вот увеличение сечения σ13 Lhc/σ8 Lhc может легко переходить десятки и выше, так как он зависит от массы частицы P. В этой версии, кстати, вы получите важный ключ. Поскольку частицы темной материи не регистрируются, детектор должен видеть, вдруг дисбаланс поперечного импульса. Исследователи, тем не менее, любой сильный дисбаланс не сообщают. Обойти это затруднение может быть конфигурации модели, тем не менее, немного искусственным. Так или иначе, изучение кинематических распределений и, в частности, исследования потеряли поперечная динамика — важный шаг для будущей программы исследований этого пика. Предварительная оценка, что распределение стоит смотреть, прежде всего, следовать в недавней статье Characterising the 750 Гэв diphoton excess.

Описательные модели и их прогнозы

Теперь приправим история щепотку теории и модели.

В физике элементарных частиц существуют два подхода для описания ошеломляющий эффект. Вы можете попробовать найти место новой частицы, в определенной, тщательно построенных теорий, или может ограничить повествование проекта, где все взаимодействия с осторожностью параметризуются, но никаких глубоких выводов еще не делается. В первом случае, делаем карту петух», и, если удача нам улыбается, мы можем сразу же наткнуться на той же теории, который реализуется в нашем мире. Во втором случае, мы будем действовать широким фронтом, но мы не получили пока, что ответы на самые интересные вопросы.

Конкретных моделей, способных описать двухфотонный всплеск 750 Гэв, предложено уже несколько сотен, и перечисление всех его бесполезно. Мы, таким образом, только, чтобы упомянуть несколько вариантов, чтобы проиллюстрировать, насколько широкое поле возможностей исследуют сейчас теоретики.

Соседи электрослабому взаимодействию

Во-первых, сюжет начинается с того, что фотон-это, на самом деле, это не частицы, а «продукт» хиггсовского механизма. Этот механизм позволяет защитить источник нейтральных частиц, в новых комбинаций, которые приехали перед нами, как фотона, Z-бозона и бозона Хиггса (fig. 5). Таким образом, если новая частица «уважает» электрослабую теорию и при этом распадается на два фотона, то он также должен распадаться и другие частицы: ZZ, Zy и, возможно, в WW-пара.

Рис. 5. Суть хиггсовского механизма — смесь частиц происхождения в определенной комбинации, в одной из которых есть фотон. Веб дизайн quantumdiaries.org

Вероятность распадов, чтобы эти пары частиц вполне поддаются расчету. Если предположить, что частицы при 750 Гэв цепляется к фотону только через поле B (фиолетовый мяч на рис. 5), распады на другие каналы получаются слабые места. Только имеет шансы отметить, Zy-распад, и что, с трудом. Если новая частица чувствует все электрослабые поля, то все будет гораздо веселее. То распад в WW пара должна быть в 40 раз больше, скорее всего, и ZZ — 12 раз более вероятно, чем фотоны. Теперь эти распады еще не видны, просто потому, что трудно отделить от фона, но детекторы сможете реализовать уже в следующем году.

Виртуальных частиц в петлях

Другой аспект загадки: кто обеспечивает соединение нейтральных частиц фотонами и глюонами? Наиболее естественный ответ: петли из заряженных виртуальных частиц, чувствуя сильное взаимодействие. Первое подозрение падает на топ-кварки — но у вас выселить. Если топ-кварки обеспечили сильную связь, новая частица распадалась прямо в топ-антитоп-пары сотни и тысячи раз больше, чем фотонов. И мы в топ-кварковом рождение такого эффекта мы не видим.

Рис. 6. Петля частиц обеспечивают связь новой частицы с фотонами и глюонами

Значит, отвечать за эти связи нам нужны новые частицы, как, например, в новых тяжелых кварков Q (fig. 6). Но здесь возникает другая проблема. Взаимодействие с этими частицами должно быть настолько сильным, что она выходит за рамки обычного подхода и не описывается теорией возмущений. В этом случае открывается прорва эффекты: государственный суверенитет, различные резонансы и так далее. В целом, теория сложности начинает казаться нормальным сильные взаимодействия, — но только с другими «игроками» и, при очень больших масс. И самое главное, что мы, с развитием событий надеются, что открытие новых частиц и явлений в ближайшие годы.

Интерьер резонанс

Третья история, как то, что скрывает в резонанс. Когда АТЛАС сообщил, что пик кажется большой, многие исследователи отмечают, что он действительно может быть не один, а несколько близких по массе частиц с небольшой шириной. Только один детектор, которые в силу своей не является достаточно хорошим разрешением по энергии, не разделяет их на отдельные пики. Это сразу решает большую проблему с сильной связью, так как каждая из этих частиц имеет небольшую ширину, и, следовательно, не обязан ни с кем взаимодействуют очень сильно. Есть также вариант, при котором новые частицы несут в себе большой электрический заряд. Вероятность распада частиц S в два фотона растет пропорционально четвертой степени зарядки частиц, который циркулирует в контуре. Так и таким образом, вы можете избежать сильной связи.

Наличие нескольких частиц с близкими массами, это не удивительно. Новые частицы, часто присутствуют в моделях парами или даже целыми семьями. Часто, они имеют узкий массы. Это происходит потому, что параметр теории обеспечивает общий масштаб масс, и второй, более слабый, в результате небольшая разница. Любопытно реализовывать эту функцию в рамках суперсимметричных моделей был помещен в статье 750 Гэв Diphoton Excess from the Goldstino Superpartner.

Существует также список публикаций, в которых предполагается, что новая частица — состоит. По аналогии с тем, как кварк-антикварковая пара таким образом, maison, новая частица может быть связано с состоянием двух тяжелых частиц. В этом случае, опять же, по аналогии с устройством мезонов, то можно ожидать не одно, а несколько состояний с близкими массами. Они отвечают одной и той же пары частиц, но только в различные возбужденные состояния, и, как следствие, с различными уровнями энергии связи.

Детали этого проекта зависят от предположения о том, как бы новая сила, которая удерживает частицы в единое целое. Один из самых простых вариантов, на основе аналогии с чармония, речь в статье Back to 1974: Q-onium. На рис. 7 показывает пример того, как может выглядеть спектра этой системы. В этом проекте самый маленький штат имеет только спин нулевой, и он может быть связан и с фотонами, и с глюонами. Но эта модель предусматривает и дополнительные резонансы, которые вы увидите чуть выше энергии, и не только в двухфотонном канале.

Рис. 7. Возможно, спектр связанных состояний из Q-анти-Q-пару, чтобы тесто снова фермиона 420 Гэв. Изображение из статьи J. F. Kamenik, M. Redi, в 2016 году. Back to 1974: Q-onium

Не резонанс одной

Четвертый рассказ, в котором кратко уже упоминали выше, — предположение, что то, что мы видим, это не банальный резонанс, слева на рис. 3, а что-то более сложное. Если это каскад распада более тяжелой частицы, как на второй схеме на рис. 3, то распределение инвариантной массы двух фотонов будет иметь вид это не пика, а клин (fig. 8). В статье » The 750 Гэв Diphoton Избыток May Not Imply 750 Гэв Резонанс этой гипотезы была проанализирована для различных сценариев распада, и, при необходимости подбора параметров модели вполне сходилась данных.

Рис. 8. Возможно, описание пика в данных ATLAS клинообразным знаком (синия линия), в результате каскадного распада тяжелых частиц. Изображение из статьи W. S. Cho et al., 2016. The 750 Гэв Diphoton Избыток May Not Imply 750 Гэв Резонанс

Анкета для двухфотонного резонанса

На следующей неделе Большой адронный коллайдер, резюме, набор данных. Летом с ним за новой порцией статистики, как минимум, сопоставимы с объемом. В августе, на международной конференции ICHEP 2016 будут объявлены новые результаты относительно двухфотонного пик. И не исключено, что уже в то время, как физика элементарных частиц идиот перескочит в стадии поиска Новой физики на этапе его исследования.

В ожидании этих, потенциально революционные данных, физики сформулировали список вопросов к двухфотонному резонансу, ответ зависит от того, принципиально теоретическое объяснение.

  • Какова ширина и профиль резонанс? Не появится, если есть два или более близко расположенных пиков?
  • Как сечение рождения зависит от энергии? Каков механизм рождения частиц? Если есть дисбаланс поперечного импульса в этих соревнованиях?
  • Равно спина этой частицы с нулевым или два?
  • То, что показывают все остальные каналы (WW, ZZ, Zy, HH, кварки, лептоны) в этом диапазоне масс?
  • Видны другим процессам с участием новой частицы, как пара рождения или co-рождения кто-то? Например, появился несколько дней назад статья Digamma, what next? показывает, на основе детального анализа, что является в этих процессах было бы лучше понять природу новых частиц.

Кроме того, «допрос» пик двухфотонного физики, конечно, будет с удесятиренным стремление искать других новых частиц. Первая массовая атака теоретиков показывает, что более естественными являются те модели, где пиковая нагрузка, при 750 Гэв, присутствует кто — заряжен, сильновзаимодействующий, но, может быть, достаточно тяжелый. Любой намек на более частиц может, в течение нескольких дней переформатировать досье новой частицы.

Ну, программа поиска в общих чертах, конечно. Нам остается только ждать августа результаты.

Источники:

1) Роберто Franceschini et al. What is the gamma gamma resonance at 750 Гэв? // s-печати архива:1512.04933 [hep-ph].

2) Alessandro Strumia. Interpreting the 750 Гэв digamma excess: обзор // доклад на конференции Moriond-2016 с обзором теоретических возможностей.

См. также:

1) Список всех публикаций двухфотонному пика, при 750 Гэв.

2) Diphotons: Rencontres Update, анализ данных в блоге PhysicsMatt.

Игорь Петров

Комментирование и размещение ссылок запрещено.

Комментарии закрыты.

Translate »