Teoretikere fortsætter med at søge forklaringer til tofoton-spidsen • Igor Ivanov • Videnskabsnyheder om "Elements" • Søg efter Ny Fysik, LHC

Teoretikere fortsætter med at søge forklaringer for to-foton peak

Fig. 1. Den tofotoniske bølge kan kun være toppen af ​​isbjerget af nye effekter og opdagelser. Graf fra præsentation A. Strumia, 2016. Fortolkning af 750 GeV digamma overskud: en gennemgang

To-fotonstoppen, de hints der vises mere og mere tydeligt, har alle muligheder for at blive den største opdagelse i partikelfysik i de seneste årtier. Situationen bør rydde op meget snart, allerede i sommer, og nærheden af ​​krydset understøtter hype. I forventning om nye data fortsætter teoretikere med at pusle over præcis hvilken version af New Physics der kan gemme sig bag denne afvigelse. Vi giver et kort overblik over, hvad dataene taler om, og hvilke forklaringer der for øjeblikket er mest populære.

Lad os starte med en obligatorisk reservation. Stigningen i to-foton begivenheder i 750 GeV massegruppen, som ses af begge de største detektorer af Large Hadron Collider, ATLAS og CMS, kan vise sig at være et fantom. Måske er dette en triviel statistisk svingning, der har så godt matchet i begge detektorer eller en punktering af databehandlingsalgoritmer, der endnu ikke er fanget. Denne top er virkelig eller ej – vi ved det endnu ikke. Men hvis dette stadig er en sand manifestation af New Physics, så er det fornuftigt at begynde at forstå lige nu, hvad der præcist kan skjule sig bag det.

Hvad siger dataene

Lad os nævne de bare fakta. I fig. 2 for nemheds skyld er de to-foton-ATLAS-data akkumuleret i 2015 som en del af Run 2-sessionen vist. De viser tydeligt overskuddet over baggrunden i området 750 GeV. Lignende data, dog med en lidt mindre statistisk betydning, er der også et CMS. Og endelig kan nogle hints om overskydende i dette område også gættes i de data, der blev indsamlet i 2010-2012 under løbetid 1 på kollisionsenergien 8 TeV. Detaljer om disse målinger, se nyhederne Mystiske to-foton peak ses mere og mere.

Fig. 2. Fordeling af hændelser med den invariante masse af to fotoner ifølge ATLAS. Planlægning fra præsentationen M. Delmastro, 2016. Diphoton søger i ATLAS

Disse grafer, sammen med andre data, giver det første indtryk af en to-foton burst.

  • Spidsen i fordelingen af ​​den invariante masse af to fotoner falder på vægt 740-760 GeV.
  • I ATLAS-data ser toppen sig temmelig bred ud: bredde ligger i området 20-120 GeV, er det stadig vanskeligt at give et mere præcist estimat. CMS-data foretrækker en smal resonans ikke mere end 10-20 GeV bred.
  • Antallet af begivenheder kan estimeres sektion fødslen af ​​en hypotetisk partikel med det efterfølgende henfald i to fotoner.Data ved en energi på 13 TeV giver σ13 TeV ≈ 5-10 fb, Kør 1 data ved en energi på 8 TeV angiver tværsnittet σ8 teV ≈ 0,5-1 fb.
  • En neutral partikel er født i en kollision af protoner og falder i to fotoner. Så hun har ret interagerer med fotoner og med gluoner eller med kvarker. Men det er en neutral partikel, hvilket betyder, at det skal samhandle præcist med en anden, og det er tilsyneladende nogle nye partikler.
  • I ingen anden forfaldskanal (stråler, top kvarker, tunge bosoner osv.) Er resonansen ved 750 GeV synlig. Det betyder det link med andre kendte partikler kan ikke være for stærk.

Den specifikke proces, der genererer dette to-foton-signal, er endnu ikke kendt. I fig. 3 viser nogle af varianterne af oprindelsen af ​​en to-foton burst studeret af teoretikere. Den mest naturlige mulighed virker som Higgs boson, det vil sige fødslen af ​​en skalær partikel S (spin nul) i fusionen af ​​to gluoner og dets forfald i to fotoner (det første diagram i figur 3). Varianter af samme proces: Når en partikel er født i en quark-antikvark kollision eller når dens spin ikke er nul, men to. I denne proces er partikelmassen S falder sammen med positionen for tofoton-toppen.

Fig. 3. De vigtigste muligheder for fremkomsten af ​​en to-foton burst. Graf fra præsentation A. Strumia, 2016. Fortolkning af 750 GeV digamma overskud: en gennemgang

Den anden mulige mulighed er fødsel. endnu tungere moderpartikel Psom så bryder op i et par nye partikler lettere: R og allerede kendt for os S. I denne udførelsesform kommer det to-foton-signal, som detektorer ser, fra S. Hendes partner R det opløses i partikler af mørk materie, som på grund af den usædvanlige svaghed af deres interaktion med almindelige stoffer flyver væk og ikke registreres af detektorerne.

Der er flere eksotiske muligheder, også vist i fig. 3. For eksempel en tung skalær partikel. S det falder ikke ned i fotoner, men ind i nogle helt nye lyspartikler Π, som som et neutralt pi meson kan falde ned i fotoner. Da partiklen Π er lys, flyver fotonerne meget tæt på hinanden fra dets henfald, falder ind i en celle i kalorimeteret og forårsager et svar, som detektoren opfatter som et signal fra en enkelt foton.

Minimal analyse

De enkelte stykker af informationer, der er nævnt ovenfor, tilføjer et nysgerrig billede for at genskabe, som det ikke engang er nødvendigt at ty til specifikke teorier.Lad os forklare dette inden for rammerne af den enkleste mekanisme, der er vist i det første diagram i fig. 3.

Resonanspartiklernes bredde er, som det er kendt, relateret til deres levetid: Jo bredere resonansen er, jo hurtigere falder den, og derfor jo mere det interagerer med andre partikler. I denne situation spiller bredden den vigtigste rolle: hvis toppen er rigtig bred, som det fremgår af ATLAS, så er den nye partikel skal bryde op i noget andet.

For at afklare, hvor denne konklusion kommer fra, lad os tage forfaldets bredde til en bestemt kanal. f og divideres med partikelmassen: xf = Γf /M. Dimensionløst nummer xf karakteriserer hvor stærkt en ny partikel er "forbundet" med et sæt partikler f. Forbindelsen med fotoner og gluoner er nøjagtigt der, og fra størrelsen af ​​det tværsnit, du kan få xGG·xγγ ≈ 6·10−8. Men den store fulde bredde af resonansen (tager gennemsnitsværdien ATLAS Γ = 45 GeV) tyder på, at summen xftil alle Forfaldskanaler bør være ca. 0,06. Dette kan kun ske på tre måder:

  • to-foton bredde er stor, xγγ ≈ 0,06, og to-gluon-en er lille. Med andre ord fødes en partikel meget modvilligt, men så falder den primært i fotoner, og de registreres pålideligt.Det er imidlertid yderst vanskeligt at organisere en så stærk forbindelse af en neutral partikel med fotoner.
  • to-gluon bredden er stor, og to-foton bredden er lille. En partikel er født i store mængder, men sandsynligheden for dens forfald i to fotoner er lille. Dette kan i princippet organiseres, men så skal der være et stærkt henfald af den samme partikel i to gluoner. Et sådant henfald ville være synligt som en resonans i to-jet-begivenheder, men i dataene er et antydning af det ikke synligt. Manglende observation af en top i to-jet-begivenheder pålægger begrænsninger: xGG < 0,0015.
  • Den mest naturlige mulighed: Bortset fra to-foton og to-gluon henfald er der forfald i nogle andre partikler, som vi allerede kender til os, eller nye og usynlige, som partikler af mørkt materiale. Kollapsen er hovedsagelig på dem, men vi ser det stadig ikke, for alt der er træsko baggrunden.

Igen foretager vi en reservation: det er værd at ændre antagelsen om fødemekanismen, som konklusionerne ændrer sig. Desværre er dette stadig uundgåeligt: ​​i mangel af andre eksperimentelle data afhænger tolkning af spidsen stærkt af antagelserne.

Yderligere oplysninger gives ved at sammenligne tværsnittene på 8 og 13 TeV. Tværsnittet bør stige med en stigning i protonenergien, men hvor stærk væksten vil være, afhænger af fødemekanismen (figur 4).Hvis en partikel er født i en kollision af gluoner eller tunge b-kvarker, så σ13 TeV8 teV det skulle vise sig at være omkring 5. Hvis fødemekanismen er gennem lette kvarker eller fotoner, så er gevinsten 2-2,5 gange. Dataene indikerer dog en stærkere kontrast mellem dataene Run 1 og Run 2 – hver 10-15. Hvis der for kollision af gluoner eller tunge kvarker, kan disse tal stadig reduceres til hinanden, jage på statistiske udsving, så for resten af ​​fødemekanismerne er dette et alvorligt argument imod. Dette lukker især den naive antagelse om, at vores resonans kan forklares ved rent fotonproduktion.

Fig. 4. Væksten af ​​tværsnit under overgangen fra 8 til 13 TeV for forskellige fødemekanismer af en partikel med en masse på op til 2 TeV. Horisontale linjer vis hvilken faktor ATLAS og CMS detektorer har brug for for at kompensere for forskellen mellem luminositeterne akkumuleret ved disse to energier. Graf fra præsentation A. Strumia, 2016. Fortolkning af 750 GeV digamma overskud: en gennemgang

Det er dog også nok at ændre antagelsen om fødselsmekanismen – og konklusionerne vil flyde. For eksempel, hvis fødselsprocessen er den samme som i det andet diagram i fig. 3, så vil det med detektorens synsvinkel være ens, men her er forstærkningen af ​​tværsnittet σ13 TeV8 teV kan let springe til tiere og derover, da det afhænger af partiklens masse P. I denne version er der forresten et vigtigt spor. Når der ikke er registreret mørke partikler, skal detektoren se en pludselig ubalance på tværs af pulsen. Eksperimenter rapporterer dog ikke nogen stærk ubalance. Det er muligt at omgå dette problem ved at justere modellen, dog lidt kunstig. Alligevel er undersøgelsen af ​​de kinematiske udbredelser og især søgen efter den tabte tværgående momentum et vigtigt stadium i det fremtidige program for at studere denne top. Foreløbige skøn over hvilke udlodninger, der er værd at se på først, er angivet i den seneste artikel. Karakteriserer 750 GeV diphoton overskuddet.

Beskrivende modeller og deres forudsigelser

Lad os nu krydre historien med et stykke teori og modeller.

I partikelfysik er der to metoder til beskrivelse af en uforståelig virkning. Du kan prøve at finde et sted en ny partikel i specifik, omhyggeligt konstruerede teorier, eller du kan begrænse beskrivende designhvor alle interaktioner er omhyggeligt parametreret, men der er endnu ikke foretaget dybe konklusioner. I det første tilfælde laver vi en "point prick", og hvis heldet smiler på os, kan vi straks snuble over selve teorien, der realiseres i vores verden.I det andet tilfælde handler vi på en bred front, men hidtil har vi ikke modtaget svar på de mest interessante spørgsmål.

Der er allerede hundreder af specifikke modeller, der er i stand til at beskrive en to-foton burst på 750 GeV, og det giver ingen mening at liste dem alle. Derfor vil vi blot nævne nogle muligheder for at illustrere, hvor bredt feltet af muligheder teoretikere for tiden udforsker.

Electroweak naboer

Det første plot begynder med det faktum, at fotonet faktisk ikke er en vilkårlig partikel, men et "produkt" af Higgs-mekanismen. Denne mekanisme blander de originale neutrale partikler i nye kombinationer, som fremstår som en foton, Z-boson og Higgs boson (figur 5). Derfor, hvis en ny partikel "respekterer" den elektrosvage teori og samtidig opdeles i to fotoner, skal den også bryde op i andre partikler: ZZ, Zγ og muligvis WW-par.

Fig. 5. Essensen af ​​Higgs-mekanismen er blanding af de oprindelige partikler i bestemte kombinationer, hvoraf den ene er fotonet. Figur fra quantumdiaries.org

Sandsynlighederne for nedfald i disse partikler er ret berettigede til beregning. Hvis vi antager, at en partikel på 750 GeV klamrer sig til fotonet alene på bekostning af feltet B (lilla bold i fig.5), så falder de til andre kanaler svagt. Der er kun chancer for at lægge mærke til Zy-forfald, og endda med vanskeligheder. Hvis en ny partikel føles alle de elektro-svage felter, så bliver alt meget sjovt. Derefter skal henfaldet til WW-paret være 40 gange mere sandsynligt, og til ZZ – 12 gange mere sandsynligt end for fotoner. Nu er disse nedfald endnu ikke synlige, simpelthen fordi det er sværere at adskille dem fra baggrunden, men detektorerne vil kunne se dem i det kommende år.

Virtuelle partikler i sløjfer

Et andet aspekt af puslespillet er: hvem giver forbindelsen af ​​en neutral partikel med fotoner og gluoner? Det mest naturlige svar er: Loops af opladede virtuelle partikler, der giver stærk interaktion. Den første mistanke falder på de øverste kvarker – men han skal straks afpudses. Hvis de øverste kvarker tilvejebragte et så stærkt bind, ville den nye partikel bryde op direkte i top anti-parret, hundrede tusind gange lettere end i fotoner. Og vi i den øverste kvark fødsel ser ikke sådan en effekt.

Fig. 6. Partikelsløjfer forbinder den nye partikel med fotoner og gluoner.

Det betyder, at nye partikler, for eksempel nye tunge kvarker, burde være ansvarlige for disse sløjfer. Q (Figur 6). Men så er der et andet trick.Samspillet med disse partikler skal være så intenst, at det går ud over den sædvanlige tilgang og beskrives ikke af forstyrrelsesteorien. I dette tilfælde åbner et gennembrud af virkningerne: bundet stater, talrige resonanser og så videre. I almindelighed begynder teorien om dens kompleksitet at ligne de sædvanlige stærke interaktioner – men kun med andre "spillere" og med meget store masser. Og vigtigst af alt, med en sådan udvikling af begivenheder forventes vi at opdage nye partikler og fænomener i de nærmeste år.

Internets resonans

Det tredje plot vedrører det, der er skjult inde i resonansen. Da ATLAS rapporterede, at toppen ser bredt ud, bemærkede mange forskere, at det faktisk ikke længere kan være en, men flere tæt adskilte partikler med en lille bredde. Kun detektoren opdeler dem ikke i separate toppe på grund af sin utilstrækkeligt gode energiløsning. Dette løser straks det ovenfor beskrevne problem med en stærk binding, da hver af disse partikler har en lille bredde, hvilket betyder, at den ikke behøver at interagere med nogen for intensivt. En variant er også mulig, hvor nye partikler bærer en stor elektrisk ladning. Sandsynlighed for forfald af en partikel S to fotoner vokser i forhold til den fjerde kraft af partiklerne, der cirkulerer i sløjfen. På den måde kan du undgå en stærk forbindelse.

Tilstedeværelsen af ​​flere partikler med lignende masser er ikke overraskende. Nye partikler er ofte til stede i modeller i par eller endda hele familier. Ofte har de lignende masser. Dette skyldes, at en parameter af teorien giver deres samlede masseskala, og den anden, svagere, fører til små forskelle. En interessant realisering af denne mulighed inden for rammerne af supersymmetriske modeller blev givet i artikel 750 GeV Diphoton Overskud fra Goldstino Superpartner.

Der er også en hel liste over publikationer, hvor det antages, at den nye partikel er sammensat. I analogi med måden et quark-antiquark-par danner en meson, kan en ny partikel være en bundet tilstand af to tunge partikler. I dette tilfælde er det igen, analogt med enheden af ​​mesoner, helt naturligt at forvente ikke en, men flere stater med tætte masser på én gang. De svarer til det samme par partikler, men kun i forskellige ophidsede tilstande og som følge heraf med forskellige bindingsenergier.

Detaljerne i denne konstruktion afhænger af antagelserne om, hvordan den nye kraft er arrangeret, hvilket binder partiklerne sammen.En af de enkleste muligheder, der er baseret på analogien med charmoniumsystemet, blev diskuteret i artiklen Tilbage til 1974: The Q-onium. I fig. 7 viser et eksempel på, hvordan spektret af dette system kan se ud. I en sådan konstruktion har den letteste tilstand kun et spin nul, og det kan være forbundet med både fotoner og gluoner. Men denne model forudsiger også yderligere resonanser, som kan opdages lidt højere i energi, og ikke kun i to-fotonkanalen.

Fig. 7. Muligt spektrum af bundne tilstande af Q-anti-Q-paret for massen af ​​den nye fermion 420 GeV. Billede fra J. F. Kamenik, M. Redi, 2016. Tilbage til 1974: The Q-onium

Ingen resonans single

Det fjerde plot, som vi kort nævnt ovenfor, er antagelsen om, at vi ser en ikke triviel resonans, som den til venstre i fig. 3, men noget mere kompliceret. Hvis det er et kaskadeaffald af en tungere partikel, som i det andet diagram i fig. 3, fordelingen over den invariant masse af to fotoner vil have formen ikke en top, men kile (Figur 8). I artiklen 750 GeV Diphoton Excess May ikke indebære en 750 GeV resonans, blev denne hypotese analyseret for forskellige henfaldsmuligheder, og med et passende udvalg af parametre faldt modellen helt sammen med dataene.

Fig. 8. En mulig beskrivelse af udbruddet i ATLAS-dataene med et kileformet signal (blå linje) som følge af kaskadeaffaldet af tunge partikler. Billede fra W. S. Cho et al., 2016. 750 GeV Diphoton Overskydende maj indebærer ikke en 750 GeV resonans

Spørgeskema til to-foton resonans

Næste uge skal Large Hadron Collider genoptage datasættet. Ved sommeren vil han akkumulere et nyt parti af statistikker med mindst et tilsvarende beløb. I august, på den internationale konference ICHEP 2016, vil der blive annonceret nye resultater vedrørende en to-foton bølge. Og det er muligt, at selv fysik af elementære partikler ville hoppe brat fra scenen for søgen efter New Physics til scenen for sin forskning.

I forventning til disse potentielt revolutionerende data formulerede fysikere en liste over spørgsmål til to-fotonresonansen, hvorfra den teoretiske forklaring er afgørende.

  • Hvad er resonansens bredde og profil? Er der to eller flere tæt adskilte toppe?
  • Hvordan afhænger fødsels tværsnittet af energi? Hvad er mekanismen for partikelfødsel? Er der en tværgående impulsbalance i disse hændelser?
  • Hvad er spin i denne partikel lig med nul eller to?
  • Hvad viser alle de andre kanaler (WW, ZZ, Zγ, HH, kvarker, leptoner) i dette massespektrum?
  • Er der andre processer med deltagelse af en ny partikel, såsom et par fødsel eller medfødt med en anden? For eksempelDigamma artiklen for nogle dage siden, hvad næste? viser på baggrund af en detaljeret analyse, at det er i sådanne processer, at arten af ​​den nye partikel bedst forstås.

Ud over "forhørelsen" af fysikens to-fotonstopp vil de selvfølgelig lede efter andre nye partikler med en tiendedel af nidkærhed. Teoretikernes første masseangreb viser, at de mest naturlige er de modeller, hvor der i belastningen til toppen ved 750 GeV er en anden – opladet, stærkt interagerende, men måske ret tungt. Enhver antydning af yderligere partikler kan omformulere dossieret for en ny partikel i løbet af få dage.

Nå er forskningsprogrammet generelt klart. Vi kan kun vente på august-resultaterne.

kilder:
1) Roberto Franceschini et al. Hvad er gamma gamma resonans ved 750 GeV? // e-print arXiv: 1512.04933 [hep-ph].
2) Alessandro Strumia. Fortolkning af 750 GeV digamma overskydende: en anmeldelse // rapport på Moriond-2016 konferencen med et overblik over de teoretiske muligheder.

Se også:
1) En liste over alle publikationer på en to-foton peak på 750 GeV.
2) Diphotons: Moriond Update, analyser data på PhysicsMatt bloggen.

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

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