Физики потеряли загадочный двухфотонный пик в БАКе

Физики из ATLAS и CMS — двух больших экспериментов Большого адронного коллайдера (БАК) — рассказали об анализе данных протонных столкновений 2016 года. Главным событием стала пропажа из данных пика, который мог соответствовать новой, ранее не предсказанной современной физикой частице. Как сообщает CERN, доклад представителей экспериментов состоялся на международной конференции по физике высоких энергий в Чикаго.

Учёные исследовали последствия столкновений протонов, разогнанных до околосветовых скоростей в крупнейшем ускорителе мира — БАКе. Начиная с июня 2015 года энергия этих столкновений достигла рекордных значений, 13 тераэлектронвольт. Среди всевозможных "осколков", вылетающих из места столкновения частиц, физики отлавливали только пары фотонов. С помощью огромных детекторов учёные определяли суммарную энергию этих квантов света, после чего собирали статистику: пары фотонов с какими энергиями появлялись чаще остальных.

В декабре 2015 года физики рассказали о первом этапе сбора статистики. ATLAS и CMS одновременно увидели, что пары фотонов с энергией около 750 гигаэлектронвольт (в 17 раз меньше, чем суммарная энергия протонов) рождались несколько чаще, чем остальные. Это могло указывать на то, что сразу после столкновения с некоторой частотой рождалась частица с энергией, равной энергии фотонов. Но, как сразу заметили физики, Стандартная модель — общепринятая теория, описывающая микромир и взаимодействия в нём — не предсказывает таких массивных частиц. Новый объект должен был оказаться по меньшей мере в шесть раз массивнее бозона Хиггса и в 4,3 раза массивнее рекордсмена элементарных частиц — топ-кварка.

Как отметили тогда представители CERN, значимость этого пика в статистике двухфотонных событий ещё не слишком велика. Его отличие от локального фона — фотонов, рождающихся в столкновениях напрямую, без образования промежуточных частиц, — составляло около 2,6—3,6 стандартного отклонения (сигма). Для того чтобы заявить об открытии в физике высоких энергий, требуется отличие по меньшей мере в пять сигма. Увеличить значимость можно только сбором дополнительной статистики.

Тем не менее сразу после объявления физики-теоретики начали искать способ объяснить природу новой частицы. Учёные предполагали, что новая частица может оказаться более тяжёлым аналогом бозона Хиггса или гравитоном — квантом гравитационного поля, до сих пор не обнаруженном. Суммарно с момента публикации результатов теоретики написали около пяти сотен статей, посвящённых пику при 750 гигаэлектронвольтах.

Позднее, в марте 2016 года, ATLAS и CMS сделали новое заявление. В статистику учёные включили данные, собранные за время работы коллайдера на меньших энергиях протонов. По данным CMS, локальная статистическая значимость таинственного пика выросла с 2,9 сигма до 3,6. Учёные объявили, что до конца лета наберут достаточно статистики, чтобы подтвердить или опровергнуть всплеск в данных.

Важно заметить, что скорость сбора статистики в Большом адронном коллайдере постоянно увеличивалась. К началу конференции ATLAS и CMS собрали дополнительно в три раза больше данных, чем у коллабораций было в декабре.

Первыми на конференции в Чикаго выступили представители ATLAS. По результатам анализа сотен триллионов новых столкновений оказалось, что пик практически исчез. В сочетании со старыми данными это сильно понизило статистическую значимость пика. Новые данные CMS повлияли на пик ещё сильнее: в новой статистике на месте фотонных пар с энергией 750 гигаэлектронвольт оказалось снижение количества частиц по сравнению с фоном.

Как затем рассказали на онлайн-пресс-конференции представители коллабораций, эти результаты не позволяют со стопроцентной вероятностью исключить существование такой частицы. Но с практической точки зрения вопрос существования пика при 750 ГэВ можно считать закрытым.

Большой адронный коллайдер — крупнейший в мире ускоритель, расположенный на территории Швейцарии и Франции. Он представляет собой комплекс научного оборудования, в сердце которого находится кольцо протяжённостью 27 километров. Именно в нём и происходит ускорение элементарных частиц с помощью сверхпроводящих магнитов. Он был создан при участии более 10 тысяч учёных и инженеров из более чем 100 стран.