05.12.2016

Загадочный двухфотонный пик при массе 750 ГэВ, зарегистрированный Большим адронным коллайдером год назад, взбудоражил научное сообщество и породил надежду, что новая физика на БАК, наконец, будет открыта. Учёными было написано более ста теоретических статей, объясняющих этот пик. Но надежды не оправдались: накопив новые экспериментальные данные, физики не увидели в них никаких подтверждений существования двухфотонного пика и пришли к выводу, что эта была всего лишь игра статистики. Некоторая надежда на обнаружение новой физики всё равно остается, так как аномалия в одном из редких каналов рождения бозона Хиггса не исчезла.

Стандартная модель элементарных частиц — исключительно успешная теория. Несмотря на потраченные усилия, на Большом адронном коллайдере пока не обнаружено никаких отклонений от предсказаний стандартной модели. Модель содержит сравнительно небольшое количество феноменологических параметров (массы частиц, параметры матрицы Кабиббо-Кобаяши-Маскавы и т. д. — всего девятнадцать параметров), а объясняет огромное количество разнообразных экспериментальных данных. Некоторые её предсказания, такие как аномальные магнитные моменты электрона и мюона, экспериментально проверены с умопомрачительной точностью. Например, для электрона согласие между теоретическими предсказаниями и экспериментальным результатом составляет 11 знаков после запятой. Несмотря на это, никто из физиков не сомневается, что стандартная модель — неполная теория, которая представляет собой низкоэнергетическое приближение чего-то более фундаментального. На основе чего делается такой вывод?

Во-первых, девятнадцать феноменологических параметров — это всё-таки много. Более фундаментальная теория должна объяснить, а не постулировать значения этих параметров. Например, Стандартная модель содержит три константы взаимодействий, связанных с группами калибровочных симметрий SU(3), SU(2) и U(1). Из-за квантовых поправок эти константы на самом деле вовсе не константы, а их значения зависят от шкалы энергии (или, другими словами, от масштаба расстояния), при которой мы их измеряем.

Было замечено, что с ростом энергии (с уменьшением расстояния) эти константы, которые очень разные при низких энергиях, сближаются. Таким образом, возникла теория Великого объединения — группа симметрии Стандартной модели на самом деле является остатком от более высокой симметрии с одной единственной константой взаимодействия.

Такое поведение констант взаимодействий можно объяснить следующим образом. Электрон может излучать виртуальные фотоны, которые в свою очередь могут превращаться в пары противоположно заряженных частиц. Происходит поляризация вакуума, так как положительно заряженные виртуальные частицы располагаются преимущественно ближе к электрону из-за кулоновского притяжение между противоположно заряженными частицами. Как следствие, заряд электрона экранируется, и величина измеренного заряда будет зависеть от расстояния между пробной частицей и электроном. Чем ближе мы подходим к электрону, тем слабее эффект экранировки и тем полнее мы ощущаем его заряд. Поэтому с уменьшением расстояния величина наблюдаемого заряда растет, и, следовательно, константа электромагнитного взаимодействия увеличивается.


Разумеется, такой же эффект имеет место и для цветового заряда кварка. Но переносчик сильного взаимодействия, глюон, в отличие от фотона, сам имеет цветовой заряд. В результате облако виртуальных глюонов вокруг кварка размазывает его цветовой заряд и происходит антиэкранировка: чем дальше мы от кварка, тем полнее мы видим его цветовой заряд. Детальные расчеты показывают, что в стандартной модели эффект антиэкранировки побеждает над эффектом экранировки цветового заряда. Поэтому при уменьшении расстояния между цветными кварками величина взаимодействия уменьшается. Это явление называется асимптотической свободой: с уменьшением расстояния константа сильного взаимодействия уменьшается.


При более пристальном рассмотрении выяснилось, что константы взаимодействий Стандартной модели всё-таки не встречаются в одной точке (см. левый рисунок ниже). Только суперсимметричное расширение Стандартной модели обеспечивает объединение всех трёх взаимодействий стандартной модели в одно при энергии 1016ГэВ (правый рисунок).


Суперсимметричное расширение Стандартной модели нужно и для другой цели. Энергетическая шкала стандартной модели — 100 ГэВ, что много меньшей шкалы Великого объединения 1016 ГэВ и тем более меньше Планковской шкалы 1019ГэВ, на которой начинают проявляться эффекты квантовой гравитации.

Нужна очень тонкая настройка параметров стандартной модели, чтобы квантовые поправки не разрушили эту иерархию масштабов. Например, некоторые квантовые поправки к массе Хиггса расходятся квадратично. Процедура перенормировки эту расходимость «заметает под ковёр», но конечная перенормировка массы Хиггса все равно остаётся, и, чтобы она была маленькая, а не уводила массу Хиггса до Планковского масштаба, нужна тонкая настройка (порядка 10-30) параметров теории.

Другими словами, масса Хиггса в Стандартной модели, если предполагать, что нет никакой новой физики до Планковского масштаба или до масштаба Великого объединения, нестабильна по отношению к квантовым поправкам. Как отмечает Натан Зайберг, если вы видите такую композицию из камней, то вы можете заподозрить, что камни чем-то связаны с друг с другом, что есть какой-то скрытый от глаз стабилизирующий механизм, так как сама по себе в природе такая конструкция возникнуть не может — она нестабильна.


Суперсимметрия, если её энергетическая шкала находится в районе достижимости Большого адронного коллайдера, может сыграть роль такого стабилизирующего механизма для Стандартной модели. Но проблема в том, что БАК пока не видит никаких проявлений суперсимметрии или какой-нибудь другой новой физики. Все аномалии, которые до сих пор наблюдались на БАК, оказывались игрой статистики и со временем «рассасывались». Но есть одна аномалия, которая пока что не исчезла.

Речь идет об аномально высокой вероятности рождения бозона Хиггса вместе с парой t-кварка и анти-t-кварка. Вот так выглядит в детекторе ATLAS рождение tt¯H промежуточного состояния с последующим распадом всех рожденных частиц:


Для несведущего человека совершенно непонятно, как физики извлекают полезную информацию из такой «каши» зарегистрированных вторичных частиц. Но для специалистов соответствующие процедуры давно известны и много раз успешно опробованы. Пока что все результаты экспериментов на Большом адронном коллайдере согласуются с предсказаниями стандартной модели, но в канале еще при прошлом сеансе экспериментов физики с удивлением обнаружили превышение над предсказанием стандартной модели. В частности, подразумевая, что вероятности распадов Хиггса в различные конечные состояния такие, как предсказывает Стандартная модель, превышение наблюдаемой вероятности рождения tt¯H над предсказанием стандартной модели составила


Обе коллаборации ATLAS и CMS видели это превышение, и приведённое значение — их комбинированный результат. Было решено не привлекать внимание публики к этой аномалии, так как выделение сигнала tt¯H довольно сложная процедура — t-кварки при таких энергиях обильно рождаются и через другие процессы, и у исследователей не было уверенности, что маленький сигнал правильно выделен из этого фона. Физики решили не рисковать репутацией и подождать новых экспериментальных данных для подтверждения истинности аномалии.

Новый экспериментальный сезон проходил при более высокой энергии коллайдера LHC (13 ТэВ в системе центра масс). При переходе с 8 на 13 ТэВ сечение рождения tt¯H возрастает почти в четыре раза, поэтому экспериментальная статистика о данном процессе увеличивается быстрее. В начале августа на конференции ICHEP-2016 обе коллаборации представили новые результаты по рождению Хиггса в канале tt¯H, и стало очевидно, что аномалия не исчезла. Ниже приведен результат детектора ATLAS.


Первые три строки соответствуют разным каналам распада бозона Хиггса, четвёртая строка показывает комбинированный результат 2016 года, последняя строка — результат ATLAS из прошлого экспериментального сезона. Как видно, ATLAS примерно воспроизвел свой старый результат.

Детектор CMS тоже видит tt¯H аномалию примерно на том же уровне. Наивно комбинируя результаты обоих экспериментальных сезонов, мы получим впечатляющий результат.


Но не надо спешить с заявлением об открытии. Систематические ошибки пока в значительной степени неизвестны и приведённую комбинированную ошибку не надо воспринимать слишком буквально. Предстоит еще многое сделать, чтобы достоверно установить существование этой аномалии или опровергнут её.

Почему это важно? В стандартной модели сечение рождения tt¯H определяется юкавской константой связи между бозоном Хиггса и t-кварком. Например, одна из диаграмм Фейнмана этого процесса выглядит так:


В Стандартной модели эта константа связи известна с хорошей точностью, так как она определяет значение массы t-кварка. Если аномальное значение сечения рождения tt¯H подтвердится, это будет означать, что эффективное значение юкавской константой связи между бозоном Хиггса и t-кварком примерно на 40 % выше, чем в Стандартной модели. Новая физика вне рамок Стандартной модели, например, более сложный сектор хиггсовских бозонов, теоретически, конечно, может привести к такому увеличению эффективной константы связи, но это очень маловероятно, так как эта же константа контролирует основный канал рождения Хиггса на LHC — слияние глюонов:


На Большом адронном коллайдере этот процесс измерен и его сечение полностью согласуется с предсказанием Стандартной модели. Поэтому, скорее всего, наблюдаемая tt¯H аномалия — это игра статистики или результат пока неизвестных систематических ошибок.

Зураб Силагадзе

Последняя редакция: 07.12.2016 20:35