Горизонты научного поиска

Двадцать лет с димюонами

23-24 июня в Доме международных совещаний прошло Международное научное совещание, посвященное 20-летию участия ОИЯИ в программе "Физика с димюонами" в эксперименте CMS на LHC, организованное Объединенным институтом ядерных исследований. Обсуждались такие темы, как новая физика, проверка Стандартной модели, физика будущего за пределами досягаемости Большого адронного коллайдера.

Участники представляли доклады о работе коллаборации CMS на Большом адронном коллайдере, о поисках на LHC темной материи, об изучении открытого в 2012 году в ЦЕРН бозона Хиггса. Эта тема настолько актуальна, что 10-летию открытия бозона Хиггса была посвящена отдельная сессия в рамках мероприятия.

Что дала фундаментальной науке эта частица с точки зрения Стандартной модели элементарных частиц? Рассказывают участники совещания.

Директор ЛТФ ОИЯИ член-корреспондент РАН Дмитрий Казаков: "Бозон Хиггса - это не просто новая частица, но и очень важный краеугольный камень в основании Стандартной модели. Все прошедшие 10 лет шло очень интенсивное изучение свойств этого бозона, и подтвердилось, что это действительно та частица, которая необходима для реализации механизма генерации масс элементарных частиц. Оказалось, что мы открыли частицу, которая выполняла именно те функции, которые требуются для Стандартной модели. В этом смысле ее роль очень велика, и сразу отпали альтернативные варианты, которые обсуждались. Вариант, который реализовался, был самым простым, но элегантным - потому что простая схема, которая работает, подтверждает красоту науки.

Поначалу, 10 лет назад, говорили, что это частица, похожая на бозон Хиггса, и важно было изучить ее свойства, - рассказал Дмитрий Казаков. - Необходимо было не только узнать, чему равняется масса, но и изучить квантовые числа частицы, установить ее четность, моды распада, чтобы они в точности соответствовали тому, что предсказывают; нужно было выяснить, как соотносится масса элементарных частиц и константа взаимодействия с бозоном Хиггса. "Все это было изучено и получено для различных частиц, сначала для более тяжелых, потом для более легких, - продолжил спикер, - этот процесс продолжался все 10 лет. Теперь мы знаем про эту частицу гораздо больше, чем про другие, потому что внимание к ней было пристальным.

Могут быть явления, выходящие за рамки той минимальной схемы, которая была получена, поэтому параллельно с изучением частицы шли поиски аналогичных других частиц, но они не были обнаружены. Теория допускает существование не одного, а многих хиггсовских бозонов, но пока никаких других таких частиц не найдено, и это одно из направлений нового поиска. Думаю, если бы таких частиц было больше, это обогатило бы так называемый хиггсовский сектор. Во всяком случае, это остается одним из самых актуальных направлений исследований в физике Стандартной модели и за ее пределами".

Заместитель руководителя отделения физики высоких энергий НИЦ КИ - ПИЯФ доктор физико-математических наук Виктор Ким: "Нас окружает вакуум, он обладает квантовыми свойствами. Один из квантов этого вакуума - это бозон Хиггса, который стал известен тем, что это очень необычная частица. Она дает массу всем известным сейчас частицам. Впервые в фундаментальной физике была открыта новая частица, представляющая вакуум, которая ни на что не похожа. Свойства этой частицы еще требуют уточнения в том, насколько она связана с другими, как уже открытыми, так и еще не известными частицами.

Стандартная модель элементарных частиц и их взаимодействий в самом простом своем варианте использует только один вид бозона Хиггса, но их может быть несколько. Более того, в теории нет никаких ограничений на количество видов хиггсовских бозонов. И, изучая свойства этой частицы, можно понять новую физику, новый, не известный человечеству мир.

Почему все это важно? Потому что мы до сих пор не знаем, из чего состоит Вселенная. Та видимая материя, которую мы наблюдаем и которая описывается Стандартной моделью, составляет всего лишь 5 процентов от массы и энергии наблюдаемой Вселенной. Указание на это не прямое - мы заключаем это из гравитационного баланса. Прямое же указание - эти новые частицы и взаимодействия, которые мы пытаемся найти, и, возможно, бозон Хиггса нам в этом поможет.

Коллайдеры позволяют получить ранее не известные частицы, в том числе те, которые были недостижимы по энергии для образования в лабораторных условиях, но, возможно, существовали в первые мгновения существования Вселенной. Физика микро- и макромира связана, таким образом, через теорию Большого взрыва, которая говорит о том, что в первые мгновения существования Вселенной были элементарные частицы, еще более элементарные, чем те, которые мы сейчас знаем.

Поэтому существующая сейчас теория называется Стандартной моделью, а не теорией, так как мы знаем, что она временная, что есть еще более глубокая. Стандартная модель содержит слишком много параметров и, более того, туда не входит один из видов взаимодействия - гравитация, которая как бы существует отдельно. Более того, мы думаем, что должны быть новые взаимодействия, не описываемые Стандартной моделью. А может быть, как предполагают теоретики, есть дополнительные размерности пространства-времени и другая, интересная новая физика. Поэтому исследования не прекращаются. LHC скоро вступит в новую фазу, когда значительно увеличится его интенсивность, и в то же время идут уже разработки новых ускорителей, потому что новые технологии позволяют нам достичь новых энергий, новая электроника позволяет нам достичь лучших точностей и т.д. Современное состояние физики говорит о том, что самым актуальным сейчас являются поиски этих более фундаментальных взаимодействий и частиц. Картина мира, которая сейчас есть, очевидно, неполна".

Ведущий научный сотрудник ЛФВЭ кандидат физико-математических наук Мария Савина выступила на конференции с докладом, посвященным поискам темной материи на LHC: "Возникновение всех масс наблюдаемых известных нам частиц во Вселенной связано с хиггсовским бозоном. Поэтому, если мы ищем какие-то другие массы, в частности темную материю, мы можем рассматривать бозон Хиггса как концепцию, которая поможет нам пролить свет и на этот вопрос, а это очень важно и нужно, потому что темной материи в пять раз больше, чем обычной, и мы ничего о ней не знаем. Соответственно, мы стартуем с того, что бозон Хиггса связан взаимодействием со всеми обычными частицами, с видимым сектором, и далее предполагаем, что темная материя тоже может быть связана с бозоном Хиггса. Это всего лишь гипотеза, но она достаточно обоснована особой ролью хиггсовского сектора, ответственного за возникновение массы.

Масса темной материи необязательно приобретается за счет того бозона Хиггса, который уже наблюдается и изучается на Большом адронном коллайдере. Конкретно за темную материю могут отвечать другие, дополнительные хиггсовские бозоны, которые взаимодействуют с нашей материей лишь опосредованно, через связь с нашим бозоном Хиггса, а он, таким образом, является неким "мостом", связывающим темный и видимый сектора. В таком случае это называется "хиггсовский портал в темную материю". Если такая концепция имеет место быть, то бозон Хиггса может помочь исследователям открыть частицы темной материи.

В рамках такого же квантово-полевого формализма, который используется для построения Стандартной модели и ее расширений, можно построить теорию, или модель, которая описывает взаимодействие частиц темной материи и бозона Хиггса. Любая хорошо построенная модель позволяет нам предсказать все возможные процессы с элементарными частицами, протекающие по принятым в этой модели правилам, и получить количественные характеристики, в частности вероятности этих процессов в процентных долях. А после этого мы можем изучить на Большом адронном коллайдере процессы, происходящие с участием бозона Хиггса, и посмотреть, нет ли среди них таких, которые отличаются от перечисленного в Стандартной модели разрешенного списка возможностей и которые, может быть, отвечают взаимодействию с частицами темной материи.

Теперь далее, как мы вообще понимаем, что в действительности произошло на LHC, как мы все это ищем, как происходит изучение свойств какой-то частицы? Мы изучаем экспериментальные сигнатуры, то есть сигналы в детекторных системах, связанные с рождением частиц определенного типа. И мы имеем отлично разработанные техники, методики реконструкции, которые позволяют нам достоверно утверждать, что, допустим, вот этот сигнал действительно отвечает рождению вот этой пары частиц, а другой зарегистрированный сигнал, соответственно, рождению какой-то другой конечной конфигурации частиц. А из этого по тому, что мы зарегистрировали в конце, то есть после взаимодействия, мы можем восстановить то, что было в начале. Конечно, мы можем это сделать только в том случае, когда у нас есть теория или модель, которая позволяет количественно просчитать все возможные процессы. И, как уже говорилось, такую модель надо себе задать - придумать, создать и потом проверять, сравнивая ее предсказания с предсказаниями Стандартной модели. В нашем случае это - предсказания для разных вариантов распада бозона Хиггса на разные конечные частицы.

Таким образом, изучая разные определенные конечные сигнатуры, мы фиксируем ситуации, когда бозон Хиггса распался на те или иные частицы, то есть фиксируем факты его распада по разным каналам. Дальше по тому, какое количество этих событий происходит, и учитывая параметры ускорителя, вы можете это пересчитать количественно, в долях распадов по каждому каналу в таких же терминах, в которых это дает теория. А потом вы можете сравнить, насколько полученные числа совпадают с тем, что предсказывает Стандартная модель. Бозон Хиггса нестабилен и обязательно распадается за очень короткое время, неизбежность события его распада отвечает вероятности распада в 100%. Но эти 100%, или же полная вероятность распада, складываются из определенных процентных долей, отвечающих разным вероятностям распада бозона Хиггса по разным каналам. Одни распады более вероятные, другие менее, третьи - совсем маловероятные, то есть очень редкие. Но их полная сумма все равно должна быть 100%.

Где здесь окно в новую физику? Когда бозон Хиггса только открыли, его открыли всего по трем каналам распада, которые были доступны на 2012 год. Тогда бозонов Хиггса было всего несколько десятков. Сейчас бозонов Хиггса образуется много, статистика по ним значительно лучше, и мы можем гораздо более точно посчитать эти проценты - в каком случае на что он распадается из всего разрешенного Стандартной моделью списка. И современной точности, в принципе, хватает для того, чтобы все эти каналы сосчитать и обнаружить, что в сумме они не составляют 100%. То есть остается некоторое окошко для неизученных и незарегистрированных каналов распада, которое, как мы предполагаем, все-таки еще оставляет нам возможность для поиска новой физики. В частности, сейчас, по сравнению с предыдущей конференцией, у нас появилась новость о том, что доступное окно для таких каналов сузилось до менее чем 17%. То есть все еще остается около 17% вероятности того, что бозон Хиггса распадается нестандартно, но мы не можем зарегистрировать такие распады, они, условно говоря, остаются "невидимыми" для нас. Необязательно это только частицы темной материи, это могут быть иные возможные сценарии новой физики, которые тоже меняют картину распадов.

Также надо сказать, что совсем необязательно эта цифра - реальный признак того, что есть какие-то новые свойства, это вполне может быть просто недостаточная современная точность измерений. Она все время улучшается, соответственно, процентная доля возможных новых каналов распада систематически уменьшается, примерно с 30% в самом начале изучения свойств хиггсовского бозона в период Run 1 до указанной современной цифры. Может быть, она и дальше будет уменьшаться, вплоть до полного исчезновения, тогда мы останемся с бозоном Хиггса с абсолютно стандартными свойствами - посмотрим. В любом случае точное изучение свойств бозона Хиггса позволит нам заключить, связан ли он с частицами темной материи или нет. Сначала мы были счастливы просто потому, что открыли бозон Хиггса. Далее мы долго изучали его свойства, и теперь у нас более претенциозные задачи - мы уже считаем, что можем использовать бозон Хиггса как инструмент для поиска новой физики.

Ученые предполагают, что новая физика устроена более сложно, чем Стандартная модель, а более сложные теории часто дают несколько разных скалярных бозонов Хиггса. Поэтому прицельное изучение хиггсовского сектора имеет огромную важность не только с точки зрения поиска частиц темной материи, но и с точки зрения проверки многих других теоретических концепций новой физики. Соответственно, еще одно важнейшее направление исследований - поиск на LHC других бозонов Хиггса, выяснение, какие у них массы и другие квантовые числа (четность, заряд). Теоретически все бозоны Хиггса устроены так, что у них есть не только взаимодействие с частицами другого типа - фермионами, векторными бозонами, - но и друг с другом, включая самодействие (взаимодействие скалярного бозона с самим собой); подобные взаимодействия описываются хиггсовским потенциалом. Поэтому мы можем пытаться проверить свойства этого потенциала, имеющего наиболее простой вид в случае Стандартной модели и устроенного гораздо более сложно для расширенного хиггсовского сектора. Мы можем искать новые бозоны Хиггса по их взаимодействию с уже известным, с тем, у которого масса 125 ГэВ и изученные квантовые числа, которые мы 10 лет наблюдаем на Большом адронном коллайдере. В частности, если предполагаемые новые бозоны Хиггса более легкие, чем наш, то он может распасться на них. А если наоборот - те являются более тяжелыми, то можно ожидать, что новый тяжелый скаляр распадается на один или два наших бозона Хиггса. Это все можно пытаться искать и изучать. И также, по процессам, отвечающим самодействию известного бозона Хиггса с самим собой - так называемые тройные и четверные вершины хиггсовского взаимодействия в Стандартной модели, - можно пытаться выделять нестандартные добавки, которые непременно будут в случае наличия других хиггсовских бозонов, через петлевые поправки к таким вершинам. То есть очень важно продолжать точно изучать свойства наблюдаемого бозона. Эта задача будет решаться и в ходе Run 3, и позже, в режиме повышенной светимости Большого адронного коллайдера.

Перед началом Run 3 практически завершены все анализы предыдущего Run 2, и к серии традиционных "больших летних" международных конференций по физике частиц мы ожидаем представления новых данных. К сожалению, мы пока ничего не нашли, никаких сигналов от новой физики, но, тем не менее, вскоре границы возможных значений масс и других параметров новых частиц будут в очередной раз подвинуты. Когда мы ищем частицу и не видим ее, мы интерпретируем полученные экспериментальные результаты в терминах ограничений на допустимые значения ее параметров. Таким образом, со временем мы закрываем все большие и большие области этих пространств параметров для разных частиц и разных новых теорий, но все равно все еще остается очень большое окно возможностей. Поэтому пока для нас это планомерное движение по сужению этого окна возможностей.

Сопредседатель оргкомитета совещания, руководитель физической программы CMS в ОИЯИ, начальник сектора новой физики на CMS ЛФВЭ доктор физико-математических наук Сергей Шматов: "Наше совещание посвящено 20-летию программы исследования на CMS с парой мюонов. За это время у нас был проведен большой объем работ, во время которых с помощью этой пары мюонов мы искали пресловутые сигналы новой физики. Мы проверяли, работает ли Стандартная модель, как она должна работать в новой области энергий, и второе - есть ли новая физика. Мы искали, существуют ли новые частицы, типа новых калибровочных бозонов и многомерных гравитонов, а также искали с помощью комплементарных каналов микроскопические черные дыры, однако не нашли их. После двух этапов работы коллайдера (Run 1 и Run 2) мы подошли к такой ситуации, когда на LHC был достигнут пик энергии. Сейчас Большой адронный коллайдер работает на проектной пиковой энергии, на максимуме возможностей. Какие бы сложные экспериментальные сигнатуры мы ни изобретали и как бы ни продвигались в техниках реконструкции, чтобы иметь возможность такие сигналы изучать, все равно у нас есть кинематический предел, связанный с тем, что энергия LHC равна 14 ТэВ.

Дальше в рамках эксперимента есть возможность получать больше данных, но невозможно будет увеличивать энергию. В то же время энергия для этих исследований более критична, чем статистика. Таким образом, в наших классических исследованиях с парой мюонов мы приходим к определенному логическому тупику. Увеличение статистики на порядок приводит лишь к небольшим сдвижкам в пространстве модельных параметров - с каждым годом область неизвестного нам закрывать все сложнее и сложнее. Поэтому мы пришли к тому, чтобы использовать дополнительные каналы: смотреть пару мюонов плюс что-то. Допустим, пару мюонов плюс два b-кварка или какую-то долю потерянной энергии и так далее. Усложнения этих каналов позволяют нам добавлять новые физические направления: допустим, смотреть сигналы от потенциального кандидата в темную материю с помощью этого сигнала. Таким образом, исследования, в которых участвует ОИЯИ, постепенно идут от простых, очевидных сигналов к более сложным, добавляя все более сложные теоретические концепции, которые мы можем исследовать экспериментально".

www.jinr.ru