Pateikti pirmieji rimti LHC duomenys apie Higso bosono paiešką. • Igoris Ivanovas. • Mokslo naujienos apie elementus. • LHC, CMS detektorius, Higso Bosonas, ATLAS detektorius.

Pateikti pirmieji rimti LHC Higso bosono paieškos duomenys.

Pav. 1. ATLAS jutiklių jautrumo kreivės (viršuje) ir CMS (žemyn žemyn) į Higso bosoną rinkdamas statistiką 1 fb-1. Grafikoje rodomos aukščiau esančios Higso bosono gamybos skerspjūvio ribos, nustatytos šiuose eksperimentuose, priklausomai nuo bosono masės. Sritys kur kieta juoda linija su taškais eina žemiau, yra laikomi uždarais 95% pasikliovimo lygiu (rodomos šių sričių ribos rodyklės). Žalios ir geltonos juostelės parodykite sritį, kurioje, kaip ir tikėjotės, turėtų būti šios linijos. Tos sritys, kuriose juodoji linija tęsiasi už juostų ribų, turi tam tikrų neatitikimų, kurių dar reikia išspręsti. Vaizdai iš pranešimų konferencijoje EPS-HEP 2011

Higso bosono paieškos rezultatai Didžiojo Hadrono Collider'yje statistikoje virš 1 fb buvo pristatyti EPS-HEP 2011 konferencijoje-1. ATLAS ir CMS detektorių rezultatai žymiai pagerina "Tevatron" pasiekimus. Higso bosonas jau uždarytas labai plačiame masių spektre, bet 130-150 GeV regione pastebimas nuokrypis, kuris pradeda panaši į Higso bosoną.

Šioje konferencijoje EPS-HEP 2011, pagrindinis šių metų dalelių fizikos įvykis,Liepos 22 d. Buvo pateikti Higso bosono paieškos rezultatai Didžiojo Hadrono Collider'e, gauto apdorojus integruotą šviesumą virš 1 fb.-1. Ši statistika yra apie 30 kartų didesnė nei 2010 m. LHC sukaupta statistika. Nenuostabu, kad nauji preliminarūs rezultatai ne tik žymiai pagerins pirmųjų Higso bosono paieškos rezultatus LHC, bet ir žymiai nutraukia amerikiečių koliažo "Tevatron" ilgalaikio darbo laimėjimus.

Šioje naujienoje jums pirmiausia bus pasakyta apie tai, ką paprastai reiškia "ieškoti Higso bosono", esančiame koliažejuje, ir tada duomenys, pateikti konferencijoje ir parodytos fig. 1.

Kaip ieškote Higso bosono: trumpos švietimo programos

Higso bozonas yra labai nestabili dalelė. Prieš pasiekiant detektorių, jis iš karto pasibaigs po gimdymo. Todėl eksperimentuose registruojamos dalelės – Higso bosono skilimo produktai – iš jų jau yra atkuriamas įvykių vaizdas.

Higso bosonas gali suskaidyti į labai skirtingas dukterines daleles, pavyzdžiui, į du fotonus, į kvarko-antikvarko poras arba į sunkių boksų poras W+W arba ZZ, kuris, savo ruožtu, taip pat greitai suskaidomas į lengvesnes daleles. Teorininkai aiškiai prognozuoja, koks santykinis intensyvumas yra visų šių standartinio modelio Higso bosono sugėrimų. Kiekvieno atvejo kokia griozė įvyks, teorija negalės prognozuoti (tai yra pagrindinis kvantinio pasaulio neapibrėžtumas), tačiau galima prognozuoti vidutinį tikimybės iš šių žlugimų su daugybe panašių įvykių. Eksperimentuotojai remiasi šiomis prognozėmis, rengdami strategijas ieškoti Higso bosono didelių statistinių duomenų apie protonų susidūrimų rezultatus.

Deja, standartinis modelis nesuteikia aiškios prognozės dėl Higso bosono masės. Tik neigiami ankstesnių greitintuvų paieškų rezultatai ir remiantis netiesioginiais teoriniais argumentais galima teigti, kad bosono masė turi būti kažkur tarp 114 GeV (elektronų-positronų koliažierių LEP apribojimo) ir kelių šimtų GeV (neseniai Tevatron taip pat uždarė mažą masės zoną netoli 160 GeV). Iš anksto nėra žinoma, kur yra šis intervalas.Daugelis fizikų linkę manyti, kad labiausiai tikėtinas plotas bus 115-150 GeV, bet eksperimentai ieškos Higso bosono labai plačiame masės spektre (paprastai 100-600 GeV) tik tuo atveju.

Higso bosono masės vertė yra labai svarbus parametras, nes nuo jos kardinaliai priklauso nuo gimimo tikimybės ir pageidaujamo Higso bozono skilimo būdo, taigi ir paieškos Bosonų paieškos strategija (žr. Išsamią informaciją apie Higso bosono gimimą ir nusidėvėjimą). Kai eksperimentai praneša apie Higso bosono paieškos rezultatus, jie ne tik praneša, ar jie mato bozoną, bet ir atsako iš karto visiems bosono mases. Kitaip tariant, paieškos rezultatai pateikiami kaip jautrumo grafika šis eksperimentas, priklausomai nuo bosono masės.

Kaip jaučiasi Higso bosonas

Tas pats galutinis dalelių rinkinys gali gimti tiesiogiai arba per tarpinį gamybą ir Higso bosono skilimą. Tuo pačiu metu neįmanoma pasakyti, koks procesas vyko kiekvienu konkrečiu susidūrimu – tai taip pat yra būdingas kvantinio pasaulio turtas. Todėl Higso bosono ("signalo") apraišką reikia atskirti nuo "fono" – visų kitų procesų, dėl kurių susidaro tos pačios dalelės, aplenkiant Higso bosoną.Šis atskyrimas atliekamas statistiškai, remiantis dideliu duomenų pavyzdžiu, ir yra labai sunkus Higso bosono paieškos etapas. Paprastai fonas yra daug stipresnis nei signalas, taigi jūs turite įvesti kelis atrankos kriterijus ir perkelti visus duomenis, ištraukdami tik tuos įvykius, kurie atitinka visus kriterijus. Tinkamai parinkti pasirinkimo kriterijai leidžia kuo labiau slopinti foną ir palikti kuo daugiau signalo įvykių (ty pagerinti signalo į foną santykį).

Kartais po tokio atrankos liko nemažai įvykių, o tada fizikai lygina šiuos duomenis su modeliavimo rezultatais ir sužinoti, ar yra kokių nors nukrypimų. Pavyzdžiui, fig. 2 viršuje rodomas Higso bosono paieškos rezultatas, suskaidytas į dvi fotonus regione, kuriuose yra 100-150 GeV (duomenys gauti iš ataskaitos A). Po atrankos liko keli tūkstančiai įvykių, kurių didžioji dauguma yra fonas. Tarp jų gali būti keletas dešimčių Higso bosono gimimo ir skilimo įvykių, tačiau jie vis dar nesiskiria nuo paprastų foninių svyravimų. Kitais atvejais pasirinkimas yra labai sunkus, taigi fonas yra beveik visiškai iškirptas, o tada tik keletas įvykių gali būti pakankami norint nustatyti norimą efektą. Pav.2 pavaizduotas dar vienas Higso bosono paieškos kanalas – per skilimą į du Z-bozonus, kurie savaime išsiskiria į elektronų-positronų ar muun-anti-muonų porą (duomenys iš Higso ieškos į ZZ ataskaitą (lll, llnunu, llqq)). Čia po atrankos tik 18 įvykių išlieka visame invariantinių masių iš keturių leptonų nuo 100 iki 600 GeV, kas šiek tiek viršija numatomą įvykių skaičių be Higso bosono.

Pav. 2 Aukščiau: įvykių pasiskirstymas su dviem kietais fotonais per nefunkcinę dviejų fotonų masę 100-150 GeV srityje. Rodomi duomenys juodi taškaisantykinai svyruoja spalvos kreivėkuris teikia teorines prognozes be Higso bozono, bet apskritai nėra labai skiriasi nuo jo. Higso bosonas atrodytų kaip mažas sukrėtimas dėl šio pasiskirstymo, ir, norint pradėti jausti tai, būtina žymiai padidinti statistiką. Žemyn žemyn: ieškokite Higso bozono, skleidžiamo į du Z-bozonus, kurie tada suskaidomi į keturis leptonus. Pilka juostos schema rodo fono indėlį kelių spalvų histogramos parodykite Higso bosono signalą, kurio masė yra skirtinga. Galima suprasti, kad duomenys jau yra artimi tam, kad padėtų išskirti padėtį Higso bosonu ir be jo. Vaizdai iš pranešimų konferencijoje EPS-HEP 2011

Sakyti, kad Higso bozonas gali būti vertinamas ar ne, fizika bandymo statistinės hipotezės. Konkrečiai, jie palygina duomenis su dviem modeliavimo rezultatais – viename iš jų atsižvelgiama į Higso bosoną (su tam tikra fiksuota masė), o kitas – ne. Jei duomenys aiškiai tinka vienai iš šių galimybių, daroma išvada, kad eksperimentas mato arba nemato Higso bozono su tam tikra masė. Tačiau duomenų jautrumas tai ne visada yra pakankamas. Pavyzdžiui, toje pačioje nuotraukoje. 2 žemiau yra aišku, kad duomenys yra daugiau ar mažiau gerai suderinti tiek su vienu fonu, tiek su hipoteze, kad yra tam tikros masės Higso bozonas. Nors duomenys teikia pirmenybę Higso bosono buvimui, o ne jo visiškam nebuvimui, statistinės reikšmės nepakanka, kad būtų aiškiai padaryta išvada apie Higso bosono buvimą ar nebuvimą.

Vis dėlto kai kurie fizikai išgauna iš tokių duomenų. Pavyzdžiui, fig. 2 žemiau yra aišku, kad hipotezė "Higso bosonas gimsta 10 kartų dažniau nei standartiniame modelyje"akivaizdžiai prieštarauja duomenims. Jei tokia hipotezė būtų realizuota, daugiaspalviai smailiai turėtų būti padidinami dešimt kartų, o tada jie tikrai bus matomi tikruosiuose duomenyse.Kadangi nėra, ši hipotezė laikoma uždara.

Numeris 10 čia pateikiamas tik aiškumo dėlei. Iš tiesų, kruopšta analizė rodo, kad net jei Higso bosono gamybos skerspjūvis būtų 2-3 kartus didesnis nei standartiniame modelyje, tai jau reikštų pastebimą neatitikimą duomenims. Todėl gauti duomenys gali būti interpretuojami taip: netgi jei egzistuoja Higso bosonas, jo gamybinis skerspjūvis daugiau nei kelis kartus neturi viršyti numatyto skerspjūvio standartiniame modelyje. Kitaip tariant, duomenys įvedami viršutinė riba σ / σSM, priklausanti nuo Higso bosono masės. Ši konkretaus skilimo kanalo kreivė parodyta fig. 3

Pav. 3 Viršutinė riba σ / σSM (t.y., "nejautrumo koeficientas"), gautas keturių leptonių skilimo kanale ZZ. Juodoji kreivė rodo realius rezultatus punktyrinė linija ir daugiaspalvios juostos – numatoma šios kreivės pasipriešinimo sritis. Kai ši kreivė nukris žemiau vienybės, bus galima pasikalbėti apie Higso bosono uždarymą viename ar kitame masės diapazone, remiantis tik šiuo sugedimo kanalu. Atvaizdas iš ataskaitos Ieškoti Higso į ZZ (llll, llununu, llqq)

Jei ši viršutinė riba yra labai didelė (pvz., 100), tai reiškia, kad jutiklis nesijaučia bosono per daug (tai gali pastebėti tik Higso bosoną, kuris gimsta šimtus kartų dažniau nei standartiniame modelyje). Todėl šį skaičių taip pat galima pavadinti "nejautrumo koeficientu". Atsižvelgiant į didėjantį jautrumą (kai kaupiami duomenys arba pagerėja apdorojimo algoritmai) šis apribojimas yra praleistas. Jei tam tikru masės intervalu paaiškėja, kad šis apribojimas nukris žemiau vieneto, tai reiškia, kad eksperimentas uždarė standartinį Higso bosoną su tokia mase (ty jis nemato bozono, kuris būna tiksliai su įprastiniu modeliu tikėtinu dažniu).

Norėdami gauti šiek tiek daugiau informacijos apie nejautrumo koeficientą, žr. Mūsų praeities naujienas apie Higso bosono paiešką Tevatron: "Tevatron" netrukus pradės "pajusti" Higso bosoną ir pateikti nauji Higso bosono paieškos rezultatai Tevatron.

Pagrindiniai rezultatai

Pavyzdyje, kuris buvo aptartas aukščiau (2 pav.), Buvo tik vienas konkretus Higso bosono skilimo kanalas. Tiesą sakant, yra daug tokių kanalų, ir visi jie studijuojami lygiagrečiai.Kiekvienas iš jų negali būti pernelyg jautrus bosono buvimui ar nebuvimui, tačiau kai jie sujungiami, detektoriaus "įžvalga" didėja ir ribinė kreivė sumažėja. Šios ribotos kreivės, derinamos visais kanalais, parodytos fig. 1. Pateikti diagramos yra paimtos iš "Combined SM Higgs" paieškos ATLAS ataskaitų ir "CMS" detektoriaus (CMS) paieškos kombinuotų rezultatų.

Šios diagramos sako:

  • ATLAS uždarė Higso bosono masės zoną 150-190 GeV ir 295-450 GeV;
  • CMS uždarė masės domeną 149-206 GeV ir 300-440 GeV pridedant tris trumpus intervalus tarp jų;
  • abu eksperimentai rodo kai kurie duomenų perdangos lygmenys viršija 130-150 GeV.

Tikimasi, kad masyvo regionas, uždarytas kiekvieno eksperimento atskirai, bus daug didesnis už paskutines Tevatron ribas (juostos pavaizduotos raudonu atspalviu 1 paveiksle žemiau). Tačiau per kelias dienas tikimasi naujų konsoliduotų "Tevatron" duomenų, kurie šiek tiek išplės.

Labiau įdomu tai, kad abiejuose eksperimentuose jautrumo kreivė regione 130-150 GeV gerokai viršija lūkesčius. Tai reiškia, kad šioje srityje duomenys yra tokie, kad uždaryti Higso bosoną sunkiau nei tikėtasi. Iš tikrųjų, jei pažvelgsite į skilimo kanalą H → W+W su vėlesniu W-bosonų leptono skilimu, akivaizdu, kad duomenys šiek tiek palankiau hipotezę apie Higso bosono buvimą, o ne jo nebuvimą (žr. 4 pav.). Pernelyg didelis statistinis reikšmingumas yra toks didelis, todėl kol kas nėra jokio aptarimo, bet jis labai panašus į tai, ką Higso bosonas turėjo duoti per šį intervalą.

Pav. 4 Paieškos rezultatas Higso bosono skilimui iki W& plus;W-pora, kuri tada sklendžia per Leptono kanalą. Parodyta paskirstymas per vadinamąją skersinę masę dviejų įkraunamų leptonų nuo 40 iki 270 GeV. Pilka spalva rodo foną raudona – tikimasi Higso bosono, kurio masė yra 150 GeV, indėlis. Matoma, kad duomenys (juodi taškai) šiek tiek viršija foną ir teikia pirmenybę Higso bosono buvimo hipotezei, nei priešinga hipotezė apie jos nebuvimą. Atvaizdas iš ataskaitos Jungtinis S. M. Higso paieška

Be didelio duomenų perdavimo fone, masės 130-150 GeV, pav. 1, galima pastebėti atskirus sprogus, pvz., ATLAS duomenimis – maksimalus spindulys 250 GHz. Tokie siauros sprogsniai nėra orientaciniai: jie gali kilti tiesiai dėl vienos ar dviejų taškų, kurie toli gražu (pvz., 118-120 GeV taškai, pav.2 aukščiau). "Tikrasis" Higso bozonas pasireikš plačiu regionu, kuriame tikroji jautrumo kreivė pakyla virš teoriškai laukiamų juostų. Šis poveikis, beje, pastebimas ATLAS detektoriuje, kurio masė viršija 550 GeV, ir, jei tai būtų patvirtinta CMS duomenimis, būtų galima tikėtis kažko nestandartinio šios srities.

Kas toliau?

Šiuo metu pirmasis žingsnis yra ATLAS ir CMS rezultatų sujungimas į vieną LHC duomenis dar didesniu jautrumu. Ši asociacija greičiausiai bus pristatyta "Lepton Photon 2011" simpoziume, kuris vyks Indijoje nuo rugpjūčio 22 d. Iki 27 d. Sprendžiant pagal picą. 1, derinant rezultatus, greičiausiai bus eliminuojamas Higso bosonas regione nuo 140 iki 500 GeV (galbūt, atėmus mažą intervalą, esantį netoli 250 GeV). Daugiau intriguojantis klausimas, ar bus įmanoma padaryti pirmąjį teigiamas teiginiai apie galimą Higso bosono egzistavimą, kurio masė yra 130-150 GeV.

EPS-HEP 2011 pateikiami duomenys yra labai preliminarūs; akivaizdu, kad praeis kelios mėnesiai, kol jie bus parengti straipsnių forma. Tuo tarpu LHC statistika nuolat kaupiasi, ir yra tikimybė, kad rudenį ji padidės maždaug 3-4 kartus.Šiuo atveju, iki metų pabaigos visi aukščiau paminėti patarimai taps daug ryškesni. Galimų Higso bosono masės verčių diapazonas sieks iki labai mažo intervalo, ir yra įmanoma, kad net ir tuomet fizikai sugebės pateikti pirmuosius teiginius apie Higso bosono egzistavimą. Tačiau kol šis atradimas turės palaukti bent iki 2012 m. Vidurio.

Šaltinis: ATLAS ir CMS bendradarbiavimo ataskaitos, pristatytos liepos 22 d. EPS HEP-2011 konferencijoje (žr. dienos mokslo programą).

Igoris Ivanovas


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

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