Supersimetriškumo ieškojimas koliažeryje atnešė naują intrigą. • Igoris Ivanovas. • Mokslo naujienos apie "Elementus". • Supersimetrija, naujos fizikos paieška, fizika, standartinio modelio testas.

Supersimetriškumo ieškojimas koliažete atnešė naują intrigą

Pav. 1. Sąlyginė supersimetrijos idėja. Įvairios masės žinomos dalelės (jos vaizduojamos virš plokštumos) rutulių dydis atspindi dalelių masę) atitinka neatrastą, o sunkiosios dalelės-superpartneriai (žemiau plokštumos). Kai fiziologai ieško supersimetriškumo apraiškų eksperimentuose, esančiuose koladeriu, jie linkę bent dalį šių dalelių identifikuoti netiesioginiais požymiais. Vaizdas iš E. Gibnio, 2015. LHC 2.0: naujas visatos vaizdas

Du bendrieji Didžiojo Hadrono Collider'o pranešime teigia, kad vienas iš daugybės supersimetriškos paieškos leido šiek tiek viršyti standartinio modelio prognozes. Abi komandos mato panašių, bet ne identiškų procesų nuokrypį. Pernelyg didelis statistinis reikšmingumas yra maždaug 3 standartinių nuokrypių, tačiau šis perviršis suteikia naują vilties, kad fizika už standartinio modelio ribų nėra toli.

Elementarioji dalelių fizika šiandien: trumpas eskizas

Šiuolaikinė elementariųjų dalelių fizika pastaraisiais metais yra gana nepatogu. Viena vertus, turima teorija – vadinamasis standartinis modelis, kuris labai gerai sutampa su eksperimentais.Jis buvo pastatytas 60-ųjų-70-ųjų, todėl buvo daug prognozių, kurios puikiai patvirtino per ateinančius dešimtmečius. Paskutinė iš šių pasiekimų serija buvo Higso bosono atradimas 2012 m. Ir paskutinis Nobelio premijos fizikos apdovanojimas Higso mechanizmo autoriams. Visais metais standartinis modelis atlaikė tūkstančius eksperimentinių bandymų. Visada pasižymi įvairiais subtiliais ir sudėtingais padariniais, kuriuos ji numatė ir kuriuos galima teoriškai skaičiuoti.

Kita vertus, fizikai jau seniai patikimai suvokė, kad standartinis modelis negali būti paskutinė mikrobranduolio prietaiso teorija. Standartinis modelis negali paaiškinti tamsiosios materijos buvimo ir materijos dominavimo antvulkės mūsų Visatoje. Tai nepaaiškina įvairių modelių, kurie yra kvarkų ir ypač neutrinų savybes. Galiausiai daugelis skaitinių reikšmių atrodo nenatūralus, o pats standartinis modelis jiems nesuteikia jokių paaiškinimų. Fizikai yra įsitikinę, kad standartinis modelis yra tik keletas kitų, išsamių ir labiau pagrįstų mūsų pasaulio struktūros teorijų fragmentas,kurie mokslininkai sąlyginai vadina fiziką už standartinio modelio ribų, arba "Naujoji fizika". Kokia tokia teorija dar nėra žinoma, tačiau būtent su juo didelės vilties yra susijusios su atsakymų į klausimus, kurie yra nepatogūs standartiniam modeliui.

Norint, kad nebūtų sukurtas klaidingas įspūdis, būtina padaryti išlygą, kad problema nebūtų pateikta bent jau tam tikrai teorijai. Tikriausiai yra šimtų tokių teorijų. Problema ta, kad teorija suteikia naujas nestandartines prognozes ir kad šias prognozes patvirtina patirtis. Tačiau su tuo iki sudėtingumo: jokio tiesioginio eksperimento su elementariosios dalelės nepastebėjo jokių reikšmingų nukrypimų nuo standartinio modelio. Taigi Didžiojo Hadrono Collider (taip pat žinomas kaip LHC) yra ne tik įrenginys, kuris susiduria su dalelėmis ir ką nors ten matuoja. Tai yra priemonė, kuri turėtų padėti mums pasiekti naujosios fizikos – naujojo realybės sluoksnį, kuris yra standartinio modelio pagrindu. Pirmasis mažas žingsnis šia kryptimi buvo padarytas: atrado Higso bosonas ir prasidėjo jo tyrimas. Tačiau tai buvo parengiamasis žingsnis, o realus bendradarbo uždavinys – patikimas bent šiek tiek nukrypimas nuo standartinio modelio – dar nebuvo išspręstas.

Kaip ieškoti supersimetriškumo apraiškų

Pav. 2 Tipiškas požiūris į supersimetrijos ieškojimą Didžiojo Hadrono kolektoriuje. Super dalelės dalelės gimsta poromis, bet išsiplauna vienas po kito, o po skilimo kaskados iš jų išlieka stabilios ir nestabilios lengviausios supersimetrinės dalelės, pavyzdžiui, neutralizuotas. Vaizdas iš E. Gibnio, 2015. LHC 2.0: naujas visatos vaizdas

Kadangi yra daugybė naujų fizikos teorijų ir jie prognozuoja skirtingus reiškinius, mokslininkai atlieka šimtus skirtingų LHC sukauptų duomenų analizių ir ieško šių efektų (žr. "Naujos fizikos" skyrių ieškant "Collider" naujienų kanalo). Tarp visų modelių išsiskiria teorijos, pagrįstos supersimetrija. Šis žodis reiškia gilią, matematiškai nesuderintą idėją, kad mūsų pasauliui būdingas naujas simetrijos tipas, kuris jungiasi, gana sąlygiškai kalbant, medžiagos daleles ir jėgas, veikiančias tarp jų. Skaitykite daugiau apie supersimetriškumą prieinamą kalbą, skaitykite ir klausykite Dmitry Kazakovo medžiagoje.

Supersimetriškumo idėja yra bandomoji, bent jau iš esmės. Supersimetrinės teorijos numato daugybę naujų dalelių, paprastųjų dalelių superpartnerių.Kvarkai, gluonai, leptonai, gravitonai ir visos kitos dalelės turi superpartnerius: kvarus, gliuenus, akinius, gravitinus ir kt. (1 pav.). Vienintelė problema yra ta, kad šios naujos dalelės yra sunkios, ir niekas iš anksto negali pasakyti, kiek. Kai buvo pastatytas Didysis Hadrono kolereris, fizikų entuziazmas. Daugelis jų manė, kad super dalelių masės yra 1 TeV arba dar mažiau, ir tokios dalelės vis dažniau gimsta LHC. Deja, pirmoji koliažerio sesija atvėsta: daugybė tiesioginių ar netiesioginių supersimetriškumo apraiškų vis dar duoda neigiamų rezultatų (žr. Skyrių Supersimetrija LHC naujienų kanale).

Dabar, po dviejų neseniai įdomių CMS ir ATLAS publikacijų, situacija gali pradėti keistis. Tačiau prieš pasakodami apie juos, verta trumpai apibūdinti, kaip jie dažniausiai ieško supersimetriškumo pasireiškimo koladere.

Čia sunku pasakyti, kad supersimetryje nėra jokio konkretaus, sutvirtintų betono prognozių, tikrinamų dabar. Yra daugybė supersimetrinių teorijų variantų, ir jie turi nežinomų skaitmeninių parametrų.Dėl to, koladjero prognozės gali būti labai įvairios – ir, jei įmanoma, fizikai bando juos visus padengti. Tarp jų išsiskiria pagrindinė paieškos kryptis (žr. 2 pav.). Manoma, kad protonų susidūrimo pradžioje gimsta stipriai sąveikaujančios super dalelės – skvorai arba gliuminai. Jie yra sunkūs ir suskaidomi į kitus, kiti išsiskleidžia ir pan. Tai tęsiasi, kol pasirodys lengviausia supersimetrinė dalelė (priklausomai nuo teorijos versijos, tai gali būti neutrali, gravitino ar kitų super dalelių). Svarbiausia, kad jis nesibaigtų nieko, bet tiesiog skrenda, net neužsikraus detektorius. Ši dalelė neša didelį skersinį impulso, kuris dėl dalelių silpnumo nėra detektorius. Detektorius užregistruos visas įprastas daleles, matuoja jų impulsus ir mato, kad jie nesikeičia iki nulio, ty didelė impulso dalis yra "prarasta". Toks skersinio impulso disbalansas rodo, kad susidūrimo metu atsirado tam tikra liekna didelio energijos dalelytė.

Žinoma, naujos fizikos atradimui nepakanka tik skersinio momento disbalanso.Standartiniame modelyje taip pat yra dalelių, kurios nėra užregistruotos jutikliu – neutrinai – ir jie gali lengvai sukurti panašų susidūrimų vaizdą. Be to, jutikliai yra netobulūs, o kartais jie daro klaidas, matuodami energijas ir impulsus (ypač kai turite matuoti hadroninius purkštukus, visą srautus, esančius hadonams) arba netgi galite neteisingai identifikuoti skraidančią dalelę. Todėl realybėje fizikai turi kruopščiai palyginti duomenis, gautus su standartinio modelio prognozėmis, ir bandyti surasti ne tik tam tikrų įvykių statistiką, bet jų per didelis fonas Standartinis modelis. Taigi kiekviena paieška, kiekviena analizė yra sunkus dešimčių ir šimtų mokslininkų darbas mėnesius ar net metus. Išsamesnės informacijos apie tai, kaip dalelės yra tiriamos "Collider", žr. "Anatomy of One News" straipsnį.

Nauji rezultatai CMS ir ATLAS

Po kruopštaus įvado galų gale galėtume paversti naujus "Collider" rezultatus. Dabar, prieš pradedant naują "LHC" paleidimą, eksperimentinės grupės "valo uodegas" – jos atlieka daug laiko reikalaujančias analizes, kurios remiasi duomenimis, surinktais per pirmuosius trejus derybų metus.Straipsniai apie tam tikras supersimetriškumo paieškas atsiranda reguliariai, tačiau visi jie sukelia neigiamų rezultatų. Vis dėlto per pastarąjį mėnesį abu didžiausi LHC bendradarbiaujantys darbuotojai pranešė apie įdomius nukrypimus panašioje, bet ne identiškoje! – dalelių konfigūracijos. "CMS" bendradarbiavimo straipsnis pasirodė vasario pabaigoje, o "ATLAS" darbai – kovo mėn. Viduryje, tik prieš kelias dienas.

Abiejuose dokumentuose fizikai studijavo tokius įvykius: pastebimi bent du hasroniniai purkštukai, leptonų poros (elektronų positronas ar miuonas-antimuonas) ir prarastas skersinis impulsas. Pav. 3 paveiksle pavaizduoti du procesų pavyzdžiai su supersimetrinių dalelių gimdymu ir skilimu, galinčiais sukelti tokius įvykius. Žinoma, yra ir paprastų (fono) procesų, kurie suteikia tą patį signalą. Pavyzdžiui, protonų susidūrime Z-bosonas gali būti tiesiog gimęs, kuris suskaidomas į leptonų porą, ir Hadronai visada gimsta per daug. Jei detektorius neteisingai suskaičiuoja dozatorių energiją, gali atrodyti ir skersinio pulso disbalansas. Tačiau šiuo atveju disbalansas bus mažas dešimčių GeV tvarka.Norėdami atsikratyti jo, fizikai atrinko tik tuos įvykius, kuriuose disbalansas buvo bent šimtas GeV (ATLAS atveju – 225 GeV). Yra ir kitų foninių šaltinių, bet visi jų fizikai buvo atidžiai atsižvelgta.

Pav. 3 Du įvykių pavyzdžiai su supersimetrinių dalelių gimimu ir skilimu. Parodytos standartinio modelio dalelės. tamsi spalva, hipotetinės supersimetrinės dalelės – raudona. Abiem atvejais lengviausia supersimetrinė dalelė laikoma stabilia. Jis plaukioja, nepaliekant detektoriaus pėdsakų, ir sukelia skersinį impulsų disbalansą, kurį matuoja detektorius. Du procesų tipai skiriasi tuo, kaip gimsta leptonai – nepriklausomai (viršuje) arba rezonansinis (žemyn žemyn) Detektoriuje leptono poros invariantinės masės pasiskirstymas labai skirsis

Du signalų tipai, parodyti fig. 3, skiriasi leptono poros elgesiu. Rodomas viršutinis paveikslėlis ne rezonansinis Leptonų gimimas, kuriame jie išsiskiria nepriklausomai vienas nuo kito. Šiuo atveju šių dviejų leptonų energija nėra tarpusavyje susijusios, o tai reiškia, kad šios poros invariantinė masė (mll) gali būti labai skirtingos, didelės ir mažos.Jame yra apribota tik aukščiau, nes šie leptonai yra gaunami iš sunkiųjų dalelių. Eksperimento požiūriu būdingas tokių įvykių signalas yra toks: plačiai pasiskirsto per mllkuris staiga viršija tam tikrą vertę. Tai buvo "paskirstymo pertrauka", kurią ieško fizikai.

Apatiniame paveikslėlyje pav. 3 parodyta kita parinktis – rezonansinis Leptono poros gimimas. Čia leptonai nėra gimę patys, bet yra pagaminti Z-bosono skilimo rezultatu. Todėl jų energija koreliuoja, o poros invariantinė masė yra artima Z-bosono (91 GeV) masai. Todėl šio tipo įvykių paieškoje galima sutelkti dėmesį į sritis nuo 81 iki 101 GeV, o jos ribų pasiskirstymo dalis gali būti naudojama fone įvertinti.

Du komandos – CMS ir ATLAS – atliko abiejų rūšių paiešką, nors ir su šiek tiek kitokiais atrankos kriterijais. Tačiau rezultatai buvo skirtingi. TMS praneša, kad ne rezonansinio gimdymo atveju (3 pav. Aukščiau) m srityjell nuo 20 iki 70 GeV, yra daugiau pernelyg daugiau įvykių virš fono, su pertrauka paskirstymas su vertė apie 71 GeV. Statistinė dispersijos reikšmė yra įvertinta 2,4σ. Efektas, žinoma, ne per įspūdingas, tačiau vertas interesų, ypač, nes jis buvo vienas iš pirmųjų paieškos supersimetrijos išmontavimo būdo platinimo. Rezonansinio gimimo atveju CMS bendradarbiavimas nemato jokių nukrypimų.

ATLAS rezultatai buvo visiškai priešingi. Nerozoninė paieška neatskleidė nieko reikšmingo, tačiau buvo įdomu nukrypimas rezonansinio gimimo metu. Pav. 4 pavaizduotas elektronų arba miuono poros invariantinės masės pasiskirstymas. Tai, kas yra įspūdinga, yra tai, kiek mažas fonas yra čia ir koks stiprus signalas pasirodė esantis. KMS atveju viskas atrodė kitaip: ten buvo didelis fonas, o fizikai matė šiek tiek perteklių. Tiesiogiai buvo tikimasi apie 4 ± 2 įvykius elektronų-positronų kanale ir aptikta net 16 žmonių! Miuono atveju perviršis yra pastebimai silpnesnis, tačiau taip pat pastebima kažkas. Nepaisant plika akimi gali atrodyti, kad kairysis grafikas, pav. 4 tikrai šaukia: atradimas! Tačiau tiksli analizė yra labiau suvaržyta: statistinė nuokrypio reikšmė elektroniniame kanale (taip pat ir jungtiniame Leptono kanale) yra .

Pav. 4 Paieškos rezultatai signalui, turinčiam rezonansinį elektronų-positronų poros gamybą (kairėje) ir muon anti-muon (dešinėje). Taškai su klaidomis – registruojami duomenys tamsesni arba tamsesni plotai – standartinio modelio fonas, taškinė histograma – pavyzdys, ką gali duoti supersimimetriniai modeliai. Paveikslėlis iš ATLAS bendradarbiavimo straipsnio

Žinoma, vis dar per anksti sakyti, kad reiškinys, kuris iš esmės pralenkė standartinį modelį, iš tikrųjų buvo aptiktas koliažeriuje. 3σ tvarkos nukrypimai laikomi esybe, bet ne atradimu. Toks nukrypimas gali būti statistinis svyravimas arba neatskaityta detektoriaus klaida. Dalies fizikoje buvo pavyzdžių, kai po kurio laiko signalai buvo absorbuojami su didesniu statistiniu reikšmingumu. Taip pat nerimą kelia tai, kad du detektoriai gavo nenuoseklių rezultatų. Žinoma, jie turi šiek tiek skirtingus metodus, ir niekas nesutinka, kad vieno eksperimento nukrypimai bus patvirtinti kitoje. Nepaisant to, po šio pirmojo "vizito" abu detektoriai neabejotinai daugiau dėmesio skirs šiam procesui. Na, žinoma, fizikai turi papildomą priežastį laukti rezultatų naujos "LHC Run II" koliažerių sesijos, kuri per trejus metus turėtų padidinti statistinius duomenis beveik iš eilės.

Šaltiniai:
1) TMS Bendradarbiavimas.Skersinis impulsas ppt susidūrimuose sqrt (s) = 8 TeV / / arXiv: 1502.06031 [hep-ex] (2015 m. Vasario 20 d.).
2) ATLAS bendradarbiavimas. Skersinis impulsas sqrt (s) = 8 TeV pp susidūrimų su ATLAS detektoriumi // arXiv: 1503.03290 [kovo 11 d. 2015 m.).

Taip pat žiūrėkite:
Elizabeth Gibney. LHC 2.0: naujas visatos vaizdas // Gamta. 2015 m. Kovo 11 d.

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: :???: :?: :!: