5 января 2011 г.

Любопытные новости с Тэватрона

Сегодня в архиве епринтов появилась статья arXiv:1101.0034 коллаборации CDF, работающей на американском протон-антипротонном коллайдере Тэватрон. В статье приводятся новые данные по рождению топ-кварков, а конкретно, по измерению асимметрии между угловыми распределениями топ-кварка и анти-топ-кварка. Асимметрия получилась ненормально большой и в области больших инвариантных масс топ-анти-топ пары на 3.4 стандартных отклонения отличается от предсказаний Стандартной модели.

Теперь чуть подробнее (хотя наверно не сильно понятнее :) ).
Сейчас практически все данные по взаимодействуют элементарных частиц великолепно описываются совокупной теорией сильных, слабых и электромагнитных взаимодействий, называемой Стандартной моделью. В отдельных случаях, когда и расчеты по Стандартной модели (СМ), и экспериментальные данные очень точны, они совпадают друг с другом аж с точностью до миллионных долей. Так что СМ прекрасно описывает мир, тут спору нет.

Но с другой стороны, есть теоретические и косвенные экспериментальные намеки на то, что СМ не сможет работать при энергиях столкновений существенно выше 1 ТэВ, она должна как-то измениться. Физики надеются, что при этих энергиях вскроется некая новая форма организации материи — какие-то новые частицы, или новые взаимодействия, или новые симметрии и т.д. Теорий есть много, но какая верна — пока никто не знает. Так что почти все современные эксперименты в физике элементарных частиц нацелены на то, чтоб как-то заглянуть в эту область. LHC заглянет в нее «грубой силой» благодаря высокой энергии столкновений, а эксперименты на более низких энергиях заглянут за счет своей высокой точности (эта новая форма организации материи проявляется и при низких энергиях в виде слабеньких эффектов).

Хоть какие-то отклонения от Стандартной модели будут первыми ласточками этого нового пласта реальности за пределами 1 ТэВ. Их ищут уже давно и кое-что даже нашли (свежайший анализ, общий обзор по СМ). Правда радоваться тут особо нечему — отличия не шибко статистически значимые, всего 2-3 стандартных отклонения («сигмы»). Такое вполне может получиться и случайно, особенно если вы пытаетесь проверить сразу пару десятков величин. К тому же эти отличия наблюдаются в очень тонких измерениях, из которых выжато уже почти всё, что можно, и быстрого прогресса тут не предвидится. А хотелось бы найти отличие посильнее, например на 5 стандартных отклонений, и причем отклонения какие-нибудь новые, сильные.

Два года назад две коллаборации, работающие на Тэватроне, нашли такой тип отклонения, правда всего на 2 сигмы. Это отклонения в асимметрии между топ-кварками и анти-топ-кварками, рождающимися в столкновении протонов с антипротонами. Теория предсказывает, что когда рождается топ-анти-топ-кварковая пара, то топ-кварки чуть-чуть (на уровне 6%) предпочитают вылетать вперед по направлению движения протона, а анти-топ-кварки — вперед по направлению антипротона (что такое «вперед» и «назад» для кварков и антикварков см. на рисунке).
Соглашение о том, что считается полусферой «вперед» и полусферой «назад» для вылетающих топ-кварков и антикварков в протон-антипротонных столкновениях. Частицы показаны красным цветом, античастицы — синим.

Данные же 2008 года показали асимметрию около 24%, правда с очень большими погрешностями. 2 сигма в физике частиц вообще не считаются за что-то серьезное, т.к. подобные флуктуации возникают в данных постоянно. Но вот что хорошо — это были только самые первые данные, с очень небольшой статистикой. Поэтому по мере накопления данных эти измерения должны уточняться. Более того, когда данных много, можно уже изучать разные кинематические распределения и проводить более «жесткие» сравнения с теорией.

И вот сейчас такой анализ проведен. Статистическая выборка выросла настолько, что стало возможным построить распределение по инвариантной массе топ-анти-топ-кварковых пар. И тут выяснилась интересная вещь: почти вся асимметрия в данных берется из области больших масс, больше 450 ГэВ. Данные в этой области дают асимметрию почти 50% (0.475 +/- 0.114) против 9%, предсказанных теоретически. Расхождение составляет 3.4 сигма. Вот распределение по инвариантным массам из статьи:

Асимметрия вперед-назад в зависимости от инвариантной массы. Черные точки — данные, зеленые — моделирование на основе Стандартной модели. Картинка из статьи.
Вот это уже сильнее будоражит воображение. Именно такие отклонения ожидаются при наличии некоторых тяжелых экзотических частиц (например, тяжелые резонансы, несущие цвет и распадающиеся на кварк-антикварки). Коллаборация говорит, что, например, простейшая модель с дополнительным тяжелым глюоном с массой 2 ТэВ неплохо описывает данные.

Очевидно, что еще спустя год-два будет накоплено еще больше данных, и измерения станут еще более точными. Уменьшение погрешности в два раза при сохранившейся разности потянет на очень громкое открытие. Правда, тут еще могут испортить всю малину теоретики, найдя какой-нибудь неучтенный эффект или обнаружив, что поправки еще более высокого порядка ненормально велики. Посмотрим.

Некоторые подробности см. также в блоге Resonaances.

Ну и наконец, самое смешное, что LHC в этом измерении не поможет. На LHC ситуация изначально симметричная, там сталкиваются протоны с обеих сторон. Поэтому там нет очевидного направления вперед-назад, да и доминирующий механизм рождения топ-анти-топ пар там иной. Может быть, что-то можно достичь кинематическими играми, не знаю, но в любом случае это будет намного труднее, чем на Тэватроне. Впрочем, если за всем этим стоит какая-то новая массивная частица, то LHC еще может и напрямую родить.

Кстати, если вы следите за новостями в ФЭЧ, у вас может возникнуть дежавю: полгода назад была шумиха про асимметрию между частицами и античастицами, найденную на Тэватроне, но правда там совсем иные частицы и иная физика. Я про ту работу тоже писал в блоге.

28 комментариев:

  1. А чем закончилась другая история с мюонами на CDF, двухлетней давности, о которой вы писали вот тут http://elementy.ru/news/430901 ?

    ОтветитьУдалить
  2. А ничем. DZero не подтвердил сигнал, но вроде бы это так и не опубликовано, только рассказно на конференции. Насколько я понимаю, в целом люди склоняются к тому, что это какой-то глюк анализа или недопонятые свойства детектора, но увидеть, в чем проблема, со стороны нереально.

    ОтветитьУдалить
  3. В асимметрии топ-кварков важно то, что точность пока что лимитирована статистикой, а в том многомюонном сигнале — систематическими ошибками.

    ОтветитьУдалить
  4. Анонимный5/1/11 15:10

    надо ждать подтверждения от DØ
    с такой погрешностью это могут быть и ошибки выборки из статистики (не чистое наблюдаемое явление а в совокупности с чем то)

    ОтветитьУдалить
  5. Анонимный5/1/11 16:32

    Вопрос немного не по теме. Велико ли влияние летящих мимо протонов/антипротонов на продукты столкновения? Все-таки пучки весьма "толстые" по меркам микромира и наверняка происходят какие-то паразитные столкновения. Много ли их?

    ОтветитьУдалить
  6. Ну да, теперь слово за DZero.

    Влияние других протонов из банча на продукты реакции будет велико, если они столкнутся, но этот процес крайне редкий. Вот смотрите — рпи столкновении двух сгустков по 100 млрд. протонов происходит в среднем десяток окнкретных реакций. Т.е. у каждого конкретного протона есть шанс примерно 10^-10 столкнуться хоть с кем-то из встречного сгустка. У продуктов каждой конкретной реакции шанс еще меньше, т.к. они вылетают не строго вдоль пучка, так что быстро выходят из его области пролета (напомню, что толщина сгустка примерно на 3 порядка меньше его длины). Так что вероятности мизерные.

    ОтветитьУдалить
  7. Анонимный5/1/11 21:28

    До сих пор не перестаю удивляться, читая этот блог и узнавая что то по теме.
    Так как я гуманитарий, о чём не устаю напоминать:), все мои представления о физике элементарных частиц в основе своей идут из школьной программы. Но вот проблема, в школе ничего не говорилось насчёт топ кварков, глюонов, мюонов и т.д.
    Для меня это как новый мир и честно говоря хотелось бы что бы автор блога черканул на эту тему, или записал какое нибудь видео для школьников, что бы хоть в голове у таких как я не было бы каши:)
    Я знаком со стандартным набором частиц, типа: протон, нейтрон, электрон, ну может ещё фотон. Всё что дальше-это за пределами моего понимания в данный момент.
    Я смотрел у автора этого блога видео про экстремальные состояния вещества, мне очень понравилось. Понятно, доступно, есть пересечения со школьной программой, и знания почерпнутые из этого видео очень легко легли на то что ранее дала мне школа.

    ОтветитьУдалить
  8. Анонимный6/1/11 01:30

    Глупый вопрос от другого гуманитария, навеянный "Анатомией одной новости". А что такое "ядерные силы"? Это явно не сильные взаимодействия, явно не слабые и явно не электромагнитные. Гравитация и рядом не лежит. То есть, отдельного типа взаимодействия для нуклонов в ядре не существует. Подозреваю, что эти силы похожи на силы ковалентных связей в молекулах, но только на уровне нуклонов, а не электронных орбиталей (возможно чушь сказал).

    ОтветитьУдалить
  9. Исторически, ядерные силы — это силы, удерживающие протоны и нейтроны в ядрах; они работают за счет обмена пи-мезонами. Это специфическое проявление сильных взаимодействий. Обычно сильные взаимодействия осуществляются за счет обмена глюонами, но в принципе можно обмениваться и более сложными объектами: парами глюонов, кварк-антикварковыми парами и т.п. Обмен кварк-антикварковой парой с пецифическом состоянии — это и есть обмен пи-мезоном.

    ОтветитьУдалить
  10. Анонимный6/1/11 10:12

    А почему на LHC не получится?
    Что протоны что анти протоны на высоких энергиях становятся же почти одинаковыми за счёт виртуальных партонов.

    ОтветитьУдалить
  11. Игорь у меня к вам вопрос немного не потеме. Рас уж тут заговорили про ядерные взаимодействия вспомнилась одна мысль. Веть известно что релетявисткие протоны ведут себя несколко иначе обычных. Кроме того есть теории того что что на тэвном маштабе гравитация значительно усиливаеться. Все это по идее должно влиять на ядерные взаимодействия. К примеру могут быть стабильные релятивисткие изотопы которые в обычных условиях распадаються. Если конечно гравитация вносит свои поправки в стабильность. Для примера нейтронная звезда посути являеться большим атомным ядром, основой стабильности которого являеться гравитация. Ядерные реакции могут протекать иначе. Вообщем вопрос такой. Это как нибуть изучаеться? Практически или теоритически?

    ОтветитьУдалить
  12. Вы извините, но тут у вас столько всего неоправданно перемешано. Если кратко, то релятивистские ядра или нет — на их стабильность это влияния не оказывает. Гравитация в некоторых теориях действительно становится сильной при энергиях столкновения (а не движения!) порядка ТэВ и она сказывается на результатах столкновения частиц, но при таких энергиях ни о каких изотопах речи давно нет. Наконец, в нейтронной звезде стабильность возникает вовсе не из-за того, что гравитация как-то воздействует на ядерные силы, а из-за того, что она создает некие внешние условия, в которых ядерные процессы протекают. Это всё изучается теоретически и через астрофизические наблюдения.

    ОтветитьУдалить
  13. Если кратко, то релятивистские ядра или нет — на их стабильность это влияния не оказывает.
    -----
    Правильно ли я понял что не смотря на то что релятивисткий нуклон имеет иное строение по сравнению с обычным, это не как не влияет на ядерные взаимодействия с другими релятивисткими нуклонами?
    Это проверенно эксперементально?

    ОтветитьУдалить
  14. Нет, неправильно.

    Рассмотрим систему нуклонов с импульсами p_i, i=1...N. Из них можно составить общий импульс всей системы P и разнообразные относительные импульсы. О ядрах и их стабильности имеет смысл говорить исключительно в том случае, если все относительные импульсы малы, не выше десятков МэВ. При этом общий импульс системы P может быть произвольно большим и на взаимодействие нуклонов влияния не оказывает, поскольку взаимодействие зависит от относительного движения нуклонов. Когда мы говорим «релятивистское ядро», мы подразумеваем именно этот случай (малые относительные импульсы и большой общий). Стабильность ядра — вещь абсолютная, она не зависит от системы отсчета, т.к. обуславливается относительными импульсами. Моя фраза означает, что большое P или маленькое — для стабильности ядра это неважно.

    Систему же нуклонов, движущихся относительно друг друга с релятивистскими скоростями, называть ядром бессмысленно. Это просто система релятивистских нуклонов. Взаимодействие между ними, конечно, зависит их строения, поскольку строение зависит от относительного импульса.

    ОтветитьУдалить
  15. Стабильность ядра — вещь абсолютная, она не зависит от системы отсчета, т.к. обуславливается относительными импульсами.
    ------
    Игорь спасибо, я понял эту мысль. То есть релятивисткая система относительно самой себя ведет себя также как и обычная система. Просто мне интересно это просто вывод из ОТО или это проверялось эксперементально? Тоесть я так понимаю относительно этого нет некаких сомнений?

    ОтветитьУдалить
  16. Это не ОТО, это обычная СТО, и это фактически принцип эквивалентности — нет выделенной системы отсчета, ни про какую инерциальную систему мы не можем в абсолютных терминах сказать, что она движется или что она покоится. Поэтому сравнение двух систем — покоящейся и релятивистской — эквивалентно сравнению одной и той же системы с точки зрения двух наблюдателей — покоящегося и релятивистски пролетающего мимо.

    Принцип эквивалентности проверялся, конечно, многократно.

    ОтветитьУдалить
  17. Анонимный3/2/11 09:00

    Чего не придумают что бы не закрывать:)
    Уверен, техники ещё придумают обьяснение этого эффекта.
    Либо тогда теоретикам нужно будет всё так описать, чтобы этот самый эффект проялялся только на Теватроне.. что наверно не легко.

    Разница ведь только в барионном заряде?
    ( ведь на околосветовых в нуклоне очень много партонов, и структура что у протона что у анти-протона очень похожая )

    Так? :)

    ОтветитьУдалить
  18. Вы циничны :)

    Сам по себе барионный заряд — это характеристика всего (анти)протона, а в жестком столкновении принимает участие его часть. Для асимметрии нам нужно столкновение кварков с антикварками. Конечно кварки и антикварки есть в там, и там, кварков больше в протоне, а антикварков — в антипротоне. Поэтому получить достаточно высокоэнергетическое кварк-антикварковое столкновение в протон-протонном столкновении труднее, чем в протон-антипротонном. Я уж не заостряю внимание на том, что померять асимметрию будет очень трудно, т.к. будет большой несбалансированный продольный импульс у центра масс рожденной системы.

    ОтветитьУдалить
  19. Игорь, доброго времени!
    Только что Discovery показал фильм с участием собственно г-на Хиггса и физиков, работающих с зоопарком частиц. Под занавес - прекрасный вопрос: а что будет, если не найдут? Г-н Хиггс выглядел опечаленным и сказал, что "...будет плохо, ибо сейчас я кое-что понимаю в физике, а если бозон не найдут - значит, я не понимаю вообще ничего". Второй физик, с Тэватрона, заявил что "...ну, можно смело выпрыгивать в окна тогда: ибо всё".
    Игорь, вопрос: а что, если не найдут?
    Переформатирую: каков список вариантов? Поле исследования далее - оно где? Хотя бы в общих словах: куда двигаться тогда?
    Благодарю.

    ОтветитьУдалить
  20. Надо понимать, что это всё игра на публику.
    Если не найдут никакого намека на хиггсовский бозон вплоть до масс порядка 1 ТэВ, то тогда гарантировано будут новые эффекты в рассеянии W-бозонов. Дело в том, что одна из функций бозона хиггса — грубо говорят, делать вероятность рассеяния двух W-бозонов меньше единицы (а без него вероятностью была бы больше единицы, что и означает, что «кто-то» новый нужен Стандартной модели, без него будут проблемы). Придется изучать именно это рассеяние при больших энергиях, чтобы понять, кто там играет роль хиггсовского бозона.

    Вообще есть довольно много теорий разной степени экзотичности, которые как раз предсказывают такое развитие событий. Авторы этих теорий будут рады, если всё пойдет именно таким образом :)

    ОтветитьУдалить
  21. Анонимный6/5/11 12:07

    да их просто море, струнных только 3 или 4

    ОтветитьУдалить
  22. Анонимный5/6/11 18:56

    Интересно а мысли в голове какая частичка рождает?

    ОтветитьУдалить
  23. Анонимный6/6/11 05:09

    @Электрон
    Браво!:)

    ОтветитьУдалить
  24. Анонимный4/7/11 19:22

    А где можно почитать про этот эффект "рассеивания двух W"?

    ОтветитьУдалить
  25. Простейшие вещи написаны например в книжке Окуня, «Лептоны и кварки». Расчет чуть подробнее — например в лекциях J.Wells, глава 5.

    ОтветитьУдалить
  26. Анонимный22/7/13 20:13

    А если вместо протонов сталкивать - нейтроны? Теория електрослабых взаимодействий утверждает что есть нейтральные токи. Возможно -ли что когда-нибудь их применят для разгона нейтронов???

    ОтветитьУдалить