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.