Пытаясь разрешить одну давнюю загадку в физике элементарных частиц, экспериментаторы из коллаборации CDF обнаружили явление, которому они не смогли найти объяснения. Статистическая значимость этого эффекта очень высока. Если подтвердится, что это не артефакт аппаратуры, то можно будет говорить о первом ярком эффекте за пределами Стандартной модели.

Рис. 1. Схематичное изображение различных вариантов рождения мюонов (вид вдоль оси пучка). Серый круг — вакуумная труба, синие окружности — первые несколько слоев вершинного детектора, регистрирующего место прохождения частиц (показаны красными точками). Красный кружок в центре — место столкновение протонов, зеленые дуги — родившиеся мюоны, серые линии — остальные частицы.

a) типичная картина рождения мюонов при распаде короткоживущих частиц, например, Z-бозона.

b) рождение мюонов в распадах B-мезонов, которые успевают отлететь от оси на несколько миллиметров.

c) типичный вид аномальных событий, зарегистрированных детектором CDF. Некоторые из мюонов рождаются снаружи вакуумной трубы, поэтому их не регистрируют самые внутренние слои детектора. Часто мюоны рождаются сразу по несколько штук с каждой стороны.

Прежде чем приступать к подробному рассказу, стоит во избежание недоразумения подчеркнуть, что описываемое открытие сделано не на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе, а на американском протон-антипротонном коллайдере Тэватрон. Именно он остается пока самым мощным протонным коллайдером. Большой адронный коллайдер сейчас ожидает починки и приступит к работе не ранее весны 2009 года.

Вкратце: что же было обнаружено

31 октября в архиве электронных препринтов появилась статья коллаборации CDF, работающей на протон-антипротонном ускорителе Тэватрон, с заголовком «Изучение многомюонных событий в протон-антипротонных столкновениях с энергией 1,96 ТэВ». В этой статье говорится, что в ходе работы коллайдера было зарегистрировано много событий, обладающих очень необычными свойствами.

Главным «действующим лицом» в этих событиях были мюоны — элементарные частицы из класса лептонов, к которому относится также и электрон. Лептоны отличаются тем, что они не чувствуют сильное ядерное взаимодействие, а взаимодействуют лишь через слабое или электромагнитное. Отсюда возникает характерная особенность мюонов — они довольно «неохотно» взаимодействуют с другими частицами. (К тому же мюоны в 200 раз тяжелее электронов, поэтому они плохо «сдвигаются» с места под действием электромагнитных сил, и из-за этого они очень мало ионизуют вещество, когда летят сквозь него; электроны же очень легкие, они электромагнитно взаимодействуют намного охотнее и быстро теряют энергию при движении сквозь среду, хотя заряд у мюона и электрона одинаков.) Поэтому мюоны способны пролететь сквозь многие метры вещества, тогда как электроны, протоны и другие частицы уже полностью поглощаются. И поэтому процессы, в результате которых рождается много мюонов, выглядят чрезвычайно странно. Ведь мюоны не могут просто так расплодиться, как например пи-мезоны в протонных столкновениях. Можно сказать, что у каждого мюона должна быть своя «причина» для рождения.

В обнаруженных коллаборацией CDF аномальных событиях как раз рождалось несколько мюонов. И странностей там было несколько. Прежде всего, один из зарегистрированных мюонов рождался не вблизи оси столкновения протонов, как это происходит обычно, а далеко от нее, иногда даже снаружи вакуумной трубы, по которой летают протонные сгустки. Такое могло бы произойти, если бы в протонных столкновениях рождалась нестабильная частица, которая пролетала несколько сантиметров и распадалась, породив мюон. Проблема только в том, что подходящая частица физикам неизвестна. Кроме того, часто такие «далекие» мюоны рождались не одиночными, а сразу по несколько штук. Получалось нечто типа «мюонной струи» — явление, совершенно невероятное с точки зрения Стандартной модели.

После тщательной проверки всех известных источников рождения мюонов и учета всех погрешностей экспериментаторы заявили, что обнаруженные события не могут быть объяснены известными им процессами. Конечно, скептик на это может возразить, что, скорее всего, тут проявился какой-то неучтенный артефакт сложнейшей аппаратуры или обработки данных. Но если причиной аномальных событий действительно являются какие-то новые частицы, то они будут гарантированно обладать совершенно нестандартными свойствами. Их обнаружение ознаменует собой открытие новой грани устройства нашего мира.

Как физики пришли к этому исследованию

Разворачивающийся на наших глазах настоящий «научный детектив» начался довольно давно, хотя тогда физики, конечно, не подозревали, к чему это их в конце концов приведет.

Среди всевозможных сильновзаимодействующих частиц (адронов), которые рождаются в столкновении протонов на адронных коллайдерах, физиков особенно интересуют B-мезоны. Одна из причин, почему они интересны, заключается в том, что их рождение и распад можно вычислить теоретически с хорошей точностью, поскольку эффекты адронизации не так сильно портят картину, как в случае легких мезонов.

Теоретики уже давно сосчитали сечение рождения этих мезонов. Однако когда экспериментаторы его измерили на разных коллайдерах, у них получилось значение в несколько раз больше теоретически предсказанного. Пример того, как обстояли дела по состоянию на 2003 год, см. на страничке Текущие открытия в ФЭЧ: b-проблема и в новости Тайна B-мезонов (там, правда, описываются результаты, полученные не на Тэватроне, а на электрон-протонном коллайдере HERA).

С тех пор прошло несколько лет. С одной стороны, теоретики уточнили свои расчеты. С другой стороны, экспериментаторы научились измерять это сечение двумя способами, которые различаются методом регистрации B-мезонов. Будучи короткоживущими частицами, эти мезоны пролетают от точки рождения не более нескольких миллиметров и распадаются, не достигнув детектора (см. рис. 1b). Распасться они могут как на несколько легких адронов, так и на адрон и мюон (плюс нейтрино, которое улетает, не оставляя следа в детекторе). Поскольку вероятности того или иного варианта («канала», как говорят физики) распада B-мезонов хорошо известны из других экспериментов, то, регистрируя на Тэватроне B-мезоны как через один, так и через другой канал распада, можно потом восстановить одну и ту же исходную величину — сечение рождения B-мезонов. Но тут-то две методики измерения сечения и не сходились. Если новые измерения, основанные на адронных распадах B-мезонов, уже согласовывались с теоретическими расчетами, то измерения через регистрацию мюонов по-прежнему сильно отличались от них. Таким образом, вместо несогласия теории с экспериментом проблема превратилась в несостыковку двух разных методик измерения сечения рождения B-мезонов.

В прошлом году коллаборация CDF повторила анализ процесса рождения B-мезонов через детектирование мюонов, использовав более совершенные методы обработки данных. На этот раз результат прекрасно сошелся как с теоретическими расчетами, так и с измерениями через адронные распады B-мезонов. Итак, загадка решена! Для полного счастья оставалось только понять, почему предыдущие измерения давали завышенные результаты.

Именно с этой целью и было предпринято новое исследование, результаты которого оказались неожиданными даже для самих экспериментаторов.

Методика и результаты исследования

Анализ 2007 года отличался от более раннего тем, что в нём учитывалось, откуда именно вылетают мюоны. Критерий отбора был простой: мюоны должны были обязательно пройти через два самых внутренних слоя детектора, то есть должны были вылетать из вакуумной трубы (см. рис. 1). Поскольку B-мезоны (а также другие короткоживущие частицы) до распада проходят от силы несколько миллиметров, а радиус трубы составлял целых 1,5 см, этот выбор был совершенно естественным. И вот теперь выяснилось, что этот критерий полностью отсекает события, в которых хотя бы один мюон рождается снаружи вакуумной трубы (см. рис. 1c). И таких событий набралось немало — свыше 150 тысяч при всей статистике в 740 тысяч событий.

Это само по себе поразительная вещь. Дело в том, что если след какой-то частицы не пересекает ось протонных столкновений (то есть частица рождается в стороне от «главных событий»), то это значит, что сначала родилась какая-то другая метастабильная частица, которая успела отлететь от места рождения и уже там распалась. Именно так, например, физики выискивают B-мезоны (см. опять же рис. 1b). Однако частиц, способных пролететь заметную дистанцию до распада (хотя бы миллиметр), очень немного. Проверив их все, физики выяснили, что мюоны ну никак не могли рождаться дальше нескольких миллиметров от оси пучка! Однако экспериментальные данные неумолимо говорят об обратном — иногда мюоны рождались в нескольких сантиметрах от оси.

Рис. 2. Распределение по прицельному параметру мюонов. Черными точками показаны аномальные события, красной гистограммой — обычные события, вызванные рождением и распадом известных частиц. Изображение из обсуждаемой статьи

Например, на рис. 2 показано распределение мюонов по прицельному параметру. Прицельный параметр — это кратчайшее расстояние от траектории частицы до оси пучка. Определить его несложно — когда заряженная частица пролетает концентрические слои детектора, она оставляет в каждом из них ионизационный след (см. рис. 1). По этим точкам можно восстановить траекторию частицы, продолжить ее назад и вычислить минимальное расстояние до оси.

Тут можно подвести промежуточный итог. В старых данных рождения B-мезонов через мюонный канал распада присутствовало большое число «неправильных» событий. Они гарантированно не являются результатом рождения и распада B-мезонов, но долгое время физики этого не понимали. А в анализе 2007 года от этих аномальных событий избавились, и тогда всё стало на свои места.

А вот теперь начинается самое интересное. Как только физики осознали, что эти аномальные события не могут быть результатом рождения и распада никаких из известных частиц, они принялись за тщательное их изучение.

Прежде всего, они подметили еще одну их странность, взглянув на заряд мюонов, вылетающих в противоположные стороны (на сленге физиков-экспериментаторов антимюоны часто тоже называются мюонами, но только с положительным зарядом). Для «нормальных» процессов мюоны, вылетающие в противоположных направлениях, обычно имеют противоположные знаки (то есть пары μ⁺μ^– рождаются чаще, чем μ⁺μ⁺ или μ^–μ^–). А для аномальных событий никакого предпочтения не обнаружилось.

Дальше — больше. Изучая, какие еще частицы меньшей энергии сопровождали эти далекие мюонные пары, экспериментаторы выяснили совершенно неожиданную вещь — часто мюоны (на каждой стороне) рождались не поодиночке, а сразу по несколько штук, вплоть до восьми (см. рис. 1c)! Причем положительные и отрицательные мюоны появлялись в самых разнообразных комбинациях, без какого-то четкого предпочтения. И последний штрих — эти мюоны вылетали не в произвольном направлении, а примерно вдоль направления исходного мюона. Иными словами, они образовывали настоящую мюонную струю — явление, совершенно неслыханное для Стандартной модели!

Возможные причины

Артефакт экспериментальной установки?

Сам собой напрашивается вывод, что в этом эксперименте открыта какая-то новая частица. Однако стоит напомнить, что когда экспериментатор видит в своей установке какое-то странное явление, он первым делом проверяет, не дала ли сбой его установка, не является ли причиной явления какой-то неизвестный ранее артефакт, неучтенная систематическая погрешность. И только после того, как будет проверено всё, что можно, и не будет найдена причина, экспериментатор осторожно говорит, что его установка действительно обнаружила новое явление.

Так и поступили члены коллаборации CDF. Прежде чем опубликовать результат, они провели большое число разнообразных проверок и моделирований, в которых пытались описать аномальные события уже известными явлениями. Они учли все, какие только возможно, процессы, приводящие к рождению мюонов с наблюдаемыми параметрами, а также перебрали все известные им источники погрешностей или ошибок самого детектора (то есть проверялась возможность, что это были обычные события, которые детектор в силу инструментальных ошибок «увидел» как мюонные и приписал им необычные свойства). Этот анализ включал, например, такие возможности:

Мюоны могли родиться в распаде относительно долгоживущих частиц, например K- или π-мезонов.

Это могли быть заряженные π-мезоны, которые детектор «перепутал» с мюонами.

Мюон из космических лучей, случайно пролетевший сквозь детектор как раз в момент столкновения двух сгустков, мог быть ошибочно интерпретирован детектором как два мюона, родившиеся в столкновении и вылетевшие в противоположных направлениях.

Незаметная долгоживущая частица могла при пролете сквозь детектор столкнуться с ядром какого-нибудь атома вещества детектора и породить мюон.

Анализ показал, что да, за счет таких «ложных срабатываний» детектор мог сгенерировать довольно много аномальных событий, но все их отнести на этот счет никак не получалось. Кроме того, распределение по прицельным параметрам было бы совсем иное. И наконец, в этих событиях никак не могли рождаться мюонные струи. Именно на основании этого анализа авторы заявили: при текущем уровне знаний как об элементарных частицах, так и о самом детекторе они не могут объяснить происхождение этих событий.

Новая частица?

Если же предположить, что мы здесь видим рождение и распад каких-то новых частиц, то эти частицы должны обладать удивительными свойствами.

Во-первых, они не могут быть слишком тяжелыми. Точного ограничения на их массу экспериментаторы пока не дали (возможно, оно появится в последующих публикациях), но судя по представленным данным, масса должна быть в районе от нескольких до нескольких десятков ГэВ.

Во-вторых, это сразу же наводит на мысль, что новая частица не может быть чем-то стандартным (скажем, еще одним кварком), потому что в этом случае новая частица давно проявилась бы в предыдущих экспериментах.

В-третьих, эта частица должна распадаться за счет либо слабого, либо какого-то совсем нового типа взаимодействий. На это указывает большая дистанция, которую частица пролетает до распада, а значит, довольно большое среднее время жизни.

В-четвертых, скорее всего тут должна проявляться не одна, а сразу несколько новых частиц. Действительно, трудно представить, чтобы многомюонный распад произошел за один прием. Более вероятно, что здесь наблюдается «каскадный» распад — когда одна новая частица распадается на другую полегче и испускает мюон, та в свою очередь распадается дальше, тоже с испусканием мюона, и так далее. Такие цепочки распадов возможны в ряде теорий, например в суперсимметричных теориях (см. рис. 3).

Рис. 3. Типичный каскадный распад новых частиц в суперсимметричных теориях. Заметьте, что в ходе распада испускается положительный и отрицательный лептон l⁺ и l^–. Более длинные цепочки могли бы в принципе породить многомюонные события. Изображение с сайта physics.gla.ac.uk

Тут самое время упомянуть теоретическую статью LHC Signals for a SuperUnified Theory of Dark Matter, появившуюся в архиве электронных препринтов всего три недели назад. В ней предлагается новая модель темной материи, основанная на специально построенной разновидности суперсимметричных теорий. Вообще-то, авторы той работы старались описать новые астрофизические данные, например нашумевшие результаты спутника PAMELA. Однако попутно они выяснили, что в их теории новые частицы могут распадаться и с образованием большого числа электронов и мюонов — фактически, они предсказали лептонные струи.

Является ли это совпадением или же тут имела место утечка информации — сказать трудно. Питер Войт, известный своим блогом Not Even Wrong, утверждает, что из-за плохо сконфигурированного сервера коллаборации CDF поисковик Google проиндексировал предварительные тексты статей по поводу этого открытия, датированные еще июлем этого года. Поэтому в течение некоторого времени все данные находились в свободном доступе. Однако один из авторов теоретической статьи клянется, что конструируя свою модель, он не имел ни малейшего представления о данных CDF. Второй автор спустя некоторое время тоже выступил с подробным описанием того, как они пришли к своей модели, и с негодованием отмел предположения, что он тайком подглядывал в данные CDF до их публикации.

Так или иначе, можно быть уверенным, что в ближайшие месяцы (начиная буквально со следующей недели) пойдет поток теоретических статей, в которых будет предлагаться то или иное объяснение обнаруженной аномалии. Однако намного более важными в этой ситуации будут дальнейшие экспериментальные данные. Прежде всего, сейчас абсолютно необходимы данные второго крупного эксперимента, работающего на Тэватроне, — DZero. Если в нём тоже видна такая же аномалия, значит она не является артефактом CDF, а представляет собой нечто реальное. Затем, полезно выяснить, не наблюдается ли подобный эффект в рождении электронов. Ну и, конечно, надо будет дождаться более подробного анализа CDF, ведь сейчас они представили лишь промежуточные результаты.