Vârful celor două fotoni a dispărut în noile date de coliziune • Igor Ivanov • Stiri științifice despre "Elemente" • LHC, căutarea unei noi fizici, a fizicii

Vârful celor două fotoni a dispărut în noile date de coliziune

"- Vezi un gopher?
– Nu.
– Și nu văd. Și el este! "

Doi fizicieni teoretici studiază noile date ale colizoarei
și nu le pot crede.

Fig. 1. Participanții la conferința ICHEP 2016 au atras complet audiența conferinței și au stat în ușă în așteptarea unor știri despre vârful celor două fotoni. Imagine de pe twitter.com

La conferința ICHEP 2016, au fost publicate noile rezultate ale Coordonatorului de Large Hadron Collider pe un vârf misterios de doi fotoni cu o masă de 750 GeV, sugestii despre care au apărut în urmă cu șase luni. Acum, pe baza statisticii de patru ori mai mult, colaborările ATLAS și CMS au făcut un verdict fără echivoc: nu există nici un indiciu al acestui vârf în noile date. Ceea ce fizicilor teoreticieni deranjați în ultimele luni sa dovedit a fi o fluctuație statistică.

Sfârșitul povestii

O explozie de doi fotoni cu o masă de 750 GeV, care a pus comunitatea științifică în fizica particulelor elementare pe urechi și a devenit subiectul a peste 500 de articole teoretice, sa dovedit a fi un miraj, un basm. Fantezie frumoasă, credibilă și agitată – dar un basm. Ne-a lăsat cu sentimente puternice și amintiri calde, dar trebuie să mergem mai departe.

În dimineața zilei de 5 august, la conferința ICHEP 2016, evenimentul principal al anului în fizica particulelor, care are loc în zilele noastre,Reprezentanții experimentelor ATLAS și CMS au arătat noile rezultate mult așteptate ale Large Hadron Collider privind nașterea a doi fotoni de mare energie. Anul trecut, când colizorul a început doar al doilea sezon după o pauză lungă, statisticile erau foarte modeste, corespundeau unei luminozități de puțin mai mult de 3 fb-1. În acest an, colizorul a atins viteza record de colectare a datelor, astfel încât rezultatele prezentate la conferința pentru anul 2016 s-au obținut la o luminozitate de aproximativ 12 fb-1. Ultima sesiune de date din acest eșantion a avut loc în noaptea de 14-15 iulie.

În luna martie, abaterea de la modelul standard părea foarte semnificativă – aruncați o privire spre fig. 2 și 3 din știrile din martie și a existat motive să se spună că o creștere de cinci ori a statisticilor ar duce la o descoperire garantată. Presupunând, bineînțeles, că abaterea observată atunci este reală, că nu este o fluctuație statistică.

Dar noi date au distrus aceste speranțe. În fig. 2 arată același grafic ca în știrile precedente, dar numai cu noi statistici. Nu a fost nici o urmă a izbucnirii la 750 GeV. În plus, în funcție de comportamentul rău al statisticilor, chiar și cu această valoare există chiar o anumită lipsă de evenimente, și nu un exces.În întreaga gamă de mase invariante de până la 2500 GeV, nu există nici o abatere semnificativă din fundalul modelului standard (curbele de culoare din figura 2). Fluctuațiile în sus și în jos sunt prezente în date, dar arată exact la fel cum v-ați aștepta de la fluctuațiile statistice obișnuite. Chiar și un fel de creștere a datelor CMS (Fig.2, dreapta) în regiunea de 600-650 GeV nu trage nici o abatere notabilă – mai ales că nu este confirmată în experimentul ATLAS.

Fig. 2. Distribuția evenimentelor cu două fotoni prin masa invariantă în datele ATLAS (în stânga) și CMS (în dreapta). Curbele de culoare arată cele mai bune modele de fundal; Datele de mai jos minus această curbă în unități absolute (pentru ATLAS) și în unități de eroare statistică (pentru CMS). Imagini din rapoartele discutate

O comparație a datelor acumulate cu fundalul este cel mai bine prezentată în Fig. 3 utilizând exemplul experimentului ATLAS pentru o rezonanță scalară moderată; CMS are un model similar. Aici sunt cele locale. p– valorile, adică probabilitatea ca doar procesele de bază ale modelului standard, fără nicio Fizică nouă, să poată, datorită atacurilor statistice, să ofere, pentru o anumită valoare a masei, o astfel de abatere (sau chiar mai mare) pe care fizicienii o vedeau în experiment. Când este p– valoarea scade la cantități foarte mici, de ordinul unei mii și mai jos, aceasta dă motivul fizicienilor de a bănui că nu pot face cu un singur fond, că poate că există un nou efect.

Fig. 3. Programul local p– valori pentru diferite mase invariante de doi fotoni conform ATLAS. În roșu și albastru culoarea arată datele din 2016 și 2015; curba neagră – rezultatul cumulat. Imagine de la atlas.web.cern.ch

În datele din 2015, acesta a fost cazul: curba albastră punctată la 750 GeV scade brusc. Cu toate acestea, în datele din 2016 (linia roșie punctată) nu se observă nimic de acest fel. Chiar dacă combinăm aceste două eșantioane, efectul local total scade la 2σ, și asta se datorează numai datelor vechi. Din punctul de vedere al experimentului, nu este nimic; fluctuațiile acestei scale vor apărea în mod inevitabil în cel puțin unele statistici mari.

Pentru a completa punctul "i", colaborarea CMS a arătat cum ar trebui să pară semnalul din noua particulă dacă ar fi real, iar secțiunea transversală a masei și a nașterii ar fi cea indicată de analiza din martie. Este arătat în Fig. 4 în regiunea masei invariante de 600-900 GeV. Vârful ar trebui să se ridice cu mândrie deasupra fundalului cu aproape 4 deviații standard. În schimb, eșecul.

Fig. 4. Aceleași date ca în fig. 2, pe dreapta, în regiunea de 600-900 GeV. În roșu Arată cum ar fi trebuit să semene semnalul, care a fost indicat de analiza din martie. Imagine de la indico.cern.ch

Concluzia este lipsită de ambiguitate și implacabilitate: Expansiunea cu două fotoni la 750 GeV închisă. Ceea ce am văzut în datele de anul trecut a fost doar o fluctuație statistică. Rezultatele noi sunt în concordanță cu așteptările modelului standard.

Rezultatul negativ al căutării de rezonanță, așa cum este cazul în astfel de cazuri, a permis fizicilor să stabilească o limită de sus pe secțiunea transversală pentru producerea unei particule ipotetice. În fig. 5 arată limitările datelor ATLAS. În aproape întreaga gamă de masă, limitările au crescut de 2-4 ori comparativ cu datele vechi și, în special, au închis secțiunea transversală cu o masă de 750 GeV, estimată în martie (5-10 fb).

Fig. 5. Limita superioară a secțiunii transversale pentru producerea unei rezonanțe grele ipotetice cu decăderea cu două fotoni. În roșu și albastru culoarea arată datele din 2016 și 2015; curba neagră – rezultatul cumulat. Imagine de la atlas.web.cern.ch

Întrebări și lecții

Senzația de băutură a dispărut la fel de repede. Dar a lăsat în urmă întrebări care, într-un anumit sens, au trecut chiar de pe un plan pur științific: Ce a fost asta? Cum sa întâmplat asta? Au fost îndeplinite așteptările?

Mai întâi de toate, subliniem din nou că nu există nici o puncție în experimentul în sine, cu atât mai puțin în comportamentul experimenților. Acuzațiile pe care participanții în experimente le-au dat ceea ce era dorit pentru real au fost neîntemeiate. Abordarea analizei datelor a fost echilibrată și imparțială, rezultatele analizei au fost comunicate în cele mai conservatoare formulări, iar în comunicarea cu teoreticienii și cu presa experții au subliniat că este prea devreme pentru a trage concluzii, sunt necesare noi date. Cea mai puternică afirmație că colaborările emise oficial în luna martie, după noi rezultate confirmatoare, au sunat "acum putem fi discret optimistiExperienții nu au vorbit nici măcar cu cuvântul "descoperire". Și acest lucru este foarte diferit de situația cu neutrino superluminal, când toate hype-urile au apărut din cauza unui cablu defect și din mesajul grăbit al BICEP2 despre înregistrarea undelor gravitaționale primare în polarizarea radiației de fond – că fundalul galactic a fost estimat incorect.

Aici, aparent, cu experimentul, totul era în ordine de la început până la sfârșit. Diferența în rezultate ar putea fi atribuită faptului că în trecut analiza fizicii nu a luat în considerare ceva, dar acum a fost luată în considerare.Dar tehnica de analiză a rămas la fel, tocmai acum a fost procesată de noua matrice de date (și, întâmplător, cea veche a fost verificată din nou). Se pare că datele au jucat o glumă crudă cu fizicienii – și în ambele experimente simultan. Coincidența este ciudată, nu există nici o dispută, dar reprezentanții colaborării nu au altă explicație (figura 6). Ei chiar au estimat probabilitatea ca aceeași situație fizică să producă rezultate atât de diferite în două eșantioane de date consecutive. Probabilitatea sa dovedit a fi mai mică decât un procent (2.7σ, ATLAS) și câteva procente (2.4σ, CMS). Probabilitatea unei astfel de glume de natură nu a fost dată în ambele experimente simultan.

Fig. 6. Reprezentantul ATLAS, Dave Charlton (David Charlton), răspunzând la întrebarea unui jurnalist la o conferință de presă, este de acord că coincidența strânsă a fluctuațiilor statistice din cele două experimente pare surprinzătoare, dar el nu vede nicio altă explicație. Transmisie video de pe ecran

Extensive – și, după cum sa dovedit, neajutorate – așteptările se află mai degrabă pe conștiința teoreticienilor, inclusiv a multor oameni cu nume mari, care, încă de la prima zi, au aruncat forțe remarcabile asupra unei discuții cuprinzătoare a abaterilor în ceea ce privește noua fizică și astfel au dat un exemplu personal multor altora.Analiza inițială a ATLAS și CMS a arătat o abatere la nivelul semnificației statistice (combinate neoficial) de aproximativ 3σ. Pentru aceasta, în general, abaterea modestă, răspunsul fizicienilor a fost optimist în mod nejustificat. Desigur, există o reacție, incluzând nu numai glume, ci și acuzații directe ale unor teoreticieni ai altora. Prin urmare, dacă vorbim despre "pierderea contactului", nu este între fizicieni și presă, ci mai degrabă între experienti și teoreticieni. Este posibil ca, în urma rezultatelor acestei povestiri, să se revizuiască cât de multă greutate ar trebui să fie atașată abaterilor de 4-5 sigma, mai ales atunci când apar într-o zonă neexplorată anterior.

În această poveste există totuși momente pozitive. În primul rând, eforturile depuse de mii (!) Teoreticieni nu vor fi în zadar, cel puțin pentru că au apărut evoluții fenomenologice universale în cazul unei noi surse neașteptate numai într-unul din canalele fără confirmare în altele. În al doilea rând, este bine că anomalia a dispărut rapid și necondiționat. Ar fi fost mult mai rău dacă o astfel de creștere ar fi fost dezvăluită la sfârșitul primei sesiuni a lucrărilor de coliziune în 2012: apoi, timp de trei ani, fizicienii s-ar fi amuzat de iluzii. Situația ar fi la fel de neplăcută dacă noile date nu au închis deviația, dar au păstrat-o pe marginea celor curioși.Fizicienii au trecut recent printr-o situație cu incertitudine agonizantă, când decăderea bosonului Higgs în două fotoni (din nou un canal cu două fotoni!) Se părea neconvențional pentru o lungă perioadă de timp.

În general, comunitatea științifică din fizica elementară a particulelor își aduce simțurile și revine la o interpretare teoretică ponderată și rezonabilă a datelor. Din fericire, aceleași date vor fi acum foarte multe. Colaționatorul funcționează corect, statisticile se vor tripla până la sfârșitul acestui an – și apoi vor crește de mai multe ori până la sfârșitul sesiunii de rulare 2. În sfârșit, anul 2020 va fi mulțumit de o creștere de zece ori a statisticilor în comparație cu întreaga probă Run 2. Acest program a fost deja aprobat de CERN și va fi pus în aplicare indiferent de evoluțiile din următorii ani. Până în prezent, mai puțin de un procent din totalul datelor pentru care a fost proiectat LHC a fost acumulat și, anticipând noi orizonturi, acest procent ar trebui să fie analizat cu seriozitate și atenție.

referințe

ATLAS Colaborare:

  • Căutați o rezonanță de difoton în masă cu ajutorul detectorului ATLAS // la conferința ICHEP 2016;
  • Căutați rezonante scalare de difoton cu 15,4 fb-1 a datelor colectate la sqrt (s) = 13 TeV în 2015 și 2016 cu ajutorul detectorului ATLAS // publicație preliminară ATLAS-CONF-2016-059;
  • Căutări cu Diphoton la ATLAS // Seminar la CERN (PDF, 29 Mb);
  • Rezonanțe di-fotonice cu masă ridicată: primele rezultate ATLAS 2016 // note pe site-ul ATLAS.

Colaborare CMS:

  • Căutări pentru CMS // raport final la ICHEP 2016;
  • Fotoni perechi pentru producția de volum mare-1 a coliziunilor proton-proton la sqrt (s) = 13 TeV și interpretarea combinată la 8 și 13 TeV // publicarea preliminară CMS-PAS-EXO-16-027;
  • Căutări cu Diphoton la seminarul CMS // CERN (PDF, 21 Mb).

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
Lasă un răspuns

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