CMS проверил еще одну экзотическую возможность — материализующиеся струи

Три года назад теоретики предложили еще один, довольно необычный, вариант того, как частицы «темного сектора» могут проявляться в детекторе, — в виде адронных струй, постепенно материализующихся словно ниоткуда. Недавно коллаборация CMS впервые выполнила поиск таких необычных объектов, но число зарегистрированных событий не противоречило фону Стандартной модели.

Рис. 1. «Материализующаяся струя» — адронная струя, в которой многочисленные адроны возникают при распаде невидимых детектором гипотетических «темных адронов»Когда физики формулируют критерии поиска проявлений Новой физики в данных Большого адронного коллайдера, они могут ориентироваться на конкретные процессы (то есть рождение определенного набора частиц), а могут — на специфические «сигнатуры», то есть глобальные характеристики событий, не привязанные жестко к конкретному типа рожденных частиц. Например, при поиске событий с рождением частиц темной материи самая популярная сигнатура — это «потерянный поперечный импульс», то есть аномально большой дисбаланс в поперечных импульсах всех зарегистрированных частиц. Если же физики отбирают события с метастабильными «темными» частицами, которые могли пролететь расстояние порядка метра и распасться на обычные частицы, они часто обращают внимание на другую сигнатуру — смещенные вершины (см., например, новость Поиск смещенных фотонов в детекторе ATLAS не выявил ничего необычного). В событиях с такой сигнатурой наблюдаются несколько частиц, вылетающих не из точки первоначального столкновения, а откуда-то сбоку от оси столкновений.

Сигнатуры не берутся с потолка. Физики предлагают их, опираясь на те или иные теоретические модели Новой физики и на присутствующие в них экзотические частицы. Придумать модель с новыми сигнатурами и убедить экспериментаторов выполнить поиск таких событий — это одна из задач работы феноменолога, специализирующегося на моделях Новой физики.

В появившейся недавно предварительной публикации коллаборации CMS PAS EXO-18-001 рассказывается о первых поисках сигнатуры нового типа, получившей название «материализующиеся струи» (emerging jets). Эта идея была предложена три года назад в теоретической статье arXiv:1502.05409, затем была проработана разными группами, и вот сейчас экспериментаторы взяли ее на вооружение.

Речь идет о гипотетической, но ничем не запрещенной ситуации, когда в природе, в дополнение к известным частицам материи, существует и богатый темный сектор. Это условное название для нового, до сих пор неоткрытого набора частиц, которые (почти) не чувствительны к обычным силам, но подвержены новому, достаточно интенсивному силовому взаимодействию. Наподобие того, как кварки связываются в адроны с помощью обычного сильного взаимодействия, это новое силовое взаимодействие тоже может объединять «темные частицы» в компактные группы, своего рода «темные адроны». Легчайшие частицы из этого сектора стабильны и формируют темную материю. Но кроме них могут существовать и возбужденные или просто более тяжелые нестабильные связанные состояния, наподобие тяжелых адронов.

Особенно интересной ситуация становится, когда темные адроны распадаются не слишком быстро и способны пролететь макроскопическое расстояние до распада. Родившись на LHC в столкновении протонов, такие темные частицы могут отлететь от оси столкновений, не оставив в детекторе никакого следа, а затем распасться. Обычные частицы, вылетевшие из точки их распада, уже будут хорошо регистрироваться, и детектор в результате «увидит» необычную картину — несколько треков, берущих свое начало из точки, находящейся в стороне от оси столкновений.

Само по себе это еще не свидетельствует о каких-то новых явлениях. В конце концов, обычные метастабильные адроны тоже отлавливают именно так, по смещенной вторичной вершине. Однако если «темный адрон» — достаточно тяжелая частица, то она при распаде может породить одну или несколько адронных струй с большой инвариантной массой (рис. 2, слева). Обнаружение тяжелой и достаточно долгоживущей частицы стало бы выдающимся открытием. Физики, конечно, уже искали подобные события, но, к сожалению, ничего не нашли.

Рис. 2. Структура адронных струй, возникающих при распаде одиночной темной частицы (слева) или при постепенном распаде многочисленных «темных адронов» (справа) существенно различается

Казалось бы, на этом можно ставить точку. Но именно тут авторы теоретической публикации arXiv:1502.05409 нашли не закрытую пока лазейку. Они предлагаю рассмотреть ситуацию, когда в столкновении протонов рождается не пара «темных частиц», а целые струи «темных адронов». По аналогии с обычными струями они состоят из направленного потока частиц, но поскольку эти частицы не взаимодействуют с веществом детектора, они совершенно незаметны. Однако дальше темные адроны начинают распадаться, причем каждый — на своем расстоянии. В распаде каждого темного адрона возникают обычные, регистрируемые частицы, которые прочерчивают четкий след в трековом детекторе (рис. 1). Но все эти вторичные частицы появляются не одномоментно, а постепенно материализуются словно ниоткуда по мере движения струи темных адронов сквозь детектор. Обратите внимание, что такой тип событий выглядит совсем не так, как адронный распад одной-единственной тяжелой темной частицы. Треки обычных адронов, материализовавшихся из темной струи, вовсе не сходятся все в одну точку (рис. 2). Такие события с веером разлетающимися частицами уже не удовлетворяют использованным ранее критериям поиска, и значит, эта необычная картина еще не была закрыта экспериментом.

В недавней предварительной публикации CMS впервые был выполнен такой поиск. Материализующаяся струя определялась как событие с несколькими вторичными вершинами, смещенными в сторону от оси столкновений, причем примерно в одном направлении. Отбор таких необычных струй дополнительно осложнялся эффектом pile-up, то есть тем фактом, что в каждом столкновении плотных протонных сгустков происходит несколько десятков независимых протон-протонных соударений в разных точках на оси. Чтобы отсеять подобные ложные срабатывания, экспериментаторам пришлось проанализировать внутреннюю структуру материализующихся струй и построить кинематическую переменную, которая отличала их от случайного наложения несвязанных друг с другом адронных следов.

Поиск материализующихся струй велся в статистике 2016 года, отвечающей интегральной светимости 16,6 fb–1. Было сформулировано семь различных критериев для их опознания, однако во всех вариантах поиска число событий, прошедших отбор, не противоречил фону Стандартной модели.

Таким образом, и эта экзотическая возможность была проверена, но тоже не нашла подтверждения. Даже если подобные частицы и существуют, то они либо живут намного дольше времени пролета сквозь детектор, либо рождаются слишком редко. Так или иначе, эта работа представляет собой еще одну иллюстрацию диалога между теоретиками и экспериментаторами, когда одни придумывают новую гипотетическую возможность с необычными последствиями, а другие ее проверяют спустя год-два.