Загадочное отклонение, обнаруженное CMS в статистике Run 1, не подтвердилось в данных 2016 года

Выполняя рутинный поиск эффектов Новой физики в канале рождения мюонных пар и b-струй, коллаборация CMS обнаружила в данных Run 1 неожиданно сильное отклонение от фона при инвариантной массе мюонной пары 28 ГэВ. Это могло бы стать громким открытием, если бы сеанс Run 2 подтвердил отклонение, но в данных 2016 года подобного отклонения не видно. В отсутствие понимания, как сопоставить эти два набора данных, коллаборация CMS пока воздерживается от вынесения вердикта.

Строя модели Новой физики, теоретики обычно дополняют Стандартную модель новыми тяжелыми частицами с массами порядка ТэВ и выше. Когда экспериментаторы проверяют предсказания таких моделей по данным LHC, они измеряют сечение рождения двух или более частиц (двух фотонов, двух лептонов или двух адронных струй) для разных инвариантных масс и ищут аномальные всплески на плавном фоне Стандартной модели. В 2013–2015 годах, когда шла интенсивная обработка данных сеанса Run 1, такие всплески действительно порой возникали (мы за ними следили на странице Загадки коллайдера). Затем, под натиском данных Run 2 при более высокой энергии столкновений 13 ТэВ, все эти отклонения, одно за другим, исчезли.

Однако Новая физика может проявляться и иначе, в виде относительно легких частиц, которые вполне доступны коллайдеру по энергии, но по каким-то причинам остаются незамеченными. Например, они могут очень редко рождаться на LHC из-за слабости своего взаимодействия с обычной материей. Либо они предпочитают распадаться в такие наборы частиц, в которых очень велик фон Стандартной модели. Поэтому каждый раз, когда экспериментаторы накапливают большой объем новых данных, они ищут в них не только тяжелые, но и умеренно легкие частицы, с массами в несколько десятков ГэВ.

На днях коллаборация CMS в своей статье Search for resonances in the mass spectrum of muon pairs produced in association with b quark jets in proton-proton collisions at sqrt(s)=8 and 13 TeV (arXiv:1808.01890) обнародовала результаты поиска новых частиц с массами от 12 до 70 ГэВ в данных Run 1 и первого этапа Run 2, который ограничивался 2016 годом (интегральная светимость 36 fb^–1). В этой работе изучалось рождение b-кварк-антикварковой пары и мюон-антимюонной пары с достаточно большими поперечными импульсами. Мюоны хорошо регистрируются напрямую, а b-кварки определяются опосредованно, по наличию как минимум одной b-струи (адронной струи, содержащей прелестный адрон). Критерии отбора событий учитывали импульсы всех частиц. Мюоны должны были нести поперечный импульс как минимум 25 ГэВ, их инвариантная масса должна была превышать 12 ГэВ, чтобы отсечь события с рождением и распадом на мюоны тяжелых адронов. Струи тоже должны обладать существенным поперечным импульсом, не менее 30 ГэВ. При этом b-струя должна была попадать в центральную часть детектора, а вторая адронная струя могла либо тоже детектироваться там же (сигнальная область 1), либо вылетать в направлении, прижатом к оси столкновений (сигнальная область 2). Все эти критерии были выбраны для поиска событий с рождением b-анти-b-пары, которая тут же излучает гипотетический легкий бозон A, распадающийся на мюоны. Подобные частицы есть во многих моделях Новой физики, включая многохиггсовские модели или теории с новыми взаимодействиями и умеренно тяжелыми частицами-переносчиками.

Та же коллаборация CMS уже искала подобные события в данных Run 1 (см. прошлогоднюю статью Search for a light pseudoscalar Higgs boson produced in association with bottom quarks in pp collisions at sqrt(s) = 8 TeV (arXiv:1707.07283), но ничего бросающегося в глаза тогда не нашла. В распределении по инвариантной массе мюонов m_μμ наблюдались одиночные всплески, но из-за большого остаточного фона они не вызывали подозрений. Сейчас алгоритм отбора событий был усовершенствован, фон от Стандартной модели был существенно подавлен — и в данных вдруг показались детали, которые раньше были не видны.

На рис. 1 приведено распределение по m_μμ в двух сигнальных областях. Практически везде данные неплохо согласуются с фоном Стандартной модели (цветные гистограммы). Однако в районе 25–30 ГэВ на обоих графиках есть четко заметное отличие, которое затрагивает не одну точку, а небольшой интервал значений. Локальная статистическая значимость отличия в первой области составляет 4,2σ, и даже после поправки на множественность выборки она остается на солидном уровне 3σ. Во второй области локальная значимость отклонения скромнее и достигает всего лишь 2,9σ. Однако тот факт, что оно попадает ровно на ту же область масс, подчеркивает необычность отклонения.

Это сообщение могло бы стать громким заявлением, способным вызвать поток теоретических работ, если бы данные Run 2 подтвердили отклонение. Но увы, в статистике 2016 года (нижняя пара графиков на рис. 2) глазу вообще не за что зацепиться. Если в сигнальной области 1 в этом месте еще худо-бедно проступает какой-то намек на всплеск, то в области 2 там красуется нехватка событий, а вовсе не превышение.

Закрывают ли данные 2016 года всплеск сеанса Run 1? Коллаборация CMS в своей статье придерживается очень осторожных формулировок. С одной стороны, авторы многократно перепроверили все известные источники систематических погрешностей и не могут списать всплеск ни на один из них. Может ли он быть вызван каким-то экзотическим физическим процессом, который ослабевает с ростом энергии протонных столкновений? Авторы замечают, что сигнал Run 1 точно не может быть дополнительным бозоном Хиггса, который предсказывается простыми многохиггсовскими моделями, поскольку тогда он проявился был намного сильнее в других каналах распада. Но если непонятно, что могло породить всплеск в сеансе Run 1, то тогда следует пока воздержаться от прямого сравнения двух наборов данных при энергиях 8 и 13 ТэВ. Коллаборация ограничивается лишь общим замечанием, что нужны новые данные и свежий взгляд теоретиков на эту ситуацию. До тех пор, пока сообщество не пришло к консенсусу, ситуация остается подвешенной.

Игорь Иванов