Избыток топ-антитоп кварков у порога рождения: что означает результат ATLAS

Физики коллаборации ATLAS, работающие на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе, зафиксировали неожиданное превышение числа событий рождения пар топ-кварк — антитоп-кварк вблизи кинематического порога. Этот избыток, составляющий около 5% по сравнению с предсказаниями Стандартной модели, пока не достигает уровня статистической значимости, необходимого для открытия, но уже привлёк внимание научного сообщества. Результаты, опубликованные в журнале Physical Review Letters, основаны на анализе данных протонных столкновений с энергией 13 ТэВ, собранных в 2015–2018 годах, и могут указывать на существование новых частиц или взаимодействий, выходящих за рамки известной физики.

Детали наблюдения

Коллаборация ATLAS изучала процесс рождения пары топ-кварк — антитоп-кварк (tt̅) вблизи порога, где суммарная энергия системы минимальна для образования такой пары. В этой области сечение процесса крайне чувствительно к деталям взаимодействия кварков, включая возможные вклады от гипотетических частиц, таких как аксионы или Z'-бозоны. Анализ показал, что измеренное сечение на 0.5–1.5 сигма выше предсказаний квантовой хромодинамики (КХД) в зависимости от используемой теоретической модели. Важно, что избыток наблюдается в нескольких независимых каналах распада, что снижает вероятность систематической ошибки.

Каковы возможные объяснения избытка?

Стандартная модель предсказывает сечение tt̅ с точностью около 10%, но вблизи порога неопределённости растут из-за сложностей в расчётах КХД. Избыток может быть объяснён как статистической флуктуацией, так и вкладом новой физики. Наиболее интригующая гипотеза — существование нейтрального калибровочного бозона Z', который мог бы усиливать рождение tt̅. Другая возможность — аксионоподобные частицы, которые также могут влиять на сечение. Для подтверждения любой из этих гипотез необходимы данные с большей статистикой, которые будут получены в ходе Run 3 БАК, начавшегося в 2022 году.

Предыстория и контекст

Топ-кварк — самая тяжёлая известная элементарная частица, его масса примерно в 180 раз больше массы протона. Из-за огромной массы топ-кварк распадается до того, как успевает образовать связанные состояния, что делает его уникальным инструментом для проверки Стандартной модели. Предыдущие измерения сечения tt̅ на БАК в целом согласуются с теорией, но область вблизи порога оставалась наименее изученной. В 2019 году коллаборация CMS также сообщила о небольшом избытке в аналогичных данных, но с меньшей статистической значимостью. Новый результат ATLAS, основанный на полном наборе данных Run 2, является наиболее точным на сегодняшний день.

Технические подробности анализа

Анализ ATLAS использовал события с одним или двумя лептонами в конечном состоянии, что характерно для распадов топ-кварков. Для выделения сигнала применялись методы машинного обучения, в частности нейронные сети, обученные на смоделированных событиях. Основные систематические неопределённости связаны с моделированием фона от других процессов, таких как рождение W-бозонов с дополнительными струями. Физики ATLAS также учли эффекты высших порядков КХД, используя новейшие теоретические расчёты. Полученное сечение tt̅ составило 826 ± 20 фбн, что на 2.5% выше предсказаний теории, но в пределах общей неопределённости.

Кого затронет и как

Результаты ATLAS в первую очередь важны для физиков-теоретиков, работающих над расширениями Стандартной модели. Если избыток подтвердится, это может стать указанием на направление поиска новой физики, например, на массу Z'-бозона в диапазоне нескольких ТэВ. Для экспериментаторов это стимул к более точным измерениям и разработке новых методов анализа. В более широком контексте любые отклонения от Стандартной модели имеют значение для понимания фундаментальных законов природы, но пока результат остаётся предварительным. Российские учёные активно участвуют в коллаборации ATLAS, внося вклад в анализ данных и моделирование.

Что будет дальше

Коллаборация ATLAS продолжит анализ данных Run 3, который должен увеличить статистику в два раза по сравнению с Run 2. Ожидается, что уже к 2025 году точность измерений сечения tt̅ вблизи порога будет достаточной, чтобы подтвердить или опровергнуть избыток на уровне 5 сигма. Кроме того, планируются аналогичные анализы в других каналах, а также совместный анализ данных ATLAS и CMS для повышения чувствительности. Теоретики также работают над уточнением предсказаний КХД, чтобы уменьшить систематические неопределённости.

Итог

Наблюдаемый избыток топ-антитоп кварков вблизи порога рождения — один из наиболее интересных результатов на БАК за последние годы. Хотя пока он не дотягивает до уровня открытия, он стимулирует дальнейшие исследования и может стать ключом к новой физике. Следите за новостями ЦЕРНа — в ближайшие годы мы узнаем, является ли это отклонение статистической флуктуацией или первым признаком чего-то фундаментально нового.