4 Истерия с предполагаема нова тежка частица

Този вторник неочаквано гръмна бомбата, че експериментът CDF е регистрирал следи от неизвестна свръхтежка частица. Съвсем накратко: при сблъсъци с високи енергии, е възможно да се родят свръхтежки частици с маси, които са стоици пъти по-големи от тези на протона и неутрона. Те са краткоживущи и по продуктите на разпада им се определят техните свойства – заряд, маса, време на живот, различни квантови числа... Често се работи в термините на т.нар. инвариантни маси, които най-просто казано представляват специфична сума от масите на продуктите на разпада. Изходната частица се проявява като пик в тези разпределения, чието положение показва масата й, а ширината на пика – вероятността за разпад (по този начин например през 80-те беше регистриран Z⁰ бозона 15 години след като масата му бе предсказана с огромна точност).

Откритието на CDF (единият от двата експеримента на Теватрона край Чикаго) се състои в това, че в инвариантната маса на събития с 2 джета (струи от частици, родени при разкъсването на връзката между два кварка) точно след пика на WW/WZ в диапазона 120-160 GeV, се наблюдава излишък от събития над теоретичните предсказания, който позволява фитиране с гаусова функция, резултираща в сигнал на ниво 3.2 стандартни отклонения (σ). Във физиката един сигнал се приема за статистически значим, когато е над 3σ и за истинско наблюдение, когато е над 5σ. С други думи – в случая си говорим за нещо, което е малко над границата, над която трябва да му се обърне внимание. Ето ги и споменатите разпределения:

Самата статия бе публикувана в arXiv преди няколко дни, и е изпратена в Physical Review Letters, където трябва да бъде ревюирана от поне двама независими рецензенти. В сряда вечерта анализът бе представен публично за пръв път с организиран web-cast от Фермилаб, който е достъпен тук. Въпреки, че думите „нова частица”, „бозон на Хигс”, „суперсиметрични партньори” бяха внимателно избягвани през цялото време, за всички е ясно, че ако в този масов диапазон цъфне подобен пик със статистическа значимост, това ще е най-великото откритие във физиката за последните десетилетия. В този смисъл е изненадващо, че тази новина бе отразена от не особено голям брой издания, а доколкото ми е известно, това е първият текст на български език по въпроса. Явно когато новините от физиката са придружени с илюстративен материал от източника, а не с гръмки, но за сметка на това глупави метафорични заглавия като „учени търсят частицата на Бог под картофена нива в Швейцария”, не хващат око толкова лесно.

Преди време шефът на CMS – Гидо Тонели, беше казал, че най-големият му кошмар би бил, ако отвори вестника сутринта и прочете, че на Теватрона са открили хигс или суперсиметрия. Ясно е, че след още само година работа LHC ще избълва такава статистика, че ще пренапише цялото PDG-издание с многократно по-голяма точност (това вече започва да се случва: на двете най-важни зимни конференции тази година LHCb показаха първи резултати по измерване на вероятността на процеса B_S→m⁺m^-, един от „златните” им разпади, където се търси нова физика, и само след няколко месеца натрупване на статистика почти достигат точността на CDF и D0). Спор няма, че ако хигс и суперсиметрия съществуват, то те ще бъдат измерени на LHC. По-важният въпрос обаче е друг – престижът отива не за този, който направи 1% измерване на масата на хигса, а за този, който пръв е открил, че такъв действително съществува. И двата експеримента на Теватрона все още имат шанс, затова новината за странния пик на CDF постави на нокти всичко живо в CMS и Atlas, а групите им по търсене на екзотика явно са имали поне 2 безсънни нощи до момента, изпадайки в луд кросинговър с плотове и мейли.

И така, какво изплюха от CDF? С много голяма вероятност отговорът е - просто кьорфишек. Силно се набива на очи, че разпределенията между данните и теоретичните предсказания са леко изместени (данните са вдясно от симулацията), което изкуствено довежда до по-голяма статистическа значимост на т.нар. сигнал. Ако енергетичната скала се измести на 6%, значимостта на пика ще падне до 2s, което вече е допустима статистическа флуктуация. Всички плотове показани до момента от CDF (вкл. по време на откритата презентация) съдържат подобен шифт. Реално той не води до влошаване на c² на апроксимацията, защото грешките са достатъчно големи, но е намек за неотчетен систематичен ефект. В този смисъл, крайно интересно ще е какво виждат в същото разпределение в другия експеримент на Теватрона - D0. В случай, че същата аномалия бъде регистрирана независимо и там, нещата ще придобият съвсем друго измерение, защото: 1) това е съвсем друг детектор, със съвсем други систематични неопределености и 2) това значи добавяне на още статистика, което ще учеличи общата значимост (показаните резултати са на интегрална светимост от 4.3 fb^-1, в момента CDF и D0 имат около 10 fb^-1, а до края на 2011 ще имат 12, т.е. достигане на 5s, особено при оптимизация на анализа изглежда напълно реалистично).

Има обаче няколко политически момента, които показват, че вероятността този резултат да придобие епично значение за физиката е минимална. Първо – шефът на CDF вече публично обяви, че от New York Times трябва доста да са я закъсали, щом са паднали дотам, че да си продават вестника с подобни новини от CDF. Второ – презентацията беше направена от симпатична италианска PhD-студентка, която е работила върху анализа, а откритие от подобен род като правило се представя от главата на експеримента. И трето – преди няколко месеца бе взето окончателното решение, че Теватронът спира работа в края на 2011 г. (в резултат на което цялата програма на CERN бе преструктурирана агресивно по такъв начин, че ако има някакви шансове нова физика или хигс да бъдат намерени при сегашните светимости, това да се случи при сегашното ръководство). Та, в светлината на спирането на Теватрона, не е много далеч от ума да се предположи, че за учените, които работят там ще е добре дошло, ако покажат нещо, което изисква допълнителна статистика, за да бъде изследвано докрай.

И все пак, ако това наистина е нова тежка частица, какво представлява тя? Никой няма никаква идея в момента. За да се правят предположения, на теоретиците ще им е необходима информация за ароматната структура на частицата, което ще дойде с по-голямата статистика (вероятно в рамките на LHC). Едно е ясно със сигурност – това не е бозонът на Хигс от Стандартния модел, тъй като теорията не предсказва подобна сигнатура на разпад с толкова голяма вероятност, и то при такива маси (140 GeV). Възможността за хигс остава (по-скоро за частица с функциите на бозона на Хигс), но за твърде екзотичен модел, който вече сочи към нова физика. Не е изключено да става дума и за суперсиметрични партньори на известни частици, за екзотични възбудени състояния или дори за проява на ново взаимодействие.

Силно ми се иска всичко това да не е просто attention-whore-епизод или най-обикновено оставяне на пръсти по толкова тънък анализ, но следващите няколко месеца със сигурност ще са забавни докато се достигне до дъното на това.