ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2015, том 78, № 6, с. 546-557
= ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ
ОБЗОР РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА CMS
© 2015 г. C. В. Шматов*
Объединенный институт ядерных исследований, Дубна, Россия Поступила в редакцию 01.12.2014 г.
Представлен обзор результатов эксперимента CMS на LHC. Исследования основаны на данных, полученных в 2011—2012 гг. на встречных пучках протонов при y/s = 7 и 8 ТэВ. Также приведены результаты сеансов протон-ядерных и ядро-ядерных столкновений.
DOI: 10.7868/S0044002715050128
1. ВВЕДЕНИЕ
Эксперимент "Компактный мюонный соленоид" (CMS) [1] является одним из двух многоцелевых экспериментов, предназначенных для работы на пучках протонов и ядер Большого адронного кол-лайдера (LHC).
Несмотря на доказанную убедительность предсказаний стандартной модели взаимодействия элементарных частиц (СМ), их удивительную точность и открытие последнего краеугольного камня — бозона Хиггса, СМ не отличается полнотой: она не дает объяснения космологическим наблюдениям темной материи и доминированию материи над антиматерией во Вселенной [2]. Решение этих проблем требует привлечения более широких, чем в СМ, групп симметрий или других, совершенно новых теоретических концепций. Систематические поиски сигналов, предсказываемых различными расширениями СМ, являются одной из главных задач CMS. Эксперимент предназначен для регистрации широкого спектра частиц, возникающих в протон-протонных взаимодействиях и взаимодействиях тяжелых ионов, он изучает свойства известных частиц на ранее недоступных энергетических масштабах, а также осуществляет поиск новых непредсказанных явлений [3, 4]. Полное описание детекторных систем CMS и их физико-технических характеристик дано в [1].
В настоящей работе представлен обзор основных результатов эксперимента CMS, полученных за время первого сеанса LHC 2010—2012 гг. при работе на сталкивающихся пучках протонов и ядер. Исследования эксперимента CMS были основаны на данных 2011 г. при y/s = 7 ТэВ в с.ц.м. и данных 2012 г. при y/s = 8 ТэВ в с.ц.м. Статистика проанализированных данных составила 5.1 фбн"1 за 2011 г. и 20.1 фбн"1 за 2012 г.
E-mail: Sergei.Shmatov@cern.ch
2. ФИЗИКА СТАНДАРТНОЙ МОДЕЛИ 2.1. Процессы КХД
Практически сразу же после запуска LHC в 2009 г. было начато изучение множественного рождения заряженных адронов при энергии y/s = = 0.9 ТэВ, а затем и при y/s = 2.36 и 7 ТэВ в с.ц.м. [5]. Было показано значительное расхождение полученных распределений множественности (рис. 1а) и энергетической зависимости плотности заряженных частиц по псевдобытроте (рис. 16) от предсказаний теоретических моделей. Это потребовало настройки параметров программ моделирования физических событий для дальнейшей интерпретации данных LHC.
Измерение сечений инклюзивного рождения струй показало хорошее согласие данных [6] и предсказаний СМ в NLO в области поперечного импульса струй вплоть до 2 ТэВ/c. Анализ парного рождения струй — измерение их дифференциальных сечений da/dMjj в области инвариантных масс до 5 ТэВ/c2 [7] и угловых распределений струй [8] — также не выявил отклонений от теоретических ожиданий, но позволил установить границы параметров физических сценариев за рамками СМ (подробнее см. разд. 4).
Сравнение сечений рождения двух и трех струй продемонстрировало хорошее согласие данных и предсказаний СМ для значений полного поперечного момента Ht от 0.5 до 5 ТэВ/с и позволило впервые извлечь значение бегущей константы связи КХД as(Mz) = 0.1148 ± 0.0014(эксп.) ± ± 0.0018(PDF) ± 0.0050(теор.) в области значений поперечных импульсов струй pT ~ 1 ТэВ/c [9]. Впоследствии это значение было уточнено из
jet
данных по инклюзивному рождению струй с Рт
Pn
103
101
10-
10
1-3
10
1-5
dNJdn\4 = 0
CMS NSD
7 ТэВ (x104)
: \n\ < 2.4 f pT = 0.5 ГэВ/с
CMS Data PYTHIA D6T - -PYTHIA 8 PHOJET
20
40
60
80
100
UA1 NSD NAL B.C. inel.
t STAR NSD ISR inel.
UA5 NSD UA5 inel.
■ CDF NSD PHOBOS inel.
ALICE NSD ALICE inel. CMS NSD
CMS
Сф
2.716 - 0.307 ln s + 0.0267 ln2 s ■ 1.54 - 0.096 lns + | 0.0155 1П2 s
101
102
10
3
104
Js, ГэВ
Рис. 1. а — Распределение событий по множественности заряженных адронов. б — Зависимость плотности множественности от -/в.
0
n
до 3 ТэВ/с: as(Mz) = 0.1185 ± 0.0019(эксп.) ± ± 0.0028(PDF) ± 0.0004(теор.) [10]. Также эти данные были использованы для проверки различных функций распределения кварков и глюонов.
2.2. Электрослабые процессы
Одним из первых результатов по изучению электрослабых процессов на LHC стало измерение при y/s = 7 и 8 ТэВ полных сечений рождения калибровочных бозонов W и Z и вероятностей их распада по различным каналам [11, 12]. При y/s = 8 ТэВ измеренные значения сечений составили a(pp ^ WX) х Br(W ^ lv) = = 11.9 ± 0.03(стат.) ± 0.22(сист.) ± 0.52(свет.) нбн и a(pp ^ ZX) х Br(Z ^ l+l") = 1.12 ± 0.01 (стат.) ± 0.02(сист.) ± 0.05(свет.) нбн [12]. По мере увеличения набранной статистики стало возможным измерение более редких процессов — совместного рождения W/Z/y и нескольких струй (рис. 2а) [13], а также пар калибровочных бозонов [14, 15]. Полученные результаты показали хорошее согласие экспериментальных данных и СМ. Также было получено совпадение теоретических предсказаний во втором порядке теории возмущений (NNLO) с результатами измерений дифференциальных da/dM и дважды дифференциальных d2a/dMdY сечений процессов Дрелла—Яна в канале с парой электронов и парой мюонов [16]. Измерение пространственных [17, 18] и зарядовых асимметрий, значения эффективного
угла Вайнберга [18, 19] также не выявило отклонений от СМ.
Измерения массы топ-кварка проводились в каналах с лептонами и струями, парой лептонов и адронном канале. Полученное на объединенных данных экспериментов ATLAS и CMS [20] значение mt = 173.29 ± 0.23(стат.) ± 0.26(сист.) ГэВ/с2 находится в хорошем согласии с данными экспериментов на Тэватроне mt = 173.20 ± 0.51(стат.) ± ± 0.36(сист.) ГэВ/с2 [21]. Точность измерений не хуже 1%.
Одновременно с этим были проведены измерения сечений одиночного и парного рождения топ-кварка. Значение сечения ati = 165.8 ± ± 2.2(стат.) ± 13.2(сист.) ± 6.1(сист.) пбн при ■y/s = 7 ТэВ [22] находится в хорошем согласии со значением СМ ati = 167+^8 пбн. Эти результаты легли в основу первых измерений бегущей константы связи КХД as(Mz) = 0.1178+00046,
что с
высокой точностью коррелирует с мировым значением. Измерения сечений ati = 239 ± 2(стат.) ± ± 11(сист.) ± 6(свет.) пбн при /s = 8 ТэВ [23] также продемонстрировали совпадение с СМ при mt = 172.5 ГэВ/с2 (рис. 26).
Полные сечения одиночного рождения топ-кварка при y/s = 7 и 8 ТэВ [24, 25], сечения ассоциированного рождения топ-кварка и бозона W [26], а также дифференциальные сечения по массе, быстроте, переданному моменту были измерены в t- и s-каналах. Результаты полностью согласуются с теоретическими ожиданиями. Были
о, пбн 105
104
103
102
101
Oct 2013
CMS Preliminary
7 T3B CMS measurement (L < 5.0 ^6h-1) i . 8 T3B CMS measurement (L < 19.6 ^6h-1) -7 TsB Theory prediction -8 TsB Theory prediction
o(tt), пбн 103
-1-1-1-1-1-1-1-1-1-г
W > 1j > 2j > 3j > 4j Z > 1j > 2j > 3j > 4j
~i-1-1-г
> 1j > 2j > 3j
102
101
• CMS prelim. combined 8 ТэВ (2.8 фбн-1)
• LHC prelim. combined 7 ТэВ (0.7-1.1 фбн-1)
• CMS dilepton 7 ТэВ (2.3 фбн-1)
0 Tevatron prelim. combined (up to 8.8 фбн-1) о CDF prelim. combined (up to 8.8 фбн-□ D0 combined (5.4 фбн-1)
4 Approx. NNLO QCD (pp) Scale <8> PDF uncertainty Approx. NNLO QCD (pp) Scale <8> PDF uncertainty
Langenfeld, Moch, Uwer, Phys, Rev. D 80, 054009 (2009) MSTW 2008 NNLO PDF, 90% C.L. uncertainty
9
Js, ТэВ
a
1
3
5
7
Рис. 2. a — Сечения совместного рождения калибровочных бозонов и струй, б — Зависимость от s/s сечения рождения пары i-кварков. Приведены измерения экспериментов LHC и Тэватрон, а также теоретические предсказания во втором порядке теории возмущений с соответствующими неопределенностями (зашитрихованные области вокруг кривых).
измерены величина поляризации топ-кварка Pn = = 0.009 ± 0.029 ± 0.041 [27] и величина асимметрии спиральности Ahelicity = 0.24 ± 0.02(стат.) ± ± 0.08(сист.) [28], что согласуется с СМ.
В эксперименте CMS впервые были изучены редкие процессы СМ, не регистрировавшиеся до сих пор в экспериментах. На статистике, соответствующей £int = 12.2 фбн"1, было наблюдено совместное рождение одиночного топ-кварка и бозона W [29]. Измеренное сечение процесса atw = = 23.4 ± 5.4 пбн, оказавшееся в полном соответствии с СМ, было использовано для вычисления матричного элемента \Vtb| = 1.03 ± 0.12(эксп.) ± ± 0.04(теор.).
2.3. Редкие распады
Распад Б-мезонов (состоящих из одного b-кварка и легкого кварка) на два мюона является идеальным методом непрямого наблюдения физики за пределами СМ. Распады двух типов Б -мезонов — Б0 (состоящих из b- и d-кварков) и Б3 (состоящих из b- и s-кварков) — на пары мюонов сильно подавлены в СМ, хотя некоторые расширения СМ предсказывают либо значительное превышение, либо даже более сильное подавление этих распадов. Любое несовпадение измеренных вероятностей распада с предсказаниями СМ будет проявлением ясного сигнала физики за пределами СМ. Более 25 лет многие эксперименты на различных типах коллайдеров заняты поисками этих редких распадов. За это время установленные пределы чувствительности улучшены на четыре порядка, приближаясь к величине, предсказанной СМ.
Впервые ясное наблюдение существования распада Б3 было продемонстрировано в эксперименте LHCb в ноябре 2012 г. со статистической значимостью 3.2а [30].
В CMS для этого исследования использовались экспериментальные данные, набранные в 2011 и 2012 гг. со статистикой £int = 4.9 и 20.4 фбн"1 соответственно. Превышение числа событий в распаде Б3 — /лц, над фоном в распределениях событий по инвариантной массе мюонных пар (рис. 3а) позволяет оценить вероятность этого распада на уровне (3.0+q9) х 10"9 с суммарным учетом систематической и статистической ошибок [31]. Статистическая значимость этого наблюдения составляет 4.3а. Результат измерения распада Б3 — выполненного CMS, совпадает с предсказанной СМ вероятностью (3.6 ± 3) х 10"9, убедит
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.