ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2015, том 78, № 6, с. 558-562
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ
ПОСЛЕДНИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ КОЛЛАБОРАЦИИ CMS ПО ПОИСКАМ ФИЗИКИ ВНЕ СТАНДАРТНОЙ МОДЕЛИ
© 2015 г. А. В. Ланёв*
Объединенный институт ядерных исследований, Дубна, Россия Поступила в редакцию 30.07.2014 г.
Представлен обзор результатов Коллаборации CMS по поискам физики вне стандартной модели, полученных на полных данных сеанса, проведенного в 2012 г. на Большом адронном коллайдере при ,/1=8 ТэВ.
DOI: 10.7868/S0044002715050074
Предсказания стандартной модели (СМ) хорошо описывают наблюдаемую физику элементарных частиц. Последние открытия бозона Хиггса [1—3] и редкого распада Bs — [4, 5] не показы-
вают отклонений от предсказаний СМ вне пределов текущих экспериментальных неопределенностей. Одновременно имеется множество теоретических моделей физики вне стандартной модели, воплощающих различные идеи, такие, как нарушение электрослабой симметрии, решение проблемы иерархий, Великое объединение, суперсимметрия, существование частиц темной материи и др. [6].
Компактный мюонный соленоид (Compact Muon Solenoid, CMS) является одним из двух детекторов общего назначения, расположенных на Большом адронном коллайдере (БАК). Он имеет сверхпроводящий соленоид с магнитным полем 3.8 Тл, кремниевый внутренний трекер, электромагнитный калориметр на кристаллах вольфрамата свинца, адронный калориметр на основе слоев латуни и сцинтиллятора и мюонную систему в области псевдобыстрот \п\ < 2.4, см. детальное рассмотрение в [7, 8]. Рисунок 1 иллюстрирует отличную работу реконструкции событий на примере полного спектра инвариантных масс мюонных пар (данные записывались с использованием различных триггерных путей, предназначенных для выделения распадов резонансов J/ф, ф', Bs, Y, а также пар мюонов с низкими и высокими поперечными импульсами рт). Первый физический сеанс работы был завершен в 2012 г., была набрана интегральная светимость около 5 фбн-1 при энергии в с. ц. м. y/s = 7 ТэВ и 20 фбн-1 при л/s = 8 ТэВ.
Поиски новой физики на CMS выполнялись в разных каналах для различных теоретических моделей, предсказывающих отклонения от СМ.
Важным направлением является поиск узких резонансов в двухлептонных каналах (димюонном и диэлектронном), которые ранее уже зарекомендовали себя в качестве чистых каналов для поиска новых частиц. Многие модели новой физики предсказывают существование узких резонансов в ТэВной области инвариантной массы пары заряженных лептонов [9, 10]. К таким моделям, в частности, относятся: 1) последовательная стандартная модель (Sequential Standard Model, SSM) Z'^sM с теми же константами связи, что и в СМ; 2) модель Z;, предсказываемая в теориях Великого объединения [9]; 3) модель Рэндалл—Сандрума (RS1) с одной дополнительной пространственной размерностью с кривизной, где возникают возбужденные калуца-клейновские состояния гравитонов [11]. В последнем измерении CMS были использованы данные при yfs = 8 ТэВ с интегральными свети-мостями вплоть до 20 фбн-1 как в димюонных, так и в диэлектронном каналах [12]. Поиск резо-нансов осуществлялся по анализу формы спектра дилептонных масс с тем, чтобы не зависеть от неопределенностей абсолютного уровня фонового спектра. Поскольку спектры оказались совместимыми с ожиданиями СМ, были определены верхние пределы произведения сечения и относительных вероятностей распадов Z' в лептонные пары по отношению к сечению рождения Z-бозона в СМ. Полученные верхние пределы отношения сечения
а(рр — Z' + X — ££ + X)
Rn
a(pp ^ Z + X ^ И + X)
E-mail: Alexander.Lanyov@cern.ch
на 95%-ном уровне достоверности показаны на рис. 2 для обоих дилептонных каналов и их комби-
ПОСЛЕДНИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ КОЛЛАБОРАЦИИ CMS Событий на 10 МэВ
105 г
10:
г Сеанс 2011, 1.1 фбн-1 i z CMS J~s = 7 ТэВ 1
10
10-
100
101
Триггерные пути
Bs ^ Ц+Ц-T
■ пары мюонов низких pT
■ пары мюонов высоких pT
102 М^, ГэВ
Рис. 1. Измеренные спектры масс димюонов в широком диапазоне с различными триггерными путями.
Rq 10-4
10
10
10
10
10
10
10
CMS (предварительно) Js = 8 ТэВ, ц+ц- (20.6 фбн-1)
1П-4
CMS (предварительно) Js = 8 ТэВ, ee barrel-barrel (20.6 фбн-1)
500
1500
2500
3500 ГэВ
500
1500 2500 3500
Mee, ГэВ
Rq CMS (предварительно) „fs = 8 ТэВ
ee barrel-endcap (20.6 фбн-1)
Rq CMS (предварительно) Js = 8 ТэВ,
10-4 ee (19.6 фбн-1), ц+ц- (19.6 фбн-1)
500
1500
2500
3500
Mee, ГэВ
500
1500
2500
3500
Мрр, ГэВ
Рис. 2. Пределы сечений рождения тяжелых калибровочных бозонов ^.
нации. Поскольку в спектре масс не были найдены значительные пики, были установлены следующие нижние пределы на массу ^'-резонансов: 2900 ГэВ для Z'ssM и 2570 ГэВ для [12]. Результаты могут быть также обобщены для других моделей [12, 13].
Были установлены пределы для других возможных мод распада Z' в следующих каналах: т-лептонные пары тт [14], дибозоны ZZ [15], й-пары [16], аномальное рождение распадающихся в димюоны Z-бозонов с высокими импульсами [17],
560 ЛАНЁВ
CMS (предварительно) Js = 8 ТэВ, ццу (19.6 фбн-1) —•— Данные
105 г
Я
v§ 103
св
К
«
—
н 3
VO
о
О
- Z/Y* + струи 00 tt + струи
- Другие фоны
—- LQ, M = 500 ГэВ LQ, M = 900 ГэВ
10
10-
500 1000 1500 2000 2500 3000
CMS (предварительно) Js
Е
к
VO
к
S.
101 =■
10
8 ТэВ (19.6 фбн-1) ■_
LQ LQ ^ yujj
Исключено ATLAS (1.03 фбн
7 ТэВ)
Исключено CMS (5.0 фбн-1, 7 ТэВ) Исключено CMS (19.6 фбн-1, 8 ТэВ) ^ ^theory ■ 2в (1 - в) с неопр. (в = 1/2)
---- 95% C.L. ожидаемый верхний предел
—68% C.L. ожидаемый верхний предел
10-1
2
10
10
10
300
500
700
900
1100
Mlq, ГэВ
к н
VO се
к
«
—
н
105 г
10
101 г
CMS (предварительно) Js = 8 ТэВ, ycvjj (19.6 фбн-1)
Данные
- Z/у* + струи
tt + струи
- Другие фоны
—— LQ, M = 400 ГэВ — LQ, M = 750 ГэВ
10-
500 1000 1500 2000 2500 3000
S^, ГэВ
$VJJ, ГэВ
CMS (предварительно) Js = 8 ТэВ (19.6 фбн-1)
400
600
800
95% C.L. пределы
— CMS WJjj + ivjj (набл.)
■ ■ ■ CMS ||jj + ivjj (ожид.)
— CMS ivjj (набл.) CMS ivjj (ожид.)
= CMS ißjj (набл.)
CMS || jj (ожид.) ISJ ATLAS, 7 ТэВ, 1.03 фбн-1 S3 CMS, 7 ТэВ, 5.0 фбн-1
1000 1200
Mlq, ГэВ
Рис. 3. Распределения скалярной суммы поперечных импульсов четырех объектов Ят для каналов ц^Ц и и
полученные пределы для массы скалярных лептокварков второго поколения в зависимости от параметра в.
и пределы для распада Ш' в следующих каналах: полулептонные моды 1и [18], дибозоны [19] и канал с тяжелыми кварками Ы [20]. Для узких ре-зонансов в двухструйном канале были установлены пределы сечения и масс различных гипотетических частиц: струнных резонансов, возбужденных кварков, аксиглюнов, колоронов, 58-резонансов, ^б-дикварков, Ш' - и Z'-бозонов и RS-гравитонов вплоть до 1 —5.1 ТэВ [21].
Был проведен новый анализ рождения микро-
скопических черных дыр в ADD-модели [22] для данных при л/в = 8 ТэВ с интегральной светимостью 12 фбн-1 [23] и установлены пределы для полуклассических черных дыр на массы ниже 4.3— 6.2 ТэВ. Поиски эффектов дополнительных измерений также осуществлялись в спектре масс дифо-тонов [24], димюонов [25] и диэлектронов [26], что позволило исключить шкалу струнного масштаба И8 до 4.94 ТэВ.
Лептокварки, имеющие как барионное, так и
ПОСЛЕДНИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ КОЛЛАБОРАЦИИ CMS
561
лептонное квантовые числа, возникают во многих расширениях СМ, таких, как теории Великого объединения, техницвета и композитные модели. В недавней публикации CMS для данных с интегральной светимостью 19.6 фбн-1 при у/s = 8 ТэВ были приведены результаты поисков скалярных лептокварков второго поколения в событиях не менее чем с двумя струями и двумя возможными лептонными каналами: с двумя заряженными лептонами (p^.jj) или с заряженным лептоном и значительной потерянной энергией из-за нейтрино (pvjj). Были исключены скалярные лепто-кварки второго поколения с массами менее чем 1070 (785) ГэВ для в = 1(0.5), где параметр в -доля лептокварков, распадающихся на заряженный лептон и кварк [27]. Наблюдалось небольшое превышение данных по сравнению с СМ в канале fivjj (см. верхний правый график на рис. 3), которое, тем не менее, можно объяснить систематическими и статистическими неопределенностями. Из-за этого превышения предел сечения в канале ¡ivjj оказался выше ожидаемого, как видно на нижних графиках на рис. 3. Там же показан предел, полученный в работе Коллаборации ATLAS для данных с интегральной светимостью 1.03 фбн-1 при y/s = 7 ТэВ [28].
В CMS были также выполнены и многие другие поиски отклонений от СМ (на сайте коллабора-ции [29] доступны сводки полученных пределов для масс и шкал в различных моделях физики вне СМ и ссылки на опубликованные работы). Пределы, полученные Коллаборацией ATLAS [30], в целом совместимы с результатами CMS, представленными в настоящей работе.
В заключение можно констатировать, что благодаря отличной работе ускорителя БАК и детектора CMS был набран большой объем данных для протон-протонных столкновений: 5 фбн-1 на y/s = = 7 ТэВ и 20 фбн-1 на y/s = 8 ТэВ. В поисках физики вне СМ эксперимент смог, в частности, исключить новые частицы в области 2-3 ТэВ в дилептонных каналах и вблизи 5 ТэВ в канале двух струй, что позволило улучшить пределы предыдущих исследований [29]. Следующие сеансы на полной энергии БАК 13-14 ТэВ приведут к увеличению точности измерений, а анализ данных даст ответы на текущие актуальные вопросы теории. Нельзя также сбрасывать со счета возможность открытия еще не предсказанных теорией неожиданных явлений в физике высоких энергий, как уже бывало в прошлом. С данными, полученными при увеличенных энергиях и светимостях, Кол-лаборация CMS будет способна к расширению исследованной области поисков процессов физики вне СМ [31].
Работа поддержана Министерством образования и науки РФ в рамках Соглашения от 17 октября 2014 г. № 14.610.21.0004, идентификатор ПНИЭР RFMEF161014X0004.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ATLAS Collab., Phys. Lett. B 716, 1 (2012) [arXiv:1207.7214 [hep-ex]].
2. CMS Collab., Phys. Lett. B 716, 30 (2012) [arXiv:1207.7235 [hep-ex]].
3. CMS Collab., JHEP 1306, 081 (2013) [arXiv:1303.4571 [hep-ex]].
4. LHCb Collab., Phys. Rev. Lett. 111, 101805 (2013
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.