Международная коллаборация CMS, работающая на Большом адронном коллайдере (БАК), завершила серию высокоточных измерений угловых распределений диджетов — пар элементарных частиц, возникающих при столкновении протонов. Полученные результаты полностью согласуются с предсказаниями Стандартной модели физики, что позволило ученым существенно сузить область поиска «новой физики» и установить жесткие границы для гипотез о дополнительных измерениях, квантовых черных дырах и составной структуре кварков.
Кварки: фундаментальны или сложны?
В современной физике кварки считаются фундаментальными и бесструктурными «кирпичиками» материи, из которых состоят протоны и нейтроны. Однако история науки учит нас, что статус «элементарности» нередко оказывается временным: когда-то неделимые атомы впоследствии открыли свои тайны, оказавшись сложными системами с ядром и электронами. Эксперимент CMS стал еще одним шагом в проверке того, не скрывается ли нечто большее внутри самих кварков.
Эксперимент на пределе энергий
В ходе исследований на ускорителе сталкивались пучки протонов с энергией 13 ТэВ. После соударения они распадались на кварки и глюоны, формируя узкие потоки частиц — джеты. Физики проводили прецизионный анализ углов между этими потоками, используя показатель χ_dijet. Высокая точность измерений стала возможной благодаря новым методам расчетов, которые ранее были недоступны для физиков.
Для поиска возможных отклонений была задействована теория эффективного поля (SMEFT). Она позволяет обнаруживать следы экзотических явлений, даже если частицы, ответственные за них, слишком тяжелы для прямого рождения в коллайдере. Ученые искали, не влияют ли некие скрытые силы на поведение привычных нам глюонов.
Иллюстрация: A. Iqbal / CMS
Что показал анализ данных
Собранные во время второго сеанса работы БАК данные подтвердили правоту квантовой хромодинамики (КХД). Хотя в диапазонах инвариантных масс от 2.4 до 4.8 ТэВ и выше 6 ТэВ были замечены минимальные отклонения, они с большой долей вероятности являются статистическими шумами, а не признаком новой физики.
По результатам исследования физики установили новые границы для ряда теоретических моделей:
- Составность кварков: гипотеза о том, что кварки делятся на более мелкие составляющие, исключена до масштабов 17–37 ТэВ.
- Квантовые черные дыры: существование этих объектов, предсказываемых теориями с дополнительными измерениями, теперь исключено для масс ниже 8.5 ТэВ.
- Дополнительные измерения: влияние виртуального обмена гравитонами ограничено пределом до 13.4 ТэВ.
- Аномальные взаимодействия: получены строгие ограничения на параметры аксионоподобных частиц и триплетно-глюонных взаимодействий.
Данная работа не только подтвердила устойчивость Стандартной модели на энергиях выше 13 ТэВ, но и создала надежную базу для будущих экспериментов на модернизированном коллайдере с повышенной светимостью (High-Luminosity LHC). Исследователи фактически закрыли ряд смелых гипотез, предсказывавших открытие новой физики на доступных нам энергетических порогах, тем самым еще сильнее сфокусировав научный поиск.
