Mysteriöse Zwei-Photonen-Spitze erscheint immer stärker • Igor Ivanov • Wissenschaftsnachrichten zu "Elementen" • Suche nach neuer Physik, CMS-Detektor, ATLAS-Detektor, LHC

Mysteriöse Zwei-Photonen-Spitze erscheint immer stärker

Abb. 1. Das Ereignis der Geburt zweier hochenergetischer Photonen im ATLAS-Detektor. Bild von der Website atlas.ch

In der Elementarteilchenphysik braut sich die lauteste Entdeckung der letzten 30 Jahre zusammen. Oder – die stärkste Enttäuschung. Im Dezember vergangenen Jahres wurden in den Daten des Large Hadron Collider Hinweise auf einen mysteriösen Zweiphotonenstoß mit einer Masse von 750 GeV gefunden. Auf der kürzlich abgehaltenen Moriond-Konferenz 2016 präsentierten experimentelle Gruppen eine aktualisierte Analyse der gleichen Daten und erhoben Daten aus der vorherigen Sitzung. Die Welle blieb nicht nur erhalten, sondern wurde auch stärker.

Blitzeinführung: Zweiphotonenstoß bei 750 GeV

Die Hauptaufgabe der Elementarteilchenphysik ist nun die zuverlässige Erkennung der Neuen Physik, dh zumindest einige Effekte, die über das Standardmodell hinausgehen. Im Mikrokosmos gibt es eine neue Realitätsebene, die tiefer ist als das vom Standardmodell gebotene Weltbild, das absolut sicher ist. Doch bei welchen Energien er Physiker treffen wird und wie er sein wird – ist unbekannt. In den letzten Jahrzehnten wurden Tausende von Messungen der Eigenschaften von Elementarteilchen durchgeführt, aber alle waren entweder mit dem Standardmodell einverstanden oder nicht überzeugend genug für Abweichungen.

Die Bedeutung dieser Aufgabe für die fundamentale Physik kann nicht überschätzt werden. Ja, in den letzten Jahren gab es bereits laute Entdeckungen: das Higgs-Boson, astrophysikalische Neutrinos, Gravitationswellen. Aber das alles ist ein Happy End für die Suche nach etwas. das erwartettheoretisch vorhergesagt. Wenn hier etwas entdeckt wird, wird es etwas wirklich Neues sein, etwas, das keine eindeutige theoretische Führung ist. Ohne Übertreibung werden wir eine völlig neue Facette der mikroskopischen Struktur des Universums entdecken.

Der Large Hadron Collider ist auch auf die Suche nach neuer Physik ausgerichtet. Trotz der Vielzahl von Ergebnissen und der allmählich wachsenden Liste verdächtiger Abweichungen wurde jedoch noch kein konkreter Verweis auf die Neue Physik erhalten.

Letztes Jahr wurde der Collider aufgerüstet, und er sammelte den ersten, bescheidenen, währenddessen Teil der Daten über die Gesamtenergie der Kollisionen von 13 TeV. Am 15. Dezember letzten Jahres zeigten die beiden wichtigsten Kollaborationen des Large Hadron Collider, CMS und ATLAS, auf dem Spezialseminar am CERN die ersten Ergebnisse dieser Sitzung. In ihnen und vor allem in den ATLAS-Daten wurde etwas extrem Neugieriges gefunden.Der Graph der Abhängigkeit der Anzahl von Zwei-Photonen-Ereignissen von der invarianten Masse von zwei Photonen ragte deutlich in einen breiten Peak mit einer Masse von 750 GeV; Einzelheiten finden Sie auf der Seite Zweiphotonen-Überspannung bei 750 GeV. Dies ist dem zusätzlichen Beitrag von Geburt und Zerfall eines neuen, bisher unbekannten schweren Teilchens – oder mehrerer Teilchen auf einmal – sehr ähnlich.

Diese Nachricht erregte Aufsehen in der Teilchenphysik. Hundert theoretische Artikel mit Varianten seiner Erklärung wurden in den ersten zwei Wochen veröffentlicht. Jetzt ist die Anzahl der Artikel fast dreihundert. Bemerkenswert ist, dass es bisher keine einzige, noch vorläufige wissenschaftliche Veröffentlichung von CMS und ATLAS gegeben hat; All diese Hunderte von Artikeln waren nur auf die Dezember-Berichte zurückzuführen. Und dann, im Dezember, hatten die Experimentatoren nur genug Zeit, um die Daten zu analysieren, und daher blieben viele Fragen unbeantwortet.

Aktualisierte Ergebnisse

Auf der Moriond 2016 Konferenz letzte Woche wurden die Ergebnisse einer gründlicheren Analyse der bereits 2015 gesammelten Daten veröffentlicht. Berichte über beide Kollaborationen, sowie eine Überprüfung der theoretischen Erklärungen wurden am Donnerstag, 17. März vorgestellt; Alle Folien sind auf der Seite des wissenschaftlichen Programms der Konferenz frei verfügbar.Wir betonen, dass sich die Ereignisstatistiken nicht geändert haben, aber genug Zeit ist, um verschiedene Daten sorgfältig zu vergleichen und zuverlässigere Schlüsse zu ziehen.

Die neue Analyse enthält im Vergleich zu Dezember-Nachrichten folgende Elemente:

  • genauere Kalibrierung der Detektorsysteme und Hintergrundauswertung;
  • beide Kollaborationen haben die Daten der vorherigen LHC-Run-1-Sitzung erneut geprüft und in die Analyse einbezogen;
  • Die CMS-Kollaboration schaffte es, alles aus der "verdorbenen" Run 2-Statistik herauszuquetschen, wobei der Detektormagnet ausgeschaltet war.
  • unter der Annahme, dass der Burst durch ein einzelnes Teilchen mit einer Masse von 750 GeV verursacht wurde, das in zwei Photonen zerfällt, wurde geprüft, welche Variante bevorzugt ist durch die Daten: Spin 0 oder 2.

In Abb. 2 zeigt die aktualisierten ATLAS-Daten, die einer akkumulierten Helligkeit von 3,2 fb entsprechen−1. Hier wird die Anzahl der Zweiphotonenereignisse, die die Selektion passiert haben, verschoben, abhängig von der invarianten Masse zweier Photonen (man erinnere sich, dass derselbe Graph mit einer invarianten Masse von 125 GeV einen Peak zeigt, der dem bereits bekannten Higgs-Boson entspricht). Zwei verschiedene Ereignisse wurden ausgewählt: eines für ein Partikel mit Spin-Null optimiert (Abb. 2, links), und das zweite für ein Partikel mit Spin zwei (Abb. 2, rechts).Da sich die Auswahlkriterien unterschieden, entpuppten sich auch die Anzahl der Ereignisse und die Verteilung über die invariante Masse als ungleich.

Abb. 2 Verteilung von Ereignissen durch die invariante Masse zweier Photonen nach ATLAS. Die Auswahl ist für den Nullpunkt optimiert (auf der linken Seite) und spin zwei (auf der rechten Seite). Schwarze Punkte – Daten rote Kurve – Geschätzter Hintergrund Bild aus dem Diskussionsbericht der ATLAS Collaboration

In beiden Fällen zeigt die Verteilung einen Überschuss über einen glatten Hintergrund im Bereich von 750 GeV. Natürlich gibt es auch in anderen Bereichen des Spektrums Schwankungen nach oben und nach unten, aber in der Nähe von 750 GeV sind mehrere Punkte synchron zu einer glatten Kurve nach oben gegangen. Dies ist genau ein Hinweis darauf, dass eine solche Abweichung nicht zufällig ist. Die lokale statistische Signifikanz der Abweichung beträgt 3,9σ für Spin 0 – und dies ist etwas höher als im Dezember – und 3,6σ für Spin 2. Die globale statistische Signifikanz nimmt unter Berücksichtigung des Effekts der Mehrfachabtastung auf ein bescheidenes 2σ ab.

In Abb. 3 zeigt ähnliche Verteilungen, die mit dem CMS-Detektor erhalten wurden. Die Grafik links entspricht der Statistik 2.7 fb−1rekrutiert mit einem voll funktionsfähigen Detektor. Die Grafik auf der rechten Seite ist eine zusätzliche 0,6 fb−1die im ersten Monat des Detektors rekrutiert wurden, als der Hauptmagnet des Detektors aufgrund eines technischen Problems abgeschaltet wurde (die 3.8T- und 0T-Markierungen zeigen nur das Magnetfeld des Detektors an). Die Daten, die ohne ein magnetisches Feld gesammelt wurden, geben natürlich nicht alle Informationen preis, weil sie die Impulse von geladenen Teilchen nicht zurückgewinnen können. Aber glücklicherweise ist dies für Photonen nicht fundamental, und außerdem wird die Photonenenergierückgewinnung aufgrund des Null-Magnetfeldes etwas genauer als bei der Standardbetriebsart. Es muss gesagt werden, dass die Notwendigkeit, eine neue Analysestrategie zu entwickeln und die Daten aus den "defekten" Statistiken zu scratchen, zu einer Herausforderung für die CMS-Kollaboration wurde und sie erfolgreich bewältigt hat.

Abb. 3 Verteilung von Ereignissen auf der invarianten Masse von zwei Photonen nach CMS. Auf der linken Seite: Daten gesammelt mit einem voll funktionsfähigen Detektor. Auf der rechten Seite: Daten, die bei einem Magnetfeld von Null gesammelt wurden. Bild aus dem Diskussionsbericht der CMS Collaboration

Die CMS-Daten zeigen auch den Überschuss über dem Hintergrund in der Region von 750 GeV. Ihr Beitrag, obwohl klein, machte die Daten ohne Magnetfeld. Die EBEB-Markierung in beiden Graphen zeigt eine solche Konfiguration an, wenn beide Photonen in den Hauptdetektorzylinder eintreten.Die CMS-Kollaboration hat auch Daten über die Konfiguration, wenn ein Photon in den Zylinder eintritt, und die zweite – in den End-Subdetektor; der Überschuss macht sich auch dort bemerkbar. Die lokale statistische Signifikanz der Abweichung erreicht 2,9σ unter der Annahme einer engen Resonanz, die ebenfalls etwas höher ist als im Dezember.

Vergleich mit Daten aus Lauf 1

Als beide Kollaborationen im Dezember von einem Zwei-Photonen-Peak sprachen, war die erste Frage: Was zeigte Run 1 in diesem Bereich der Massen? Dann gab es keine vollständige Antwort auf diese Frage: Experimentatoren hatten einfach nicht genug Zeit, um die alten Daten erneut zu analysieren. Jetzt haben beide Kollaborationen eine solche Analyse durchgeführt – und er scheint die Schlussfolgerung über die Ablehnung zu unterstützen!

Hier sollte geklärt werden, wie die Daten aus Lauf 1 und Lauf 2 miteinander korrelieren.Während der dreijährigen Lauf 1-Sitzung wurden etwa 8-mal mehr Statistiken gesammelt als in der gerade gestarteten Lauf-2-Sitzung.Jedoch ist die Kollisionsenergie von 8 auf 13 TeV gewachsen – und als Folge stieg die Wahrscheinlichkeit von Hochenergieereignissen stark an (dafür wurde tatsächlich Energie erhöht). Für die natürlichste Annahme über ein neues Teilchen – eine Resonanz mit einer Masse von 750 GeV, die aufgrund einer Kollision von Gluonen entsteht – erhöht sich der Geburtsquerschnitt um das 4,7-fache.Dies bedeutet, dass einige Hinweise darauf in den Daten des Laufs 1 sichtbar gewesen sein sollten. Unter anderen Annahmen (zum Beispiel die Geburt eines noch schwereren neuen Teilchens, das in Kaskade zerfällt) kann die Verstärkung 10 oder mehr betragen. Im Rahmen dieser Annahmen wirft daher das Fehlen eines Anstiegs in den Daten des ersten Laufs keine Fragen auf.

In Abb. 4 zeigt die Ergebnisse der neuen Verarbeitung aller Statistiken, die von ATLAS bei 8 TeV Energie gesammelt wurden. Die Auswahl war die gleiche wie zuvor, jedoch sind die Kalibrierung der Registrierung von Photonen und die Analysemethode neu. Auch hier ist gerade im gewünschten Massenbereich und annähernd gleicher Form ein leichter, aber durchaus wahrnehmbarer Überschuß des Auges zu sehen. Die statistische Signifikanz der Abweichung beträgt 1,9σ. Gleichzeitig ist zu beachten, dass eine Anpassung für die Wirkung von Mehrfach-Sampling bereits nicht notwendig ist, da wir nicht irgendwo nach einem Signal suchen, sondern die Hypothese einer sehr spezifischen lokalisierten Anomalie testen. Es zeigt sich, dass der Zwei-Photonen-Peak bei 750 GeV bereits in den Run-1-Daten auftaucht, aber erst dann war er zu schwach, um Verdacht zu erregen.

Abb. 4 Neue Analyse alter Run 1 Daten bei 8 TeV. Bild aus dem Diskussionsbericht der ATLAS Collaboration

Was ist die statistische Signifikanz, wenn Sie die Daten Run 1 und Run 2 kombinieren? Die ATLAS-Kollaboration stoppte einen Schritt weiter von dieser potenziell sensationellen Nachricht. Der Preis und die Bedeutung jeder Aussage ist jetzt so hoch, dass die Kollaboration beschloß, auf Nummer sicher zu gehen und von einer solchen Aussage abzusehen (obwohl Gerüchte über die Möglichkeit einer solchen Nachricht kursierten).

Aber die CMS-Zusammenarbeit ist ein gutes Beispiel dafür. In ihrem Bericht erhöht sich die lokale statistische Signifikanz des Signals von 2,9 auf 3,4σ, wenn die Daten von Run 1 berücksichtigt werden. Global bleibt jedoch niedrig – nur 1,6 σ, aber es ist seit Dezember auch deutlich gewachsen.

Zwischensumme

Die Tatsache, dass alle diese Abweichungen auf dieselbe Masse fallen, gibt den Physikern eine echte Inspiration. Jeder würde gerne das kombinierte Ergebnis von ATLAS und CMS sehen – aber es ist klar, dass jetzt niemand diese Nummer offiziell einreichen wird. Die informelle subjektive Beurteilung am Auge ist wie folgt: der Gesamteffekt der drei Abweichungen – 3,9σ (ATLAS, 13 TeV), 1,9σ (ATLAS, 8 TeV), 3,4σ (CMS, Lauf 1 + Lauf 2), – geglättet durch die Wirkung von multiples Sampling, zieht mindestens 4σ in globaler statistischer Signifikanz.

Sofort sollte jedoch scharf abgekühlt werden. Daten aus kleinen Statistiken zu scratchen ist eine sehr schwierige Aufgabe.Daran erinnern, dass alle Schlussfolgerungen über das Vorhandensein eines neuen Anstiegs an das Vertrauen gebunden sind, dass wir den Hintergrund in diesem Bereich angemessen beschreiben können. Aber wie berechtigt ist sie? Lass uns sagen, wenn du nochmal auf ein Bild schaust. Aus 4 ist ersichtlich, dass die Daten die rote Kurve (das heißt den geschätzten Hintergrund) nicht nur bei 750 GeV, sondern auch im Bereich von 1 TeV überschreiten. Da gibt es kaum etwas Ungewöhnliches, denn die Daten bei 13 TeV zeigten dort nichts. Aber wenn Sie den Hintergrund leicht korrigieren, machen Sie es cooler, dann wird das gewünschte Signal schwächer.

Ja, die Spitze in Abb. 2 und 3 sieht beeindruckend aus. Aber andere Spitzen, einschließlich am LHC, sahen genauso beeindruckend aus – sagen wir, ein neuer Anstieg bei 2 TeV in den Daten von Lauf 1. Es scheint jedoch nicht, dass die neue Sitzung des Beschleunigers diese "zwei TeV" Abweichung bestätigen würde. Daher ist das Erfordernis einer Schwelle von 5 Standardabweichungen für solch ein wichtiges Ergebnis vollkommen gerechtfertigt. Tatsächlich sprechen sogar Theoretiker – und sie tendieren dazu, Abweichungen zu optimistisch zu interpretieren – von neuen Ergebnissen in ziemlich zurückhaltenden Ausdrücken (siehe: Der Zwei-Photonen-Überschuss am LHC erhellt sich leicht).

Eines ist klar: Die Situation wird sich in diesem Jahr klären. Einen Monat später wird der Collider den Datensatz fortsetzen. Bei den Sommerstatistiken wird Run 2 mehrfach erhöht.Vom 3. bis 10. August findet die wichtigste Konferenz des Jahres, die ICHEP-2016, statt, und wahrscheinlich werden die Hauptergebnisse dafür reserviert sein. Aber das erwartet uns dann – eine Sensation oder eine große Enttäuschung – wir wissen es noch nicht. Warte, warte.

Quellen:
1) ATLAS Coll., Diphoton sucht in ATLAS // Marco Delmastro Bericht auf der Moriond-2016-Konferenz.
2) CMS Coll., Suche nach hohen Diphotonenresonanzen bei CMS // Bericht von Pasquale Musella auf der Moriond-2016 Konferenz; siehe auch technische Publikation CMS-PAS-EXO-16-018.

Siehe auch:
Eine Liste aller Publikationen zu einem Zwei-Photonen-Peak bei 750 GeV; Es ist auch in einer interaktiven grafischen Präsentation.

Igor Iwanow


Like this post? Please share to your friends:
Schreibe einen Kommentar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: