Цикл публикаций «Экспериментальная проверка предсказаний Стандартной модели взаимодействий и поиск сигналов новой физики в процессах образования пар мюонов в эксперименте CMS на Большом адронном коллайдере» за авторством И. А. Голутвина, А. В. Зарубина, В. А. Зыкунова, В. Ю. Каржавина, В. В. Коренькова, А. В. Ланева, В. А. Матвеева, В. В. Пальчика, М. В. Савиной, С. В. Шматова был удостоен поощрительной премии ОИЯИ 2021 года. Цикл включает 34 публикации. Работы по всем направлениям, озвученным в нем, продолжаются в ходе сеанса RUN3 на LHC (2022 – 2025 годы).

Ученые Объединенного института стоят у истоков эксперимента CMS (Compact Muon Solenoid) на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН. Одним из идеологов проекта CMS являлся главный научный сотрудник Лаборатории физики высоких энергий Игорь Голутвин. Исследователи из ОИЯИ не только предложили физическую идею, но и произвели ключевое оборудование для установки, принимают активное участие в обработке и анализе данных эксперимента.

Фото © CERN

CMS — компактный мюонный соленоид – это детектор, призванный обнаружить димюонный распад, т.е. распад на два мюона. Эксперимент CMS был нацелен на открытие бозона Хиггса, в частности по его распаду на два Z-бозона. В свою очередь каждый из Z-бозонов распадается на 2 лептона, таким образом, характерным сигналом образования бозона Хиггса является регистрация двух пар мюонов. Название эксперимента говорит само за себя: мюонная система – одна из главных подсистем на установке. Она состоит из трех типов камер: пропорциональных камер с катодным считыванием информации, дрейфовых камер и быстродействующих резистивных пластинчатых камер. Ученые ОИЯИ предложили концепцию и создали первый тип устройств.

О создании учеными ОИЯИ детекторов для эксперимента СMS рассказал один из участников работ, начальник Научно-экспериментального отдела физики на CMS ЛФВЭ Владимир Каржавин. Разработка прототипов началась в 1994, и первый из них был достаточно быстро создан в том же году и испытан в ЦЕРН. Прототип был размером всего 0,5х0,5 метра, но он показал впечатляющую точность – измеренное в пучке мюонов высоких энергий пространственное разрешение прототипа 50 мкм подтвердило правильность выбора технологии камер с катодным считыванием информации. Для оптимизации конструкции и характеристик детекторов было создано несколько прототипов и проделан большой объем методических исследований, включая проверку работы камер на пучках заряженных частиц в экспериментальных условиях близких к реальным. Результатом научно-исследовательской работы явилось создание предсерийного прототипа, обладающего характеристиками, полностью соответствующими требованиям эксперимента CMS.

В 2001 году началось производство 72-х шестислойных камер с катодным считыванием информации. ОИЯИ создал участок с необходимым оборудованием и системами контроля на всех этапах создания детекторов. В 2003 г. производство было завершено, камеры доставили в ЦЕРН и смонтировали в экспериментальную установку CMS. Наряду с детекторами были созданы системы, обеспечивающие их функционирование: подача рабочей газовой смеси, охлаждение электроники, низковольтное и высоковольтное питание. Сборка CMS в подземном экспериментальном зале завершилась в сентябре 2008 г. и после проверки работоспособности всех систем установка была готова к работе. Первый период набора экспериментальных данных на БАК прошел с 18 марта 2010 г. по 17 декабря 2012 г.

Наиболее ярким результатом стало, конечно, открытие бозона Хиггса. Впервые событие парного рождения Z-бозонов – кандидат в бозоны Хиггса – было зарегистрировано 24 сентября 2010 г. «При этом практически всегда один из мюонов регистрировался детекторами, созданными в ОИЯИ. Дубненская регистрирующая аппаратура обеспечила высочайшую точность восстановления координат треков, из-за чего точность измерения импульсов мюонов была порядка 1%», — подчеркнул Владимир Каржавин.

Во время сеанса электроника испытывает высокие радиационные нагрузки, а значит к его окончанию она работала уже на пределе своих возможностей. Поэтому перед вторым сеансом ученые модернизировали детектор и на его внутренних частях – как раз там, где функционируют катодно-стриповые камеры – установили более радиационно-стойкую электронику с увеличенным быстродействием. Помимо этого, во время останова коллайдера, специалисты ОИЯИ модернизировали и сами камеры, чтобы повысить точность работ – они увеличили количество электронных каналов и разъединили стрипы. После этого детекторы заработали по всей площади с одинаково высокой точностью.

После второго набора данных ученые провели еще один цикл модернизации оборудования. В этот раз они увеличили точность всех камер CMS, установленных во внутренних торцевых детекторах, то есть детекторах, расположенных близко к пучку.

Несмотря на то, что поиск бозона Хиггса был флагманской задачей и системы детектора CMS создавались для регистрации мюонов, образующихся в первую очередь в результате его распада, участники коллаборации понимали, что возможности Большого адронного коллайдера гораздо шире. Он позволяет не только исследовать область массы бозона Хиггса, но и проводить непрерывное сканирование по массовым состояниям вплоть до нескольких ТэВ, т.е. проводить поиск новой физики в широкой области значений инвариантных масс пар мюонов. Возник вопрос: а можно ли измерить такие состояния и как это делать эффективно? Ученые искали способы использовать уже существующую установку – в частности, мюонные камеры – для регистрации новых состояний. В ходе обсуждений появилась идея использовать процесс, который физикам давно и хорошо известен – рождение пар мюонов в процессе Дрелла-Яна. При столкновении двух кварков образуются два мюона. Мюоны – это всегда чистый экспериментальный сигнал, фон практически отсутствует. А это значит, что, если в точке, из которой два мюона образуются, есть что-то необычное, ученые обязательно это увидят и зарегистрируют.

Так возникло два направления работы на CMS. Первое — прецизионные измерения процесса Дрелла-Яна (сечения, угловые характеристики и т.д.), которые обеспечивают проверку предсказаний Стандартной модели. Для этого необходимы были прецизионная детекторная система, теоретическое понимание этого процесса, а также обеспечение компьютинга и система обработки данных. «В целом, эксперименту удалось решить эти задачи, — подчеркнул начальник сектора новой физики на CMS ЛФВЭ Сергей Шматов. — Особенно ценно то, что их удалось решить в нашем Институте». Вторым направлением стала интерпретация данных и прямой поиск новой физики. Эти работы ведутся и сейчас, в которых ведущую роль играют дубненские физики. Научная группа эксперимента пытается понять, какие существуют сценарии за рамками Стандартной модели, и что они предсказывают. Как оказалось, многие сценарии новой физики предсказывают существование новых частиц, которые в конечном итоге распадаются на пару мюонов. Именно на поиск таких процессов и направлены усилия физиков ОИЯИ.

Авторы цикла работ, получившего премию ОИЯИ, рассказали подробнее об истории эксперимента на БАК и вкладе дубненских физиков в его развитие.

---

Проверка предсказаний Стандартной модели взаимодействий и поиск сигналов новой физики в процессах образования пар мюонов в эксперименте CMS на Большом адронном коллайдере

Систематическое изучение процессов рождения пар мюонов высоких энергий в эксперименте CMS было инициировано физиками ОИЯИ в 2002 году. Предложенный подход для исследований физических процессов с мюонами больших поперечных импульсов p_T в конечном состоянии охватывает весь спектр возможных проблем, возникающих при решении подобных задач — от теоретических вычислений до комплексного анализа экспериментальных данных. Более узко данная проблематика была сформулирована как исследование закономерностей парного рождения противоположно заряженных мюонов с большими инвариантными массами (тяжелых димюонов) для проверки предсказаний СМ в новой области энергий и поиска сигналов новой физики по возможным отклонениям от ее предсказаний (рисунок 1). Это направление физической программы эксперимента CMS стало одним из приоритетных для специалистов RDMS (Russia and Dubna Member States — коллаборация институтов России и ОИЯИ в CMS) из ОИЯИ.

Рис.1. Cобытие рождения пары мюонов µ+µ− с наибольшей инвариантной массой m=3.3 ТэВ/c², из данных 2018 г.

Впервые процессы рождения пар мюонов с большими инвариантными массами в столкновениях адронов наблюдались в конце 60-х годов в экспериментах на синхротроне AGS (Брукхейвенская национальная лаборатория, США), нацеленных на поиск переносчиков слабого взаимодействия. Теоретическое описание этого процесса было предложено независимо С. Дреллом и Т.-М. Яном и В. А. Матвеевым, Р. М. Мурадяном, А.Н. Тавхелидзе. Впоследствии этот механизм, получивший широкую известность как механизм Дрелла–Яна, был детально изучен в различных экспериментах. Этот процесс имеет исключительную важность для физики адронных коллайдеров, поскольку измерение его характеристик представляет собой критический тест Стандартной модели (СМ), в том числе – в новой области энергий. Современные данные экспериментов на LHC позволяют исследовать рождение лептонных пар в области инвариантных масс до нескольких ТэВ/c², т. е. впервые выйти за границу ТэВ-ного масштаба взаимодействий (рисунок 2). Кроме задач, связанных с проверкой предсказаний СМ, этот канал уже несколько десятков лет используется в качестве важнейшего инструмента для поиска сигналов новой физики.

Одним из приоритетных направлений исследований в современной физике элементарных частиц является поиск отклонений от предсказаний СМ. Подобные отклонения в канале с парой лептонов предсказываются довольно широким классом моделей новой физики и могут быть обусловлены, например, рождением новых нейтральных калибровочных бозонов Z′ в теориях великого объединения (ТВО), рождением калуца-клейновских (КК) состояний гравитона в сценариях многомерной гравитации с пониженным масштабом взаимодействия или кандидатов в частицы темной материи (ТМ). Кроме того, данный канал чувствителен к существованию новых легких хиггсовских состояний, предсказываемых в теориях с неминимальным хиггсовским сектором, содержащим два дублета и один синглет хиггсовских полей – 2HDM+S (в частности, хиггсовский сектор неминимальной суперсимметричной модели NMSSM дает один из вариантов 2HDM+S); подобные легкие скалярные состояния присутствуют также в других теоретических конструкциях с расширенным составом хиггсовских полей.

Рис.2. Распределения по инвариантной массе пар мюонов,
полученные в нашем анализе при √s = 13 ТэВ

В 2002–2009 гг., было получено физическое обоснование и детально проработана постановка серии экспериментов в канале с парой лептонов, направленных на проверку предсказаний Стандартной модели взаимодействий и поиск сигналов новой физики. Выполненные работы сформулировали программу научных исследований эксперимента CMS в канале с парой мюонов в конечном состоянии. Предложенная программа легла в основу соответствующих глав проектов коллаборации CMS “CMS Physics Technical Design Report Vol. I и Vol. II”, определяющих стратегию и методы научных исследований коллаборации.

В 2010–2015 гг. коллаборацией CMS с определяющим участием физиков из ОИЯИ были получены новые уникальные данные о взаимодействиях частиц СМ при рекордных энергиях, которые были достигнуты во время первого цикла работы LHC: впервые измерены дифференциальное сечение dσ/dm процесcа Дрелла–Яна в области значений инвариантной массы пары лептонов m от 15 до 2000 ГэВ/c² (рис. 2) и дважды дифференциальное сечение d²σ/dmdy в области масс от 20 до 1500 ГэВ/c² и быстроты пары | y | ≤ 2.4. Исследованные кинематические области соответствуют недоступным для измерения в предыдущих экспериментах диапазонам значений масштабной переменной Бьёркена 3×10⁻⁴ ≤ x ≤1.0 и переданного четырехимпульса 6.0×10² ≤ Q² ≤ 7.5×10⁵ ГэВ²/c⁴. Дифференциальное сечение dσ/dm измерено в более широком интервале 3.0×10² ≤ Q² ≤ 10⁶ ГэВ²/c⁴.

Рис. 3. Дифференциальное сечение 1/σ_Z dσ/dm рождения пар лептонов (e⁺e⁻ и μ⁺μ⁻) в процессе Дрелла–Яна. Приведено отношение экспериментальных данных и предсказаний СМ в NNLO КХД и NLO ЭС. Вычисления сделаны в FEWZ3.1 с PDF CT10

В 2010–2021 гг. на данных RUN1 и RUN2 LHC при √s = 7, 8 и 13 ТэВ выполнена серия поисковых экспериментов, нацеленных на обнаружение сигналов новой физики, предсказываемых теориями с расширенным калибровочным сектором, моделями многомерной гравитации, сценариями с кандидатами в частицы темной материи, а также осуществлена проверка универсальности взаимодействий в лептонном секторе и выполнен ряд других исследований. По ситуации на сегодняшний день каких-либо значимых проявлений новой физики в распределениях дилептонов с большими инвариантными массами обнаружено не было. Хотя даже сам факт их отсутствия способен сказать достаточно много о физике за пределами СМ и об используемых моделях. На данных CMS получены самые сильные из когда-либо существовавших ограничений на массы гипотетических новых частиц, которые могли бы распадаться на пару лептонов, для широкого класса теорий (рисунок 4). Также получены уникальные ограничения на параметры моделей, предсказывающих нерезонансные отклонения от фона: модели специального вида с дополнительными пространственными измерениями или новые взаимодействия контактного типа между частицами.

Рис. 4 Модельно-независимый верхний предел (95% СL) на сечение рождения пар мюонов (черная сплошная линия), нормированное на сечение рождения Z⁰-бозона, для случая резонансов со спином 1 и спином. Пунктирная линия отвечает ожидаемому пределу в случае СМ (основанному на моделировании). Закрашенные области вокруг пунктирной линии соответствуют 68% и 95% стандартным отклонениям. Также приведены теоретические предсказания для сечений рождения новых калибровочных бозонов (модели SSM и Z′_ψ) и КК–состояния гравитона для разных констант связи сценария многомерной гравитации RS1

О поиске новой физики в эксперименте CMS