Содержание:
Коллаборация CMS недавно представила новые результаты поиска долгоживущих тяжелых нейтральных лептонов (heavy neutral leptons, HNL). «Хайтек» рассказывает главное о новом анализе ученых
Нейтрино занимают особое место в физике элементарных частиц. Их особенность в том, что они почти не взаимодействую с остальным веществом — отсюда и их название. И именно поэтому нейтрино очень сложно изучать. Однако на сегодняшний день ученые уже знают, что нейтрино и антинейтрино бывают трех типов — электронные, мюонные и таонные, соответствуя трем поколениям лептонов. Однако многое о них до сих пор неизвестно. Например, непонятно, почему количество электронных нейтрино, которые долетают на нашу планету от Солнца почти в три раза ниже, чем предсказывает Стандартная модель физики. Чтобы решить проблему, ученые ввели понятие нейтринных осцилляций. Это процесс, при котором частицы превращаются в разные типы друг в друга. Однако и и тут возникла новая проблема. Если нейтринные осцилляции «работают», значит, нейтрино обладают ненулевой массой. Но ведь первоначальная версия Стандартной модели предполагает, что это не так и масса равна нулю.
Много экспериментов с нейтрино выявили аномалии, которые нельзя объяснить погрешностями. Они свидетельствуют о существовании еще одного типа нейтрино — стерильного.
Что такое стерильные нейтрино?
«Стерильные нейтрино» и представляют собой интересные гипотетические частицы, которые могут решить три основные загадки физики элементарных частиц:
— объяснить малость масс нейтрино;
— объяснить материю-антиматерию;
— объяснить асимметрию Вселенной.
Однако их очень трудно обнаружить, поскольку эти лептоны очень слабо взаимодействуют с известными частицами.
Как их изучать?
У большинства частиц, изученных на Большом адронном коллайдере, есть одна общая черта: они нестабильны и распадаются почти сразу после образования. Продуктами этих распадов обычно являются электроны, мюоны, фотоны и адроны — хорошо известные частицы, для наблюдения и измерения которых предназначены детекторы больших частиц.
Исследования исходных короткоживущих частиц проводятся на основе тщательного анализа наблюдаемых продуктов распада. Таким образом были получены многие результаты на БАК, от распада бозона Хиггса на фотонные пары и четыре лептона до исследований топ-кварка и открытия новых экзотических адронов.
Проблема и новый подход
Лептоны, изученные в новом исследовании, требуют другого подхода. Это нейтральные частицы со сравнительно длительным временем жизни, что позволяет им незамеченными пролетать несколько метров, прежде чем распасться где-нибудь в детекторе. Новый анализ фокусируется на случаях, когда HNL появляется после распада W-бозона в протон-протонном столкновении, а затем сам распадается где-то в мюонной системе детектора CMS.
Мюонная система составляет самую внешнюю часть CMS и ее разработали как раз для обнаружения мюонов. Мюоны, образующиеся в результате протон-протонных столкновений на БАК, проходят через весь детектор, оставляя след во внутренней системе слежения, а затем еще один в системе мюонов. Объединение этих двух следов в полный след мюона позволяет физикам идентифицировать мюоны и измерять их свойства. В поиске HNL мюон заменяется слабо взаимодействующей тяжелой частицей, которая не оставляет следов — пока не распадется.
Если он распадется в мюонной системе, то может произвести ливень частиц, ясно видимых в мюонных детекторах. Но — в отличие от мюона — он не оставляет следов во внутреннем следящем детекторе и не производит никакой другой активности в мюонной системе. Этот анализ основан на поиске кластеров треков «из ниоткуда» в детекторах мюонов.
Что сделали ученые?
Анализ начался с выбора событий столкновения с реконструированным электроном или мюоном из распада W-бозона и изолированного кластера следов в мюонной системе. Затем потребовалось исключить случаи, когда стандартные процессы могли имитировать сигнал NHL. После полного анализа превышения сигнала над ожидаемым не наблюдалось. В результате, ученые исключили диапазон возможных параметров HNL, установив самые жесткие на сегодняшний день ограничения для лептонов с массами 2-3 ГэВ.