Один из редчайших процессов во Вселенной впервые зафиксировали на БАК: Стандартная модель снова подтверждена

Внутри Большого адронного коллайдера происходят миллиарды столкновений протонов в секунду. Подавляющее большинство этих событий — рутина, фоновый шум для физиков. Они охотятся за процессами настолько редкими, что их можно ждать годами, просеивая гигантские объемы данных. И недавно одно из таких событий было наконец зафиксировано.

Коллаборация CMS в CERN объявила о первом в истории полноценном наблюдении процесса, известного как tWZ. Это событие, при котором в столкновении рождается одна из самых тяжелых элементарных частиц, топ-кварк, в компании двух других частиц — W- и Z-бозонов.

Зачем вообще искать?

Физика элементарных частиц строится на так называемой Стандартной модели. Это самая точная и проверенная теория, описывающая строительные блоки материи и силы, которые ими управляют. Модель предсказывает существование частиц и их взаимодействия с очень высокой точностью. Но мы знаем, что она неполная. Она не объясняет темную материю, не включает в себя гравитацию и оставляет без ответа другие большие вопросы.

Поэтому физики ищут пробелы в этой модели — отклонения от ее предсказаний. Найти такой пробел можно двумя путями. Первый — напрямую открыть новую, не предсказанную частицу. Второй, более тонкий путь — измерять чрезвычайно редкие процессы, которые Стандартная модель все-таки предсказывает. Любое, даже малейшее, расхождение между измеренной частотой такого события и теоретическим расчетом может стать указателем на новую, еще не известную физику.

Процесс tWZ — идеальный кандидат для таких поисков.

Что такое tWZ и почему это событие — особенное?

Два протона сталкиваются на огромной скорости, и их энергия преобразуется в рождение новых частиц. В очень редких случаях эта энергия концентрируется так, что одновременно появляются три конкретные частицы:

• Один топ-кварк — самая тяжелая из известных элементарных частиц.
• Один W-бозон — переносчик слабого взаимодействия, ответственного за радиоактивный распад.
• Один Z-бозон — еще один переносчик слабого взаимодействия.

Теория предсказывает, что такое тройное рождение происходит исключительно редко. Настолько редко, что на триллионы других столкновений приходится лишь горстка нужных нам событий. Возникновение tWZ напрямую связано с фундаментальными свойствами топ-кварка и его взаимодействием с другими частицами. Если бы во Вселенной существовали другие, еще не открытые тяжелые частицы, они могли бы влиять на частоту рождения tWZ, и мы бы это заметили.

Как найти иголку в стоге данных?

Задача экспериментатора — доказать, что это было именно нужное событие. Проблема в том, что ни топ-кварк, ни W- или Z-бозоны долго не живут. Они распадаются за доли секунды на другие, более стабильные частицы — например, на электроны и мюоны, которые физики называют лептонами. Именно эти осколки распада и регистрирует детектор CMS.

Сигнатура, или по простому отпечаток, процесса tWZ — это появление в детекторе трех или четырех лептонов с определенными энергиями и траекториями. Но здесь возникает главная трудность: другие, гораздо более частые процессы, могут создавать очень похожую картину. Это фоновые события, которые маскируют и заглушают искомый сигнал. Например, рождение пары топ-кварков вместе с Z-бозоном (процесс ttZ) выглядит почти так же, но происходит намного чаще.

Как отделить зерна от плевел?

Искусственный интеллект на службе физики

Раньше физики делали это вручную, задавая жесткие критерии отбора событий. Сегодня на помощь приходят передовые алгоритмы машинного обучения. В этом исследовании ключевую роль сыграл алгоритм на основе архитектуры «трансформер» — той самой, что лежит в основе современных языковых моделей вроде GPT.

Вот как это работает. Алгоритм сначала обучают на огромном количестве симуляций. Ему показывают миллионы смоделированных примеров как сигнала (tWZ), так и всех возможных фоновых процессов. Искусственный интеллект учится видеть тончайшие, скрытые различия в десятках параметров каждого события: энергии частиц, углы их разлета, недостающий импульс и многое другое. Он выявляет сложные корреляции, которые человек просто не в состоянии отследить.

После обучения алгоритм применяют к реальным данным с детектора CMS. Для каждого зарегистрированного события он вычисляет вероятность: «это с вероятностью 95% похоже на сигнал» или «это с вероятностью 99% — фон». Такой подход позволил с высокой точностью вычленить сигнал tWZ из гигантского массива фоновых данных.

Что в итоге говорят цифры?

В физике частиц для заявления об открытии или наблюдении принят строгий стандарт. Статистическая значимость результата должна достигать «пяти сигма» (5σ). Это означает, что вероятность того, что наблюдаемый эффект является случайной флуктуацией фона, составляет примерно 1 к 3,5 миллионам.

Предыдущие анализы давали лишь свидетельства существования tWZ на уровне около 3.5σ. Новое исследование, благодаря большему объему данных и новым алгоритмам, позволило пересечь заветный рубеж. Наблюдаемая значимость составила 5.8σ. Это официальное, неоспоримое наблюдение. Процесс tWZ теперь — член каталога известных явлений Вселенной.

Любопытно, что измеренная частота этого процесса оказалась немного выше, чем предсказывает Стандартная модель. Однако это расхождение пока находится в пределах статистической и систематической погрешностей. Это не пробел в теории, но возможная зацепка. Теперь физикам нужно внимательно следить за этим показателем по мере накопления новых данных.

Это наблюдение подтверждает, что Стандартная модель работает даже в самых экзотических и редких своих проявлениях. И в то же время оно дало новый, еще более точный инструмент для поиска того, что может лежать за ее пределами.

Источник: arXiv