Повторный анализ данных LHC Run 2 с использованием передовых методов анализа позволил физикам CMS решить давний парадокс.
Суперсимметрия (SUSY) — захватывающая и красивая теория, которая отвечает на некоторые открытые вопросы в физике элементарных частиц. Оно предсказывает, что у всех известных частиц есть «суперпартнер» с несколько иными свойствами. Например, у самого тяжелого кварка в Стандартной модели, топ-кварка, будет суперпартнер, называемый топ-кварком, или просто «стоп». В 2021 году команда CMS проанализировала полный набор данных о столкновениях, собранных с 2016 по 2018 год, и обнаружила особенности, позволяющие предположить, что он может содержать частицы срыва. В данном случае «может быть» означало, что вероятность того, что данные, содержащие только известные частицы, будут выглядеть так, как наблюдалось, составляла менее 5%. Вместо того, чтобы ждать много лет, чтобы собрать больше данных в надежде воспроизвести такое поведение, коллаборация CMS решила повторно проанализировать те же данные, используя улучшенные методы анализа.
Новый анализ направлен на одновременное рождение пар кварков. Каждая остановка распадается на топ-кварк, сопровождаемый несколькими более легкими кварками или глюонами, которые затем образуют связанные состояния, известные как адроны, в конечном итоге создавая кластеры частиц, которые реконструируются в детекторе как «струи». Таким образом, сигнатурой сигнала являются два топ-кварка и несколько джетов. Что затрудняет анализ, так это то, что очень похожая сигнатура создается одним из наиболее распространенных процессов Стандартной модели на БАК: рождением пар топ-кварков. Рождение топ-кварка с множеством сопровождающих его струй представляет собой сложный для точного моделирования процесс, поэтому для получения надежного определения этого фона его необходимо оценить на основе наблюдаемых данных.
Один из широко используемых методов оценки фона по данным называется методом ABCD. Требуется две несвязанные наблюдаемые, которые могут различать сигнал и фон. Затем набор данных можно разделить на четыре региона (A, B, C и D) в зависимости от значения каждого наблюдаемого «сигнального» или «фонового» признака. Затем подразделение обеспечивает область с доминированием сигнала, область с доминированием фона и две промежуточные области. Основная особенность метода ABCD заключается в том, что, следуя математике вероятностей независимых событий, можно оценить фон в области доминирования сигнала, используя только информацию из других регионов. Проблема с использованием этого метода для остановки поиска заключается в том, что все простые переменные в этом поиске связаны, что делает метод недействительным. Чтобы решить эту проблему, физики CMS применили инновационный подход, основанный на передовых методах машинного обучения, для идентификации двух переменных с минимальной корреляцией. Эти две переменные затем используются для разделения данных на четыре региона, упомянутые выше. На рисунке ниже показана взаимосвязь между двумя переменными сигналом и фоном и показано, что сигнал в основном расположен в области «А».
Используя этот новый метод, коллаборация CMS смогла точно предсказать преобладающий фон в этом анализе на основе наблюдаемых данных, не полагаясь на моделирование с большими неопределенностями, связанными с моделированием распределения множественности струй. Это привело к значительному повышению чувствительности анализа. Если бы сигнал, указанный анализом 2021 года, был реальным, он был бы обнаружен уже сейчас без малейшего сомнения. Тот факт, что в этом анализе не наблюдается никакого сигнала, предполагает, что в конкретных сценариях SUSY останавливающая масса возможного распада на топ-кварки и джеты должна быть больше 700 ГэВ. Имея более чувствительный метод анализа, физики теперь с нетерпением ждут возможности проанализировать текущие данные третьего запуска LHC, чтобы пойти дальше и найти, где природа скрывает свои ответы.
Подробнее читайте в системе управления контентом. Краткое изложение физического анализа.
