Кубанский государственный технологический университет

Умные алгоритмы помогли совершить открытие в физике элементарных частиц

06-03-2012

Впервые надежно зарегистрирован процесс одиночного рождения топ-кварка, за которым физики охотятся уже много лет. Ключевую роль сыграли «умные» алгоритмы обработки информации. Разработанные методы должны помочь в поиске бозона Хиггса.

Рис. 1. Так выглядит с точки зрения детектора процесс рождения одиночного топ-кварка.

Точки на концентрических кругах — результаты измерения траектории, гистограмма по периметру показывает энерговыделение частиц, дугами и стрелками показаны восстановленные траектории частиц (изображение с сайта www-d0.fnal.gov)

Согласно Стандартной модели элементарных частиц, вещество состоит из кварков и лептонов. Кварки и лептоны обладают разнообразными свойствами, однако среди них особняком стоит топ-кварк (t-кварк).

Рис. 2. Схематическое изображение фундаментальных частиц материи: объем шара примерно соответствует массе частицы (изображение с сайта www-d0.fnal.gov)

Топ-кварк — не только самая тяжелая из известных на сегодня частиц материи (см. рис. 2), но и сильнее всего из них взаимодействует с «глубинным фундаментом» современной физики элементарных частиц — с не открытым еще бозоном Хиггса и, возможно, с другими гипотетическими частицами, которые с завидной регулярностью выдумывают теоретики. Именно поэтому изучение топ-кварка предоставляет редкую возможность «заглянуть» в мир тяжелых, до сих пор не обнаруженных частиц с помощью косвенных измерений.

Стандартный путь изучения свойств элементарных частиц таков. Исходные частицы разгоняются в ускорителе до высоких энергий «на встречных курсах» и в определенном месте сталкиваются друг с другом. Если энергия частиц велика, то в процессе столкновения рождается множество новых частиц, обычно нестабильных. Эти частицы, разлетаясь из точки столкновения, распадаются на более устойчивые частицы, которые и регистрируются детекторами. Для каждого такого акта столкновения (физики говорят: для каждого события) — а они регистрируются тысячами в секунду! — экспериментаторы в результате определяют кинематические переменные: значения импульсов и энергий «пойманных» частиц, а также их траектории (см. рис. 1). Набрав много событий одного типа и изучив распределения этих кинематических величин, физики восстанавливают то, как протекало взаимодействие.

Протон-антипротонный коллайдер Тэватрон в Фермилабе — единственный на сегодня ускоритель, энергия которого достаточна для рождения топ-кварков. Обычно топ-кварки в столкновениях протонов рождаются парами (t-кварк и t-антикварк). Но поскольку этот процесс протекает за счет сильного взаимодействия, а оно изучено достаточно хорошо, эта реакция не слишком интересна для изучения основ мироздания.

Имеется, однако, и другая возможность произвести на свет t-кварк: с помощью электрослабых сил. Две разновидности этого процесса одиночного рождения топ-кварка, за которым физики охотятся уже несколько лет, показаны на рис. 3. Интерес к нему возник более десяти лет назад, когда стало понятно, что разнообразные экзотические варианты теории электрослабого взаимодействия по-разному предсказывают течение этой реакции. Несмотря на долгое «молчание» экспериментаторов, это направление исследований остается очень активным и по сей день: достаточно сказать, что сейчас публикуется по несколько статей в месяц, посвященных разнообразным свойствам этого процесса.

Стоит, кстати, заметить, что отличия в протекании этой реакции, которые предсказывают экзотические разновидности теории, не кардинальны. В них по сравнению со Стандартной моделью могут изменяться вероятности тех или иных путей протекания этой реакции, но весь набор частиц, которые попадут в детектор, а также их кинематические распределения будут более или менее теми же. Это означает, что экспериментаторы могут смело использовать универсальные алгоритмы поиска этой редкой реакции, не подстраиваясь под какую-то конкретную модель.

Рис. 3. Два канала рождения топ-кварка без соответствующего антикварка (изображение из обсуждаемого доклада)

Экспериментаторы, впрочем, не сидели сложа руки. Обе коллаборации, работающие на Тэватроне, — DZero и CDF, — за последние 5 лет неоднократно возвращались к поиску проявлений этого процесса во всё возрастающем массиве накопленных экспериментальных данных. Задача эта непростая: искомый процесс очень редкий, и разобраться, в каком случае мешанина попавших в детекторы частиц получилась за счет одиночного рождения топ-кварка, чрезвычайно непросто (см. рис. 1). Поэтому параллельно с накоплением статистики экспериментаторы разрабатывали и адаптировали для своих задач всё более «интеллектуальные» системы поиска сигналов заданной «формы» в огромном массиве данных.

Кульминацией этих поисков стал доклад «Evidence for Production of Single Top Quarks at D0 and A First Direct Meas