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CDF的新粒子?

以下汇总自GrossmannZ(@einsteinii)的微博,以及李淼老师的博客,并有自己的一些补充。

纽约时报4月5日报道,费米实验室Tevatron对撞机准备公布一个质量120-160GeV,3σ的意外信号。

该信号从未被理论预测过,如果属实,将暗示一个有趣的新发现。注意,粒子物理实验依赖统计,3σ表示“值得注意”,宣布新粒子发现需要5σ。该结果已提交PRL

实验的主要结果是在终态为W玻色子和两个喷注(夸克引起的)的事件统计中发现一个鼓包。在粒子物理实验中,这类鼓包通常是由质量相当的粒子引起的。

论文摘录:

... dominated by events where a W boson, which decays leptonically, is produced in association with jets (W+jets).... The result is compatible with expectation from a Monte Carlo simulation of a W boson plus a particle with a mass of 150 GeV/c2 and decaying into two jets.

(个人对W+jet的理解:在质子-反质子高能对撞过程中,产生了W+和夸克,W+以衰变为正电子和电子中微子的方式被观测到,而夸克由于不能自由存在,则通过它碎入重组形成的强子射流(jets)的方式观测到。W+ jets是高能对撞的主要背景,其它的比如双玻色子WW、WZ过程、Z+过程和Top过程等发生的频率都低于W+。需要用MC模拟估算所有这些过程并从对撞机探测器的数据中剔除,才能够发现过程中产生的新粒子。)

在CDF组文章出现的五天前,就有一篇文章(http://arxiv.org/abs/arXiv:1103.6035) 认为W+2jets的反常是由Z’衰变引起的。Z’玻色子的质量大约是150Gev,不仅解释了W+2jets,还能解释以前的top夸克forward-backward不对称性。

在CDF文章之后,很快,Kingman Cheung和他的合作者写了一篇Z’文章:http://arxiv.org/abs/1104.1375

北大马伯强教授和台大何小刚教授讨论了用intrinsic strange quarks想法解释CDF的反常,也很快写出文章:http://arxiv.org/abs/1104.1894

CDF作者之一,意大利粒子物理学家Tommaso Dorigo对该实验结果做了通俗的讨论,在讨论了几种可能的误差后,他个人表示这不大可能是新发现:http://www.science20.com/quantum_diaries_survivor/new_massive_particle_some_kind_higgs-77857

文中认为常见各种系统误差应该不大可能是这个结果的原因,认为标准模型外但理论物理内还是存在模型可以解释这个数据,如Z’: http://arxiv.org/abs/arXiv:1103.6035 。但他个人认为是MC模拟对W+jet建模不够准确造成的数据差异。

另外,文中认为这个数据给DZERO和LHC都是一个指引,如果它们能在同一质量范围和同类事件中得到相当于或超过3σ的结果,就爽了。BTW,mark:这个实验的p-value是7.6*10^-4,相当于3.2倍标准差。

Tommaso在4月7日的两篇博客 http://www.science20.com/quantum_diaries_survivor 里继续讨论了这个结果。参考较早前D0类似的分析结果,统计波动的可能性比较大。对撞实验要求对背景噪音有足够好的理解和建模;假设这个意外的结果来自于对某个背景的估计不足,放大背景则可能将它淹没。

前一条关于费米实验室3σ意外信号的转播不是在质疑实验结果的有效性,而是为了说明对背景的理解在粒子物理实验中的重要性。那个gif动画只是一个演示而不代表任何关于背景正式信息。这样的信号不罕见,多数时候它们来自统计波动,更多的数据会将其抹平;另一方面,一些新发现就是这么逐渐浮出水面的。

在不断积累数据的过程中,人们不断提高对背景的理解和建模,这对粒子物理实验,尤其是复杂的对撞机探测器实验而言是极其重要的。Tevatron对撞了数十年,人们对它有了相当好的理解;LHC刚运行不久,能量、亮度较Tevatron都有数量级的提升,背景也更加复杂,理解它的过程绝不容易。

关于两周前费米实验室CDF意外发现Wjj通道上3σ溢出(图中蓝色曲线),Zack Sullivan在 http://arxiv.org/abs/1104.3790v1 指出,CDF采用的MC模拟对背景估计不足,且在过去CDF对单顶夸克生产过程的测量中找到了这个过程贡献背景的证据。也就是说,如果人们用信号减去用实验数据得到的背景,这个溢出是不会存在的。

传统上,对撞机探测器的数据分析利用动力学对数据进行比较简单的筛选,分析中所有的不确定性都被人较好地控制着,但这么做效率低下难以抓住重点;于是后来人们通过复杂的算法在粒子反应的相空间里寻找关系,可一旦变量多到一定程度,人们就容易失去了对不确定性足够好的控制而不能准确估计误差。

说到底,报告一个数字总是相对简单的,而指出这个数字的误差范围通常比得到它本身要花费大得多的代价。

宋皿

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