Обнаружено указание на редкий распад бозона Хиггса

Понедельник, 15 февраля 2021

Эксперимент ATLAS, который проводится на Большом адронном коллайдере (БАК), представил результаты по распаду бозона Хиггса на два мюона или два электрона и фотон: H → ℓℓγ, где обозначению ℓ соответствует либо электрон (e), либо мюон (μ). Статистическая значимость выделенного сигнала соответствует 3.2 σ.

Хиггсовский сектор Стандартной модели физики элементарных частиц (СМ) еще не до конца исследован. В настоящее время эксперименты на БАК ATLAS и CMS активно изучают свойства бозона Хиггса (H): массу этой частицы, её время жизни, квантовые числа, каналы распада, а также особенности взаимодействия с другими частицами СМ.

Распады бозона Хиггса изучают по пяти каналам: распад на два фотона, на два Z-бозона (с последующими распадами Z на пары лептон-антилептон), на два τ-лептона, на W+W пару и на пару b-кварков. Недавно ATLAS сообщил об обнаружении экспериментального указания на редкий канал распада бозона Хиггса H на фотон и пару лептонов, несущих противоположный электрический заряд. С точки зрения СМ такой процесс является подавленным, но его сложно назвать экзотическим, а вероятность такого распада связана с уже обнаруженным процессом распада бозона Хиггса на пару фотонов: H → γγ. Пример проявления подобных распадов можно увидеть в нашей заметке о многомюонных распадах чармониевых состояний. Формирование в конечном состоянии лептонной пары в таком процессе идет через промежуточную виртуальную частицу: фотон (γ*) или Z-бозон (Z*). Фейнмановские диаграммы, соответствующие амплитудам распада → ℓℓγ, в соответствии с предсказанием СМ, приведены на рисунке 1.

Измерение вероятности и кинематических характеристик редких распадов бозона Хиггса чрезвычайно важно в свете исследования гипотетического взаимодействия H с новыми (еще не открытыми) частицами, которые появляются в теоретических моделях, расширяющих СМ. Так, распад → ℓℓγ интересен с точки зрения изучения CP -структуры хиггсовского сектора. Понимание того, как выглядят взаимодействия бозона Хиггса с точки зрения комбинированной четности (CP), может приблизить к пониманию механизма образования барионной асимметрии нашей Вселенной. Препятствием на пути к таким исследованиям является малая вероятность подобных распадов. Необходимо научиться выделять их из множества фоновых событий.

В начале февраля 2021 года на семинаре Европейского центра по ядерным исследованиям (ЦЕРН) эксперимент ATLAS представил результаты поиска распада → ℓℓγ. Данные эксперимента ATLAS анализировались с целью поиска процессов H → e+eγ и H → μ+μγ. Зарегистрировать первый из этих распадов довольно сложно. Для этого понадобилась разработка специальных критериев онлайн-отбора (триггера) и алгоритмов офлайн идентификации. Последние должны учитывать возможность того, что электрон и позитрон будут лететь довольно близко друг-другу и создадут один кластер в калориметре.

Так как восстанавливаются все частицы конечного состояния, сигнальное распределение имеет форму узкого пика. В результате анализа в спектре масс пары лептонов и фотона ℓℓγ наблюдается превышение событий в области известной массы бозона Хиггса (см. рисунок 2). Статистическая значимость отклонения составляет 3.2σ, поэтому пока можно говорить только об указании (англ. evidence) на обнаружения сигнала. Вполне возможно, что вскоре можно будет говорить о наблюдении (обнаружении) этого распада. Это произойдет в том случае, если другой эксперимент на БАК – CMS также увидит превышение сигнала над фоном в области массы бозона Хиггса. Для объявления о наблюдении общая значимость сигналов должна превышать 5σ.

Нельзя сказать, что полученный результат сильно удивил ученых. Сила сигнала, отношение измеренного и теоретического (полученных в рамках СМ) произведений вероятности (сечения) рождения бозона Хиггса и вероятности его распада по ℓℓγ -каналу, составляет 1.5 ± 0.5. Таким образом, полученный результат находится в согласии с предсказаниями СМ.

В заключение следует отметить, что сотрудники НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ принимают активное участие в работе экспериментов ATLAS и CMS. Они являются полноправными соавторами представленной работы. Подробнее о методике и результатах новейших исследований бозона Хиггса экспериментом ATLAS можно узнать из материалов семинара.

Теги
фгбу пияф им. Б. П. Константинова Национальный исследовательский центр Курчатовский институт