Эксперименты БАК объявили о наблюдении распада бозона Хиггса на пару тяжелых кварков bb´

Четверг, 06 сентября 2018

28 августа 2018 года на семинаре Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) два крупнейших эксперимента Большого адронного коллайдера (БАК) ATLAS и CMS объявили о наблюдении канала распада бозона Хиггса на b-кварк и соответствующий антикварк, являющегося новым важнейшим шагом в данном направлении исследований.

Бозон Хиггса (H) был открыт в 2012 году на БАК экспериментами ATLAS и CMS. С тех пор физики довольно точно определили массу этой частицы (mH = 125 ГэВ/c2), её квантовые числа (нулевой спин и положительную четность), были получены ограничения на естественную ширину распада этой частицы и установлено её взаимодействие с калибровочными бозонами и тау-лептоном. Недавно мы сообщали об обнаружении экспериментами ATLAS и CMS процесса образования бозона Хиггса вместе с парой t-кварк – анти-t-кварк (процесс образования ) ― первом прямом экспериментальном свидетельстве прямого взаимодействия бозона Хиггса с t-кварками, самыми тяжелыми частицами Стандартной Модели (СМ). И теперь в конце лета на семинаре ЦЕРН эти же эксперименты объявили о том, что наблюдается распад , то есть получено прямое свидетельство взаимодействия этой частицы со вторыми по массе частицами кваркового сектора СМ.

В СМ механизм Энглера-Браута-Хиггса дает массу элементарным частицам (векторным бозонам, кваркам, заряженным лептонам). При этом, чем массивнее частица, тем интенсивнее бозон Хиггса взаимодействует с ней. Теоретически предсказано, что среди всех каналов распада процесс , должен иметь наибольшую вероятность (> 58%, см. Рис.1), однако обнаружить его оказалось довольноcложно. До настоящего момента имелись лишь указания (англ. evidence) на существование этого канала распада, так в экспериментальной физике принято назвать эффекты, статистическая значимость выделения которых лежит между тремя и пятью стандартными отклонениями (σ). Эффекты со статистической значимостью >5σ называют открытиями (discovery) или наблюдениями (observation).

Почему же, будучи столь интенсивными, канал распада процесс  не удавалось до сих пор зарегистрировать? Дело в том, что b-кварки, образовавшиеся в результате распада H, не могут просто так разлететься. Явление конфайнмента заставляет их адронизоваться― превратиться в составные частицы мезоны или барионы. Кварки из процесса  обладают огромной энергией и образуют не один адрон (мезон или барион), а несколько летящих приблизительно в одном направлении. Такие пучки адронов физики называют струями.

Точность определения энергии струи, а значит и энергии породившего её кварка намного ниже, чем, например, точность определения энергии электронов или мюонов. Поэтому экспериментальное разрешение по массе бозона Хиггса в  канале на порядок хуже, чем, например, для процесса ― 10% против 1%. А чем лучше разрешение тем лучше соотношение сигнал-фон, которое напрямую влияет на статистическую значимость результата.

Еще одним мешающим моментом является то, что -пары довольно интенсивно рождаются в КХД-процессах при соударениях протонов высоких энергий и поэтому фоновая ситуация заметно хуже, чем для других каналов распада. Так, соотношение сигнал-фон для процесса  порядка 2, а для  порядка 0.05, то есть в 40 раз хуже. Поэтому для открытия этого канала требовалась высокая эффективность идентификации b-струй и точность определения их энергии. Физики экспериментов ATLAS и CMS старались использовать всю доступную информацию о событиях, зафиксированных детекторными системами, чтобы максимально улучшить соотношение сигнал-фон.

Для того чтобы эффективно искать новые каналы распада H, можно также задействовать информацию о том, как эта частица появилась. На БАК доминируют четыре механизма рождения бозона Хиггса: слияние глюонов (ggF-процесс, 88% вклад в рождение H), слияние векторных бозонов Z и W (VBF-процесс, 7%), ассоциированное рождение с векторным бозоном (VH-процесс, 3%) и -процесс 1% (см. Рис.2).

Для регистрации  лучше всего подходит всё же довольно редкий VH-процесс. Изучая именно его, удается чище всего выделить факт рождения и распада бозона Хиггса в данном канале распада. Проанализировав статистику, набранную в ходе второго этапа работы БАК, физики получили распределения по массе двух b-струй в событиях, выделенных как VH-процесс (см. Рис.3). В эти распределения дают вклад и фоновые процессы, но их аккуратный учет показывает, что в районе массы бозона Хиггса есть еще вклад, интерпретируемый как распад .

Однако оказалось, что только данных, набранных на втором этапе работы коллайдера недостаточно, чтобы объявить об открытии. Поэтому результаты были аккуратно объединены с полученными на первом этапе и все равно до заветных 5σ не хватало еще чуть-чуть. Тут на помощь пришли результаты на других, менее точно определенных процессах рождения H. Добавив их, физики смогли объявить, что распад  открыт. Статистическая значимость, полученная экспериментом ATLAS, составила 5.6σ, а CMS― 5.4σ.

Это уникальное достижение, ведь теперь неоткрытыми остаются процессы, составляющие всего чуть больше, чем 10% от общего числа распадов бозона Хиггса. Их открытие ― дело будущего.

Помимо собственно открытия, физиков интересовало, а насколько число обнаруженных распадов согласуется с предсказаниями СМ? Здесь сюрпризов нет ― с точностью порядка 20% полученные результаты согласуются с расчетными. На следующих этапах работы БАК погрешности измерений будут уменьшены.

Следует отметить, что сотрудники Отделения физики высоких энергий Института принимают активное участие в исследованиях CMS и ATLAS, являясь частью большой международной команды. Ученые внесли и вносят большой вклад как в проектирование, строительство и эксплуатацию этих экспериментальных систем, так и в обработку экспериментальных данных и подготовку коллаборационных статей.

Подробнее об экспериментальном обнаружении распада  можно узнать из видеозаписи семинара и слайдов, предоставленных экспериментами ATLAS и CMS.

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