Эксперименты показывают первое свидетельство редкого распада бозона Хиггса
Открытие бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе в 2012 году стало важной вехой в физике элементарных частиц. С тех пор коллаборации ATLAS и CMS исследуют свойства этой уникальной частицы и пытаются установить различные способы ее образования и распада на другие частицы.
На конференции «Физика большого адронного коллайдера» (LHCP) на этой неделе ATLAS и CMS сообщают, как они объединились, чтобы найти первое свидетельство редкого процесса, в котором бозон Хиггса распадается на Z-бозон, электрически нейтральный носитель слабого взаимодействия и фотон, носитель электромагнитной силы. Этот распад бозона Хиггса может дать косвенное свидетельство существования частиц помимо тех, которые предсказываются Стандартной моделью физики элементарных частиц.
Распад бозона Хиггса на Z-бозон и фотон аналогичен распаду на два фотона. В этих процессах бозон Хиггса не распадается непосредственно на эту пару частиц.
Вместо этого распад происходит через промежуточную «петлю» «виртуальных» частиц, которые появляются и исчезают и не могут быть обнаружены напрямую. Эти виртуальные частицы могут включать в себя новые, еще не открытые частицы, взаимодействующие с бозоном Хиггса.
Стандартная модель предсказывает, что если бозон Хиггса имеет массу около 125 миллиардов электронвольт (ГэВ/c²), примерно 0,15% бозонов Хиггса распадутся на Z-бозон и фотон.
Но некоторые теории, расширяющие Стандартную модель, предсказывают другую скорость распада. Таким образом, измерение скорости распада дает ценную информацию как о физике за пределами Стандартной модели, так и о природе бозона Хиггса.
Ранее, используя данные протон-протонных столкновений на БАК, ATLAS и CMS независимо провели обширные поиски распада бозона Хиггса на Z-бозон и фотон.
Оба поиска использовали схожие стратегии, идентифицируя Z-бозон по его распадам на пары электронов или мюонов — более тяжелых версий электронов. Эти распады Z-бозона происходят примерно в 6,6% случаев.
В этих поисках события столкновения, связанные с распадом бозона Хиггса (сигнал), будут идентифицированы как узкий пик на гладком фоне событий в распределении объединенной массы продуктов распада. Чтобы повысить чувствительность к распаду, ATLAS и CMS использовали наиболее частые способы образования бозона Хиггса и классифицировали события на основе характеристик этих процессов образования.
Они также использовали передовые методы машинного обучения, чтобы еще больше различать сигнальные и фоновые события.
В новом исследовании ATLAS и CMS объединили усилия, чтобы максимизировать результаты своего поиска. Объединив наборы данных, собранные в ходе обоих экспериментов во время второго запуска БАК, который проходил в период с 2015 по 2018 год, совместные усилия значительно повысили статистическую точность и охват их поиска.
Это привело к первому свидетельству распада бозона Хиггса на Z-бозон и фотон. Результат имеет статистическую значимость 3,4 стандартных отклонения, что ниже обычного требования в 5 стандартных отклонений, чтобы заявить о наблюдении. Измеренная частота сигнала на 1,9 стандартных отклонения превышает предсказание стандартной модели.
«Каждая частица имеет особые отношения с бозоном Хиггса, что делает поиск редких хиггсовских распадов первостепенной задачей», — говорит координатор физики ATLAS Памела Феррари. «Благодаря тщательному сочетанию отдельных результатов ATLAS и CMS мы сделали шаг вперед к разгадке еще одной тайны бозона Хиггса».