Бозон Хиггса распадается на пару B-кварков

9 июля на международной конференции по физике высоких энергий 2018 года (ICHEP) в Сеуле (Южная Корея) эксперимент ATLAS сообщил о предварительном результате, устанавливающем наблюдение распада бозона Хиггса на пары B-кварков, причем со скоростью, соответствующей прогнозу стандартной модели.

Механизм Брута-Энглерта-Хиггса решает очевидную теоретическую невозможность наличия массы у слабых векторных бозонов (W и Z). Открытие бозона Хиггса в 2012 году стало триумфом стандартной модели. Поле Хиггса также может быть использовано элегантным образом для обеспечения массы заряженных фермионов (кварков и лептонов) посредством взаимодействий, включающих соединения Юкавы с силой, пропорциональной массе частиц. Наблюдение распада бозона Хиггса на пары τ-лептонов дало первые прямые доказательства такого взаимодействия.

Через шесть лет после открытия в эксперименте ATLAS в ЦЕРНЕ наблюдалось около 30% распадов бозона Хиггса, предсказанных в стандартной модели. Тем не менее, благоприятный распад бозона Хиггса на пару B кварков (H→bb), на который, как ожидается, приходится почти 60 процентов всех возможных распадов, до сих пор оставался неуловимым.

Наблюдение за этим режимом распада и измерение его скорости является обязательным шагом для подтверждения или опровержения генерации массы для фермионов через взаимодействия Юкавы, как предсказано в стандартной модели.

На международной конференции по физике высоких энергий (ICHEP) 2018 года в Сеуле (Южная Корея) эксперимент ATLAS сообщил о предварительном результате, устанавливающем наблюдение распада бозона Хиггса на пары B кварков со скоростью, соответствующей прогнозу стандартной модели.

Необходимо исключить на уровне в 3 млн вероятность того, что обнаружение распада возникает из флуктуации фона, который мог бы имитировать процесс. Когда такая вероятность находится на уровне только одного из 1000, обнаружение квалифицируется как «доказательство».

Доказательства распада H→bb впервые были представлены на Tevatron в 2012 году, а год назад — в сотрудничестве ATLAS и CMS Collaborations, независимо друг от друга.

Учитывая обилие распада H → bb и более редкие формы распада, такие как H → γγ, которые уже наблюдались во время открытия, почему так долго нужно было ждать этого наблюдения?

Основная причина заключается в том, что процесс производства бозона Хиггса в протон-протонных взаимодействиях приводит к одной паре струй частиц, происходящей из фрагментации b-кварков (b-струй). Их практически невозможно отличить от подавляющего фона пар b-кварка, создаваемых сильным взаимодействием (квантовая хромодинамика или КХД).

Чтобы преодолеть эту проблему, необходимо было рассмотреть процессы производства, которые являются менее обильными, но проявляют признаки, не присутствующие в КХД. Наиболее эффективным из них является связанное с ним образование бозона Хиггса с векторным бозоном W или Z. Лептонные распады W → ℓν, Z → ℓℓ и Z → νν (где ℓ обозначает электрон или мюон) обеспечивают сигнатуры которые обеспечивают эффективный запуск и мощное уменьшение фона КХД.

Однако сигнал Хиггса остается на порядки меньше, чем остальные фоны, возникающие в результате образования верхних кварков или векторных бозонов, что приводит к аналогичным сигнатурам. Например, пара верхних кварков может распадаться при tt → [(W → ℓν) b] [(W → qq) b] с конечным состоянием, содержащим электрон или мюон и два b-кварка, точно так же, как (W → ℓν ) (H → bb).

Основной дескриптор для распознавания сигнала из таких фонов представляет собой инвариантную массу, mbb, пар b-струй, идентифицированных сложными алгоритмами «b-tagging». Пример такого распределения масс показан на рисунке ниже, где сумма сигнала и фоновых компонентов сталкивается с данными.

Когда все каналы WH и ZH объединены, а фоны (кроме WZ и ZZ) вычитаются из данных, распределение, показанное на рисунке 2, демонстрирует явный пик, возникающий из-за распадов Z-бозонов на пары b-кварка.

Этого, однако, недостаточно для достижения уровня обнаружения, который может быть квалифицирован как наблюдение. С этой целью масса пары b-jet сочетается с другими кинематическими переменными, которые показывают явные различия между сигналом и различными фонами, например угловое разделение между двумя b-струями или поперечный импульс связанного вектора бозон.

Эта комбинация нескольких переменных выполняется с использованием техники усиленных вариаций принятия решений. Здесь показана комбинация выходов BDT со всех каналов, переупорядоченная по соотношению к сигналу-фону. Можно видеть, что сигнал близко следует за распределением, ожидаемым от Стандартной модели. Выходы BDT подвергаются сложному статистическому анализу для извлечения «значимости» сигнала. Это еще один способ измерить вероятность ложного наблюдения в терминах стандартных отклонений σ, гауссовского распределения. Магическое число, соответствующее наблюдению сигнала, составляет 5σ.

Анализ данных 13 ТэВ, собранных экспериментом ATLAS в 2015, 2016 и 2017 годах, приводит к значению 4,9σ — почти достаточного для наблюдения. Этот результат был объединен с результатами аналогичного анализа данных Run 1 и других поисков ATLAS для режима распада H → bb, а именно там, где бозон Хиггса образуется в сочетании с парами верхнего кварка или с помощью процесса, известного как векторный бозон слияние (VBF). Значение, достигаемое этой комбинацией, составляет 5.4σ.

Кроме того, объединение настоящего анализа с другими, которые направлены на распад бозонов Хиггса на пары фотонов и Z-бозонов, измеренные при 13 ТэВ, обеспечивает наблюдение при 5,3σ связанного VH (V = Z или W) производства в соответствии с предсказанием стандартной модели.

В настоящее время наблюдаются все четыре основных режима производства бозона Хиггса на адронных коллайдерах, из которых два только в этом году. В порядке обнаружения: (1) слияние глюонов с бозоном Хиггса, (2) слияние слабых бозонов с бозоном Хиггса, (3) связанное с ним образование хиггсовского бозона с двумя верхними кварками и (4) связанное с ним образование Хиггсовский бозон со слабым бозоном.

Больше информации: Observation of H → bb decays and VH production with the ATLAS detector: atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS … ATLAS-CONF-2018-036/