Физики изучают взаимодействие бозона Хиггса с очарованными кварками

Открытие бозона Хиггса в 2012 году на Большом адронном коллайдере (БАК) подтвердило ключевой механизм Стандартной модели — механизм Хиггса, объясняющий происхождение массы элементарных частиц. Однако, несмотря на успехи в изучении его взаимодействий с тяжелыми кварками (такими как топ-кварк), исследование связей Хиггса с более легкими кварками, включая очарованный кварк второго поколения, остается сложной экспериментальной задачей.

Основная трудность заключается в редком распаде бозона Хиггса на очарованные кварки (H → cс̄), который маскируется фоновыми процессами. Кварки в таких распадах образуют адронные струи, причем струи от очарованных кварков сложно отличить от струй, порожденных легкими кварками (u, d, s) или глюонами. Традиционные методы маркировки, эффективные для b-кварков, недостаточны для очарованных струй из-за их промежуточных масс и характерных особенностей распада.

Для преодоления этих ограничений коллаборация CMS применила инновационные методы машинного обучения. Во-первых, для идентификации использовалась графовая нейронная сеть (GNN), анализирующая пространственные и энергетические связи между частицами в струях. Во-вторых, для отделения сигнальных событий (рождение бозона Хиггса в ассоциации с топ-кварками) от фона была задействована сеть-трансформатор, аналогичная моделям, лежащим в основе ChatGPT, но адаптированная для классификации физических процессов.

Результаты и их значение

Анализ данных, собранных в 2016–2018 годах, позволил установить самые строгие на сегодня ограничения на силу взаимодействия бозона Хиггса с очарованным кварком. Новые результаты на 35% точнее предыдущих и согласуются с предсказаниями Стандартной модели, хотя статистической значимости для открытия распада H → cс̄ пока недостаточно.

Ключевой прорыв заключается в демонстрации принципиальной возможности детектирования таких распадов на БАК. Это открывает путь к дальнейшим исследованиям с увеличенным объемом данных в ходе будущих запусков коллайдера (Run 3 и HL-LHC). Усовершенствование алгоритмов машинного обучения и накопление статистики могут в перспективе привести к прямому наблюдению распада, что подтвердит универсальность механизма Хиггса для всех поколений кварков.

Перспективы и фундаментальные вопросы

Подтверждение связи бозона Хиггса с очарованными кварками станет важным шагом к проверке Стандартной модели, особенно в части объяснения масс легких кварков, из которых состоит обычная материя. Кроме того, отклонения от предсказаний модели могли бы указать на новую физику, например, на влияние дополнительных полей или частиц.

Эксперименты CMS и ATLAS продолжают совершенствовать методы анализа, комбинируя данные разных каналов распада бозона Хиггса. Это постепенно устраняет «белые пятна» в понимании роли бозона Хиггса в микроскопической структуре материи, подчеркивая важность симбиоза физики высоких энергий и искусственного интеллекта в решении задач, которые еще недавно считались неразрешимыми.