Поиск новых распадов бозона Хиггса продолжается

Пятница, 19 июля 2019

Бозон Хиггса (H), открытый в 2012 году экспериментами ATLAS и CMS, которые проходят на Большом адронном коллайдере (БАК), остается интереснейшим объектом для исследований. Физики ищут новые каналы его распада. На проходящей в Генте (Бельгия) конференции EPS-HEP эксперимент ATLAS отчитался о поиске распадов H → μ+μ-, а CMS – о поисках распада этой частицы на пару c-кварк–анти-с-кварк.

Бозон Хиггса и соответствующее ему скалярное поле играют особую роль в Стандартной модели (СМ) физики элементарных частиц: именно они генерируют массу элементарных частиц. При этом СМ предсказывает, что интенсивность распадов H тем выше, чем больше масса частиц, в которые он распадается. На сегодняшний день открыто пять каналов распада бозона Хиггса: распад на два фотона; на два τ-лептона; на два Z-бозона; на W+W пару; на пару b-кварк – анти-b-кварк.

В каждом из этих распадов появляется пара частица-античастица (γ и Z являются античастицами самим себе). Следует также заметить, что распад на два безмассовых фотона идет через образование виртуальной пары t-кварк – анти-t-кварк (см. рисунок 1), а t-кварки самые тяжелые частицы СМ. Сейчас эксперименты БАК заняты поиском распадов H на более лёгкие частицы. На проходящей в эти дни в бельгийском городе Генте конференции Европейского физического общества два самых больших эксперимента БАК отчитались об этих поисках.

Эксперимент CMS рассказал о поисках распада бозона Хиггса на пару c-кварк–анти-с-кварк. Согласно предсказаниям СМ, интенсивность этого процесса примерно в 20 раз меньше, чем интенсивность распада по b – анти-b каналу. Распады H в кварки очень трудно регистрировать из-за огромных адронных фонов, возникающих при взаимодействии ультрарелятивистких протонов БАК. Чтобы снизить фоновую компоненту, физики сосредоточились на исследованиях распадов H, образовавшихся в паре с тяжелым векторным бозоном (W или Z, т.н. VH-рождение). Ключевой особенностью представленного анализа данных являлось выделение струй, порожденных именно очарованными кварками. Для решения этой задачи применялись методы машинного обучения. На рисунке 2 показано, как выглядит спектр для одной из категорий отобранных событий. Сигнала от распадов бозона Хиггса зафиксировано не было, что, впрочем, ожидалось по СМ.

Объединив все категории событий, физики CMS получили ограничение на величину VHxBR(H→cc))/(σVHSMxBRSM(H→cc))=70 на уровне доверительной вероятности 95%, при том, что ожидалось чувствительность порядка  37+16–10. В формуле σVH обозначает сечение VH-процесса, BR – вероятность распада на c – анти-c-кварк, а индексом SM обозначаются предсказания Стандартной модели.

Эксперимент ATLAS изучал распад бозона Хиггса по μ+μ--каналу. Этот распад также является редким и позволяет изучать взаимодействие бозона Хиггса с фермионами второго поколения. Вероятность такого распада в 300 раз меньше, чем вероятность распада на более тяжелый τ-лептон, о котором сообщалось ранее. В отличие от распада бозона Хиггса на кварки, канал распада на мюон и антимюон является более «чистым», так как лептоны реконструировать легче, чем струи. Несмотря на это, проблема сокращения числа и правильной оценки фоновых событий является одной из серьезных задач данного анализа. При этом восстанавливается спектр по т.н. «инвариантной массе» двух мюонов. Результат, представленный на рисунке 3, был получен с использованием всех данных, полученных в ходе второго этапа работы БАК (2015-2018 гг.). Статистически значимых отклонений от предсказаний СМ, как видно из рисунка 3, обнаружено не было. В результате физики эксперимента ATLAS получили верхнее ограничение для вероятности распада бозона Хиггса на два мюона, которое составило BR(H→μμ) < 3.8×10-4 (для уровня доверительной вероятности 95%).

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