За пределами Стандартной модели: в поисках новых бозонов Хиггса

Понедельник, 22 июля 2019

Одним из наиболее важных результатов, полученных на Большом адронном коллайдере, является обнаружение в экспериментах ATLAS и CMS в 2012 году бозона Хиггса – последней неоткрытой частицы Стандартной модели физики частицы (СМ). Это открытие окончательно подтвердило правильность СМ. Но, как известно, СМ не может объяснить некоторые явления, такие как барионная асимметрия, существование темной материи, иерархию масс частиц и масштабов взаимодействий и др. В современной теоретической физике частиц предлагаются многочисленные модели, расширяющие СМ, в частности, ее xиггсовский сектор.

К таким моделям, например, относятся двухдублетная модель Хиггса (англ., Two Higgs Doublet Model – 2HDM), минимальное суперсимметричное расширение Стандартной модели (англ., Minimal Supersymmetric Standard Model – MSSM, hMSSM) и её дополненная версия (англ., Next to MSSM - NMSSM), трипленая модель Хиггса (англ., Higgs Triplet Model – HTM), лево-право симметричная модель (англ., Left Right Symmetric Model – LRSM). В рамках 2HDM модели к СМ добавляется второй дублет xиггсовскох полей, что приводит к возникновению пяти новых физических состояний: трех нейтральных, из которых два CP–четные h и H и один CP–нечетный, псевдоскалярных A, и двух заряженных H+ и H-. В MSSM (hMSSM) модели хиггсовский сектор совпадает с хиггсовским сектором 2HDM модели, т.е. содержит те же пять новых физических состояний. В модели, которая расширяет минимальную суперсимметричную модель –  NMSSM –добавляется еще один синглет хиггсовых полей, и, как следствие, возникает семь новых физических состояний: три CP-четных H1, H2, H3, два CP–нечетных псевдоскалярных A1 и A2, и два заряженных H+ и H-. Таким образом, возникает целый спектр новых частиц.

Поиск таких частиц активно идет в экспериментах ATLAS и CMS. Анализ данных проводится в «видимых» каналах, т.е. когда все частицы, образованные в реакции, регистрируются детектором, и в «невидимых» каналах, когда регистрируется только часть продуктов реакции, а другая часть – не регистрируется (например, нейтрино). В первом случае анализируется спектр по «инвариантной массе», во втором случае анализ данных проводится с помощью «недостающей энергии» которая определяется по сумме импульсов частиц, зарегистрированных в каждом событии.

При анализе данных проводится сравнение экспериментальных спектров по инвариантной массе или недостающей энергии с предсказаниями СМ. Все процессы СМ, в данном случае, являются фоновыми процессами. Любые значимые отклонения от СМ, с учетом статистических и систематических неопределенностей, говорят о проявлении «Новой физики», т.е. физики, которая не описывается СМ. Таким образом, правильная оценка фоновых процессов и корректный учет всех неопределенностей является принципиально важной для такого исследования.

В последнее время в ATLAS и CMS было изучено большое количество конечных состояний, которые могут быть образованы в результате распада новых частиц. К настоящему моменту обнаружить новые частицы не удалось. В частности, на рисунке 1 показан спектр по инвариантной массе лептонов при поиске нейтрального тяжелого бозона Хиггса в его распаде: H→ZZ→4l, когда все 4 лептона (мюона или электрона) зарегистрированы. Этот результат был получен для данных с интегральной светимостью 36.1 фб-1 при энергии √s = 13 ТэВ. Отклонений от предсказаний СМ не обнаружено.

Одним из последних исследований в этом направлении, проведенных в эксперименте ATLAS, был поиск ассоциативного рождения тяжелого нейтрального бозона Хиггса с парой b-кварков, при условии его распада на два b-кварка, т.е. четыре b-струи в конечном состоянии. В результате интерпретации полученных результатов были установлены ограничения для сечений рождения таких частиц, которые показаны на рисунке 2. Следует отметить, что пока для анализа использовалась только часть данных второго периода работы БАК (Run II). Использование полного набора данных позволит увеличить набранную статистику в четыре раза и существенно уменьшить статистическую ошибку для данных, что даст возможность для более точного исследования. На рисунке 3 показан текущий статус пределов на параметры hMSSM модели, полученных в эксперименте ATLAS.

Сотрудники Лаборатории адронной физики Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ активно участвуют в анализе экспериментальных данных по поиску новых тяжелых бозонов Хиггса в эксперименте ATLAS. В частности, группа ЛАФ ОФВЭ занимается поиском нового тяжелого бозона Хиггса в его распаде: H→ZZ→2l2ν.

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