Физикам из коллаборации ATLAS Большого адронного коллайдера впервые удалось надежно зафиксировать распад бозона Хиггса на прелестный кварк и прелестный антикварк. Это последний из основных каналов распада частицы, предсказанных Стандартной моделью и подтвержденный экспериментально. Одновременно с этим ученые проанализировали последний из основных каналов рождения бозона Хиггса в коллайдере, тем самым завершив в общих чертах картину рождения и распада частицы. По словам представителей ATLAS, теперь физика бозона Хиггса переходит в новую эру — точных измерений. Результаты были представлены на конференции ICHEP2018, кратко о них сообщает официальный сайт коллаборации ATLAS.

Распады бозона Хиггса на прелестные кварк и антикварк (красные) и фоновые события (серые). ATLAS / CERN

Важнейшей задачей, стоявшей перед Большим адронным коллайдером в первые годы работы, был поиск бозона Хиггса. Эта частица была предсказана Стандартной моделью, чтобы объяснить, откуда берется масса у частиц-переносчиков слабого взаимодействия (W и Z-бозонов), а также, через взаимодействие Юкавы, у заряженных лептонов (электронов, мюонов и тау-частиц) и кварков. Общая идея механизма Хиггса состоит в том, что существует специальное дополнительное поле, с которым все перечисленные частицы взаимодействуют. Именно это взаимодействие и проявляется как масса частиц — без него (и поля Хиггса) все элементарные частицы были бы безмассовыми. Бозон Хиггса — элементарное возбуждение этого поля.

Однако Стандартная модель предсказывала не только существование новой частицы, но и ее свойства. В зависимости от массы бозона физическая теория позволяла оценить, как именно он будет рождаться и распадаться. У массивного бозона Хиггса несколько каналов (способов) распада и каждый реализуется со своей вероятностью, точно предсказываемой Стандартной моделью.

После открытия самого факта существования бозона Хиггса в 2012 году, эксперименты ATLAS и CMS перешли к измерениям тех самых свойств открытого бозона. Если вероятность любого из путей рождения или распада частицы окажется меньше или больше предсказанной, то это укажет на какой-то неизвестный процесс, не учитываемый Стандартной Моделью. Особенности этого процесса помогут физикам в поисках Новой физики за пределами Стандартной модели — более совершенной физической теории, способной объяснить избыток материи во Вселенной по сравнению с антиматерией и происхождение темной материи.

Основные каналы распада бозона Хиггса. PDG

Бозон Хиггса был открыт благодаря двум каналам распада — на два фотона и на четыре лептона (точнее, сначала на два Z-бозона, а затем на два лептона). Стандартная модель предсказывает, что вероятность этих распадов составляет 0,2 и 2,6 процента соответственно. Казалось бы более частые и, соответственно, более легкие для наблюдения распады на пару W-бозонов и тау-лептонов (21,5 и 8,6 процента распадов Хиггса), удалось выделить среди экспериментальных данных уже позднее. И лишь сейчас, на объединенной статистике Run 1 и Run 2, физики могут окончательно утверждать о наблюдении самого главного канала распада бозона Хиггса — на прелестную кварк-антикварковую пару (58 процентов всех распадов).

Главная сложность наблюдения этого канала распада — большое количество шумов. Чтобы заметить распады бозона физики изучают образующиеся осколки. Пара короткоживущих прелестных кварков, рождающихся в искомом процессе, превращается в две струи (b-jet) из частиц — продуктов распада кварков. Но проблема в том, что прелестные кварки и сами по себе рождаются в столкновениях протонов очень часто — отличить их струи от распадов бозона Хиггса невозможно.

Поэтому физики эксперимента ATLAS искали более редкую ситуацию, включающую в себя одновременное рождение бозона Хиггса вместе с одним из векторных бозонов слабого взаимодействия и распад всей системы в целом. Осколки от такого процесса будут формировать более характерную картину — одновременно со струями  будут возникать лептоны (мюоны или электроны). Конечно, и такой набор осколков не уникален — он может возникнуть в результате распада пары короткоживущих топ-кварков. Чтобы отличить осколки от распада бозона Хиггса от остальных физики очень аккуратно смоделировали фоновые распады и отобрали только те события детекторов, которые соответствуют очень строгим критериям.

Данные Run 2 с энергией столкновений протонов в 13 тераэлектронвольт позволили «увидеть» сигнал от распадов бозона Хиггса на прелестные кварк и антикварк со статистической значимостью в 4,9 стандартных отклонений. Это немного меньше, чем требуется для заявления об наблюдении эффекта. Чтобы перешагнуть отметку в «пять сигма» (шанс того, что наблюдаемый эффект это случайная флуктуация, меньше одного на три миллиона) физики объединили статистику последних трех лет работы коллайдера со статистикой Run 1 (7 и 8 тераэлектронвольт), достигнув значимости в 5,4 сигма.

Основные каналы рождения бозона Хиггса и их соответствие с предсказанием Стандартной модели (красная линия). ATLAS / CERN

Помимо нового экспериментального подтверждения канала распада, физики заодно достоверно увидели последний из основных предсказанных каналов рождения бозона Хиггса совместно с векторным бозоном. Оба новых наблюдения хорошо согласуются со Стандартной моделью. Будущие планы экспериментаторов связаны уже с более точным определением параметров новых процессов.