LHC нарешті бачить основний розпад бозону Хіггса • Ігор Іванов • Новини науки на «Елементах» •
Мал. 1.Зареєстрована детектором ATLAS подія - кандидат на розпад бозона Хіггса наb-кваркову пару. Зображення із сайту atlas.web.cern.ch
Тим дивовижніше, що досі його не вдавалося надійно зареєструвати. На рис. 3 з минулої новини, в правому нижньому кутку, можна помітити, що в сеансі Run 1 фізики побачили лише слабкі натяки на цей розпад: показана експериментальна точка мало відрізняється від нуля. Така ситуація пов'язана з тим, що розпади бозона Хіггса на адрони дуже складно відокремити від фону - адрони ж удосталь народжуються на LHC і без хіггсовського бозона. Якщо просто відловлюватиb-кваркові пари, їх пряме народження відбувається у мільйони разів частіше, ніж через проміжне народження і розпад бозона Хіггса (рис. 2). Тому, коли фізики шукали варіанти, як відловити цей процес, на прямому народженні - кваркових пар вони поставили хрест. Є, на щастя, й інший, хитріший канал народження бозона Хіггса — коли він з'являється у сутичках у парі з W- або Z-бозоном. Цей варіант вже досліджували, але досі фізикам не вистачало статистики (див., наприклад, перші спроби побачити цей розпад у перших даних Run 2).
Мал. 2.Пряме народженняb-кваркової пари (ліво) і народження бозона Хіггса, який потім розпадеться на таку жb-кваркову пару (>право). Зображення із доповіді C. Vernieri. Включно search for boosted Higgs bosons using H → bb decays with the CMS experiment
І ось зараз детектор ATLAS нарешті почав упевнено бачити і цей канал розпаду. На рис. 3 показано розподіл за інваріантною масоюb-анти-b-пар, народжених у цьому процесі. Сірим кольором показаний очікуваний«Безхіггсовський» фон - це народження пар W-або Z-бозонів, один з яких розпадається наb-кварки. В області 80-90 ГеВ це тло чудово узгоджується з експериментальними точками, але трохи вище за шкалою мас його явно не вистачає. Дані в цій галузі, позначені червоним кольором, - це і є внесок від бозона Хіггса. На рис. 1 показано саме таку подію, зареєстровану детектором ATLAS.
Мал. 3.Розподіл по інваріантній масіb-кваркової пари, народженої у супроводі W- або Z-бозону.Червонимпоказаний внесок від хіггсовського бозона. Зображення із сайту atlas.cern
Колаборація CMS також виступила на конференції EPS HEP 2017 із результатами пошуку цього розпаду. Однак вона, на подив багатьох, пішла «напролом». Вона вирішила подряпати цей процес з прямого народження - кваркових пар - зробити те, що вважалося неможливим. Хитрість нового аналізу полягала в тому, що колаборація CMS відбирала не будь-якіb-кваркові пари, а лише ті, що відлітають від осі зіткнення з великим поперечним імпульсом — понад 450 ГеВ. Звичайно, і в цьому випадкуb-кварки часто народжуються просто так, без допомоги бозона Хіггса, породжуючи загальний широкий адронний струмінь. Але якщо вони з'явилися за рахунок бозона Хіггса, то у них буде інший розподіл усередині струменя, і його можна впізнати за допомогою нещодавно розробленої методики.
На рис. 4 показано результат цього аналізу. Тут відкладено кількість подій, що пройшли відбір, залежно від інваріантної масиb-кваркової пари. Домінує, звичайно, фон за рахунок прямого народження, але на цьому фоні вимальовуються відхилення у формі слабких перевищень. При 90 ГеВ явно видно Z-бозонний пік - і його наявність служить додатковою перевіркою правильності підходу - а при 120-130 ГеВ починаєпроступати слабке перевищення – тут проявляється бозон Хіггса.
Мал. 4.Вгорі: розподіл за інваріантною масоюb-кваркової пари в аналізі, виконаному CMS.Точки з похибками- експериментальні дані,пунктирні гістограми- вклади різних фонових процесів, серед яких домінує пряме народження (пунктирна гістограма).Внизу: різниця між даними та тлом (пряме народження та народження та розпад топ-кварків).Рожева гістограма- очікуваний внесок від хіггсовського бозона. Зображення із сайту indico.cern.ch
Звичайно, сигнал поки що дуже слабкий — його статистична значущість вийшла лише 1,5? Але головне, що методика працює і результати виходять такі, як і очікувалося. А це означає, що при багаторазовому збільшенні статистики хіггсівський бозон виявиться і тут.