Данные эксперимента ATLAS указали на редкий распад бозона Хиггса

Ученые коллаборации ATLAS увидели сигнал, указывающий на редкий распад бозона Хиггса с образованием трех частиц: пары лептонов и фотона. Такие трехчастичные распады можно использовать для изучения нарушения СР-симметрии. Отчет опубликован на сайте коллаборации.

В 2012 году коллаборации ATLAS и CMS сообщили об открытии бозона Хиггса. Это было громкое научное событие, так как долгое время бозон Хиггса оставался единственной неоткрытой частицей Стандартной модели. Его существование объяснило наличие массы у элементарных частиц. Однако в Стандартной модели остался ряд других вопросов без ответа. Эта теория не может объяснить асимметрию материи и антиматерии во Вселенной, отсутствие нарушения СР-симметрии в квантовой хромодинамике и другие явления. 

Существуют расширения Стандартной модели и даже совершенно новые объяснения, которые в совокупности называют Новой физикой. Некоторые концепции Новой физики предсказывают существование других неоткрытых частиц, например, нескольких бозонов Хиггса, отличающихся зарядом и четностью. Чтобы очертить границы Новой физики, ученые исследуют распады частиц. С этой точки зрения редкие каналы распада бозона Хиггса особенно интересны. Отклонения вероятностей распадов от предсказаний Стандартной модели могут свидетельствовать о присутствии еще не открытых бозонов Хиггса.

Ученые коллаборации ATLAS обнаружили в данных второго сезона Большого адронного коллайдера редкий распад бозона Хиггса на лептонную пару (электроны или мюоны) и фотон.

Есть три основных способа осуществления такого распада: с образованием лептонов через промежуточный Z-бозон или виртуальный фотон, а также напрямую из бозона Хиггса с последующим излучением фотона одним из лептонов.

В новом анализе физики учли только лептонные пары с инвариантной массой меньше 30 гигаэлектронвольт. В этой области распад через промежуточный виртуальный фотон доминирует над остальными, поэтому вклад других процессов пренебрежимо мал.

Масса бозона Хиггса составляет примерно 125 гигаэлектронвольт. Ученые проанализировали диапазон инвариантной массы пары лептонов и фотона от 110 до 160 гигаэлектронвольт и увидели заметный пик на отметке в 125 гигаэлектронвольт, свидетельствующий о распаде бозона Хиггса.

Этот сигнал имеет значимость 3,2σ, то есть, 3,2 стандартного отклонения. С уверенностью о наблюдении нового распада можно говорить, когда это значение составляет от 5σ. Но даже отклонение от фона 3σ и выше является серьезным указанием на присутствие сигнала.

Отношение наблюдаемого выхода распада к теоретически предсказанному Стандартной моделью составило 1,5 ± 0,5. Это означает, что измеренное значение согласуется с теоретическими предсказаниями. 

Однако наблюдение такого распада все равно может привести к указаниям на Новую физику. В трехчастичном распаде бозона Хиггса ожидается нарушение CP-симметрии, то есть, симметрии зарядового сопряжения и зеркального отображения. В расширениях Стандартной модели бозоны Хиггса могут быть СР-четными и СР-нечетными, это делает его важной частицей для изучения нарушения СР-симметрии. Сейчас Стандартная модель может объяснить нарушение этой симметрии в экспериментальных данных, но откуда берутся отклонения, достаточные для создания асимметрии материи и антиматерии, остается загадкой.

Физики считают, что прямое наблюдение редких распадов будет возможно после программы по повышению светимости коллайдера (HL-LHC). К сожалению, из-за коронавируса начало программы пришлось отложить.

Про все важные выводы, сделанные по данным второго сезона Большого адронного коллайдера, можно прочитать в соответствующей теме. А здесь мы писали о другом редком распаде бозона Хиггса, на два мюона.

Екатерина Назарова