ATLAS ограничил взаимодействие бозона Хиггса с самим собой

Участники эксперимента ATLAS на Большом адронном коллайдере усилили ограничения на сечение рождения пар бозона Хиггса и на его константу взаимодействия с самим собой. Для этого в общем массиве данных по протон-протонным столкновениям физики искали события, в которых один из бозонов распадался на два гамма-кванта, а другой — на b-кварк и b-антикварк. Пока что полученные ограничения сверху в четыре раза превышают предсказания Стандартной модели, но в будущем более точные измерения позволят проверить теорию на прочность и убедиться в нашем правильном понимании механизма Хиггса. Результаты ATLAS доступны на сайте эксперимента.

Бозон Хиггса — это квант хиггсовского поля, которое обеспечивает спонтанное нарушение симметрии электрослабых взаимодействий и приводит к существованию массы переносчиков слабого взаимодействия (W- и Z- бозонов) и ее отсутствие у глюонов и фотонов. Впервые существование такой частицы было предложен Хиггсом в 1964 году, а впоследствии механизм Хиггса стал неотъемлемой частью Стандартной модели — основополагающей теории в рамках физики элементарных частиц. Во многом именно для экспериментального подтверждения существования бозона Хиггса создавался Большой адронный коллайдер и конкретно эксперименты CMS и ATLAS. Именно они в 2012 году фактически сообщили (1, 2) об открытии бозона Хиггса, после чего задачи обоих экспериментов сместились в сторону изучения распадов этой частицы и связанных с ней редких процессов.

К таким редким процессам относится в том числе и одновременное рождение двух хиггсовских бозонов: его вероятность на три порядка меньше, чем рождение одного. С помощью изучения сечений таких событий физики могут получить представление о значении константы взаимодействия бозона Хиггса с самим собой — важной характеристики хиггсовского поля. На Большом адронном коллайдере рождение пар хиггсовских бозонов можно увидеть при столкновении протонов в процессе слияния глюонов. В первом порядке такой процесс может происходить по двум каналам, причем два этих канала подавляют друг друга (из этого и происходит его редкость), и только на один из них влияет столь интересная физикам константа взаимодействия бозона Хиггса с самим собой. Отделить эти два процесса друг от друга помогает то, что один из них чаще проявляется в случае, когда суммарная энергия рожденной пары бозонов мала, а другой — когда она велика. Как раз на сечение первого процесса и влияет константа взаимодействия хиггсовского бозона с самим собой.

Теперь же участники эксперимента ATLAS провели анализ накопленных данных по протон-протонным столкновениям с энергией в системе центра масс в 13 тераэлектронвольт, чтобы улучшить ограничения на сечения процессов рождения пар бозонов Хиггса. Изучение распадов этих пар на два гамма-кванта, b-кварк и b-антикварк (именно такой канал распада наиболее вероятен в интересовавших ученых событиях) проходил в несколько этапов. Сначала физики разделяли события на низкоэнергетические и высокоэнергетические: в дальнейшем они использовались для анализа различных каналов образования пар хиггсовских бозонов. Затем ученые выделяли события, похожие на ожидаемый распад двух бозонов Хиггса, с помощью алгоритма машинного обучения на основе расширяемых деревьев решений. По полученным таким образом данным ученые вычисляли ограничение на сечение соответствующего процесса и определяли ее зависимость от κ_λ — отношения константы взаимодействия хиггсовского бозона с самим собой и ее значения, которое предсказывает Стандартная модель.

Таким образом физики получили ограничение сверху на сечение рождения пары бозонов Хиггса в протон-протонных столкновениях в ходе описанных выше нерезонансных процессов: оно составило 130 фемтобарн с доверительной вероятностью в 95%. Для сравнения: сечение столкновений двух ядер свинца при схожей энергии примерно на 14 порядков больше. Полученные верхний предел приблизительно в 4 раза больше значения сечения, которое предсказывает Стандартная модель, а значит увеличение статистики в ходе следующих сеансов работы Большого адронного коллайдера позволит проверить достоверность этой теории в столь редком процессе. Отклонение исследуемого сечения от теоретических предсказаний могло бы послужить еще одним признаком Новой физики, следы которой уже давно ищут именно в редких процессах и распадах.

Сейчас же полученные данные позволили ограничить возможный диапазон κ_λ: ее значение оказалось ограничено в пределах между −1,5 и 6,7. Кроме того, экспериментаторы ограничили и резонансный процесс рождения пары бозонов Хиггса, в котором последние возникают в ходе распада промежуточной скалярной частицы. Верхний предел на сечение этого процесса оказался между 610 и 47 фемтобарн для различных значений массы промежуточной частицы от 251 гигаэлектронвольт (минимум, определяемый двумя массами хиггсовского бозона) до 1000 гигаэлектронвольт. Полученные ограничения как по резонансным, так и по нерезонансным процессам образования пар бозонов Хиггса, оказались более чем в два раза сильнее, чем предыдущие результаты ATLAS.

Однако для того, чтобы обнаружить следы Новой физики не обязательно искать столь редкие процессы, связанные с бозоном Хиггса, ведь уже сейчас исследователям хватает статистики для поиска таких отклонений от Стандартной модели в распадах B-мезонов. Так, совсем недавно участники эксперимента LHCb увидели увеличение статистической значимости странностей в вероятностях каналов распада B-мезона, а перед этим в этом же распаде нашли аномалии в распределениях импульса фрагментов.