Физики, работающие на детекторе CMS Большого адронного коллайдера, впервые измерили время жизни бозона Хиггса. В рамках экспериментальной погрешности результат измерений совпал с предсказанием Стандартной модели. Препринт работы опубликован на официальной странице коллаборации CMS.
Бозон Хиггса — одна из важнейших составляющих Стандартной модели элементарных частиц, потому что это квант скалярного поля, взаимодействие с которым дает массу всем элементарным частицам, включая и сам бозон Хиггса. Для обнаружения и изучения этой частицы в основном и строили Большой адронный коллайдер, а открыли бозон Хиггса в 2012 году на детекторах CMS и ATLAS. Масса бозона оказалась равна приблизительно 125 гигаэлектронвольт.
Бозон Хиггса, как и многие другие элементарные частицы, нестабилен и может распадаться на другие частицы. Предсказанное Стандартной моделью время его жизни равно приблизительно 1,6 × 10-22 секунд. Это время так мало, что рожденный на коллайдере бозон Хиггса успевает пролететь слишком маленькое расстояние для того, чтобы его можно было непосредственно измерить в детекторе, а потому такое измерение может дать только ограничение сверху на эту величину, которое в настоящее время примерно на девять порядков больше предсказания Стандартной модели. Время жизни частицы, однако, можно найти не только наблюдая за ее движением, но и из формы амплитуды ее распада на другие частицы.
В 2021 году физики, работающие на детекторе CMS Большого адронного коллайдера, измерили время жизни бозона Хиггса, проанализировав его распад на два нейтральных векторных Z-бозона, которые затем распадались на четыре заряженных лептона или два заряженных лептона и два нейтрино. Величина амплитуды распада бозона Хиггса существенно зависит от того, превышает ли инвариантная масса рождающихся при распаде Z-бозонов сумму их физических масс или нет, или, как говорят физики, лежат ли они на массовой оболочке. Сравнивая амплитуды распада для этих двух интервалов инвариантных масс, можно найти время жизни частицы, что и сделали исследователи. Стандартная модель предсказывает, что около 10 процентов всех событий распада бозона Хиггса на тяжелые векторные бозоны соответствуют Z-бозонам, не лежащим на массовой оболочке.
В этом исследовании физики изучали амплитуду распада пары Z-бозонов на два заряженных лептона и два нейтрино, а данные по распаду на четыре заряженных лептона они взяли из более раннего исследования. Экспериментаторы анализировали данные, которые набирались во время второго сезона работы Большого адронного коллайдера с 2016 по 2018 годы. Бозон Хиггса рождался в столкновениях протонов с суммарной энергией, равной 13 тераэлектронвольт в системе центра масс, а полная набранная светимость была равна 138 обратных фемтобарн. Нейтральные Z-бозоны могут рождаться не только в интересовавших физиков распадах бозона Хиггса, но и в других процессах, амплитуды которых необходимо было вычесть из полной измеренной амплидуты.
Измеренное время жизни бозона Хиггса лежит в интервале от 1,2 × 10-22 до 4,4 × 10-22 секунд с наиболее вероятным значением 2,1 × 10-22, что в рамках экспериментальной погрешности совпадает с предсказанием Стандартной модели. То, что распады бозона Хиггса проходили только через Z-бозоны на массовой оболочке исключено с вероятностью более 99,9 процента (3,6 стандартного отклонения).
Исследователи надеются, что анализ данных, которые будут собраны во время третьего и четвертого сезонов работы Большого адронного коллайдера, позволит существенно снизить погрешность измерения времени жизни бозона Хиггса, более точно проверив правильность предсказаний Стандартной модели.
О свойствах бозона Хиггса и методах изучения этой частицы на Большом адронном коллайдере можно прочитать в нашем материале «С днем рождения, БАК!».
Андрей Фельдман