Учёные уточнили свойства бозона Хиггса, изучив его редкие распады

Визуализация события-кандидата распада бозона Хиггса на два мюона (H→μμ), показанного красными треками в детекторе. Автор: ATLAS/CERN

Коллаборация ATLAS представила доказательства распада бозона Хиггса на мюоны и повысила чувствительность к его распаду на Z-бозон и фотон. Эти исследования стали ключевыми на крупнейшей ежегодной конференции по физике высоких энергий EPS-HEP 2025, прошедшей на этой неделе в Марселе (Франция).

Первый изучаемый процесс — распад бозона Хиггса на пару мюонов (H→μμ). Несмотря на редкость (всего 1 распад на 5000), этот процесс позволяет изучить взаимодействие Хиггса с фермионами второго поколения и пролить свет на происхождение массы у разных поколений частиц. До сих пор взаимодействия бозона Хиггса с частицами материи наблюдались только для частиц третьего, самого тяжёлого поколения: тау-лептона, а также топ- и боттом-кварков.

Визуализация события-кандидата распада бозона Хиггса на фотон и Z-бозон, с последующим распадом Z на электрон-позитронную пару. Автор: ATLAS/CERN

Второй исследуемый процесс — распад на Z-бозон и фотон (H→Zγ), где Z-бозон затем распадается на пары электронов или мюонов. Этот редкий распад особенно интересен, так как происходит через промежуточную «петлю» виртуальных частиц. Если в этой петле участвуют неизвестные частицы, процесс может указать на физику за пределами Стандартной модели.

Обнаружение этих редких распадов — сложная задача. Для H→μμ учёные искали небольшой избыток событий с массой мюонной пары около 125 ГэВ (масса бозона Хиггса). Этот сигнал легко теряется среди тысяч фоновых событий. Распад H→Zγ обнаружить ещё сложнее, так как Z-бозон распадается на электроны или мюоны лишь в 6% случаев, а фотоны легко имитируют струи частиц.

Для повышения чувствительности физики ATLAS объединили данные первых трёх лет работы LHC Run 3 с полным набором данных Run 2. Они также разработали новые методы моделирования фоновых процессов и улучшили технику отбора событий.

В предыдущих исследованиях с данными Run 2 коллаборация ATLAS получила первые намёки на распад H→μμ с уровнем значимости 2σ, а CMS достигла 3σ. Теперь, объединив данные Run 2 и Run 3, ATLAS получила доказательства этого распада с наблюдаемой значимостью 3.4σ (вероятность статистической флуктуации — менее 1 к 3000).

Что касается распада H→Zγ, предыдущий совместный анализ ATLAS и CMS с данными Run 2 показал избыток в 3.4σ. Новый анализ ATLAS с объединёнными данными Run 2 и Run 3 дал избыток в 2.5σ при ожидаемой чувствительности 1.9σ — это наиболее точная на сегодня оценка вероятности данного распада.

Эти достижения стали возможны благодаря огромному массиву данных LHC, высокой эффективности эксперимента ATLAS и новым методам анализа. Впереди — продолжение исследований с новыми данными.

Дополнительная информация: Evidence for the dimuon decay of the Higgs boson in pp collisions with the ATLAS detector, atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS … PAPERS/HIGP-2024-11/
Search for the Higgs boson decay to a 𝑍 boson and a photon in 𝑝𝑝 collisions at 𝑠=13 TeV and 13.6 TeV with the ATLAS detector, atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS … ATLAS-CONF-2025-007/
Подробнее на ATLAS website.

Источник: CERN