Бозон Хиггса раскрыл новую тайну на Большом адронном коллайдере

Исследователи ATLAS обнаружили свидетельства превращения бозона Хиггса в мюоны и уточнили поиск других редких распадов, расширяя границы наших знаний об этой загадочной частице. Credit: Shutterstock

Коллаборация ATLAS представила доказательства распада бозона Хиггса на мюоны и повысила чувствительность к распаду бозона Хиггса на Z-бозон и фотон.

С момента открытия бозона Хиггса в 2012 году физики добились значительных успехов в изучении его свойств. Означает ли это, что тема исчерпана? Вовсе нет! В новых результатах, представленных на Европейской физической конференции по физике высоких энергий (EPS-HEP) 2025 года, коллаборация ATLAS сосредоточилась на двух исключительно редких распадах бозона Хиггса, используя данные, собранные в ходе третьего запуска Большого адронного коллайдера (БАК). Эти исследования дают глубокое представление о том, насколько поведение бозона Хиггса соответствует Стандартной модели.

Первым изучаемым процессом был распад бозона Хиггса на пару мюонов (H→μμ). Несмотря на его редкость — он происходит лишь в одном из каждых 5000 распадов Хиггса — этот процесс предоставляет лучшую возможность изучить взаимодействие Хиггса с фермионами второго поколения и пролить свет на происхождение массы в разных поколениях. Вторым исследуемым процессом был распад бозона Хиггса на Z-бозон и фотон (H→Zγ), где Z-бозон впоследствии распадается на пары электронов или мюонов. Этот редкий распад особенно интригует, поскольку он происходит через промежуточную «петлю» виртуальных частиц. Если новые частицы вносят вклад в эту петлю, процесс может дать намёки на физику за пределами Стандартной модели.

Поиск иголки в стоге сена

Выявление этих редких распадов — большой вызов. Для H→μμ исследователи искали небольшой избыток событий, группирующихся около массы мюонной пары в 125 ГэВ (масса бозона Хиггса). Этот сигнал может быть легко скрыт за тысячами мюонных пар, произведённых в результате других процессов («фон»).

Распад H→Zγ ещё сложнее изолировать, поскольку шансы обнаружить его сигнал осложняются тем, что Z-бозон распадается на обнаруживаемые лептоны только около 6% времени. Дополнительную сложность создают условия работы БАК в третьем запуске, для которого характерно больше перекрывающихся столкновений, что увеличивает вероятность имитации реальных фотонов струями частиц.

Чтобы повысить чувствительность своих поисков, физики ATLAS объединили данные за первые три года Run-3 (165 fb^-1, собранные между 2022-2024 годами) с полным набором данных Run-2 (140 fb^-1, за 2015-2018 годы). Они также разработали усовершенствованный метод для лучшего моделирования фоновых процессов, категоризировали записанные события по определённым режимам производства Хиггса и внесли дальнейшие улучшения в свои методики отбора событий, чтобы максимизировать вероятность обнаружения подлинных сигналов.

Обнаружение свидетельств и повышение чувствительности

В предыдущем поиске H→μμ с использованием полного набора данных Run-2 коллаборация ATLAS увидела первый намёк на этот процесс на уровне 2 стандартных отклонений. Сопоставимый результат CMS достиг наблюдаемой (ожидаемой) значимости в 3 (2,5) стандартных отклонения. Теперь, с объединёнными наборами данных Run-2 и Run-3, коллаборация ATLAS нашла свидетельства для H→μμ с наблюдаемой (ожидаемой) значимостью над гипотезой «только фон» в 3,4 (2,5) стандартных отклонения. Это означает, что вероятность того, что результат является статистической флуктуацией, составляет менее одной из 3000!

Что касается процесса H→Zγ, предыдущий совместный анализ ATLAS и CMS использовал данные Run-2 для обнаружения свидетельства этого режима распада. В нём сообщалось об наблюдаемом (ожидаемом) избытке над гипотезой «только фон» в 3,4 (1,6) стандартных отклонения. Последний результат ATLAS, объединяющий данные Run-2 и Run-3, сообщил об наблюдаемом (ожидаемом) избытке над гипотезой «только фон» в 2,5 (1,9) стандартных отклонения. Этот результат обеспечивает самую строгую на сегодняшний день ожидаемую чувствительность для измерения вероятности распада («вероятность ветвления») H→Zγ.

Эти достижения стали возможными благодаря большому, превосходному набору данных, предоставленному БАК, выдающейся эффективности и производительности эксперимента ATLAS, а также использованию новых (novel) методик анализа. С появлением новых данных путешествие по исследованию продолжается!

Источники:

Материалы предоставлены ЦЕРН. Оригинал написан коллаборацией ATLAS.