Обнаружен долгожданный распад бозона Хиггса

Мировая наука, 28 августа 2018

Женева, 28 августа 2018.

Спустя шесть лет после открытия бозона Хиггса, был обнаружен его распад на элементарные частицы, известные как b-кварки. Наблюдение, анонсированное сегодня в ЦЕРН экспериментами ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере (LHC), доказывает гипотезу о том, что всепроникающее квантовое поле Хиггса также дает массу и b-кваркам. Обе коллаборации представили сегодня свои результаты к публикации.

Cобытие-кандидат, зарегистрированное экспериментом ATLAS, демонстрирующее ассоциированное рождение бозона Хиггса (H) и W-бозона с последующим распадом бозона Хиггса на мюон (µ) и нейтрино (v). Рисунок © CMS/ЦЕРН

Стандартная модель физики элементарных частиц предсказывает, что в почти 60% случаев бозон Хиггса распадается на пару b-кварков, которые из шести типов кварков являются наиболее тяжелыми после топ-кварка. Проверка данного предположения имеет решающее значение, поскольку результат либо подтвердит Cтандартную модель, которая основана на идее о том, что поле Хиггса наделяет кварки и другие фундаментальные частицы массой, либо подорвет ее основы и укажет на существование новой физики.

Как показал шестилетний период, прошедший с момента открытия бозона, регистрация этого распада бозона Хиггса является сложной задачей. Причиной тому служит наличие множества других каналов рождения b-кварков в протон-протонных столкновениях, что затрудняет выделение сигнала распада бозона Хиггса из фонового «шума», сопровождающего эти процессы. При этом, менее вероятные каналы распада бозона Хиггса, которые наблюдались во время открытия частицы, такие, как распад на пару фотонов, выделить из фоновых процессов гораздо легче.

Для выделения сигнала использовался метод комплексного анализа данных. Для этого каждая из коллабораций ATLAS и CMS объединили данные первого и второго сеанса на LHC, которые включали столкновения при энергиях 7, 8 и 13 ТэВ. В результате обе коллаборации обнаружили распад бозона Хиггса на пару b-кварков со статистической значимостью, превышающей 5 стандартных отклонений. Кроме того, обе команды измерили интенсивность распада, которая соответствует предсказанию Стандартной модели, в пределах текущей точности измерения.

«Данное наблюдение является важной вехой в исследованиях бозона Хиггса. Оно показывает, что эксперименты ATLAS и CMS достигли глубокого понимания результатов анализа собранных данных и превосходящего ожидания контроля фоновых процессов. ATLAS наблюдал все распады бозона Хиггса на тяжелые кварки и лептоны третьего поколения во всех основных каналах рождения бозона Хиггса», — сказал Карл Якобс, руководитель коллаборации ATLAS.

«С момента первого наблюдения распада бозона Хиггса на τ-лептоны в эксперименте CMS, которое случилось год назад, мы вместе с нашими коллегами из ATLAS наблюдали распад бозона Хиггса на самые тяжелые фермионы: τ-, t-кварки, а теперь и b-кварки. Превосходные возможности LHC и современные методы машинного обучения позволили нам достичь этого результата раньше, чем ожидалось», — заявил руководитель коллаборации CMS Джоэл Батлер.

Ученые Объединенного института ядерных исследований принимают активное участие в экспериментах ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере (LHC). Свое участие в обоих экспериментах ОИЯИ начал на этапах их предварительных исследований и разработок, став впоследствии одним из основных участников как ATLAS, так и CMS.

При наличии большего количества экспериментальных данных, коллаборации смогут повысить точность этих и других измерений и исследовать распад бозона Хиггса на пары менее тяжелых фермионов — мюонов. Отклонения от предсказаний Стандартной модели, которые могут заметить ученые, изучая эти данные, будут указывать на существование физики за ее пределами.

«Эксперименты с частицей Хиггса, которая считается окном в новую физику, продолжаются. Эти блестящие результаты, полученные досрочно, выводят на первый план наши планы по модернизации LHC с целью существенного увеличения статистики. Сейчас мы можем видеть, что методы анализа дают точность, необходимую для исследования всего физического ландшафта, включая, надеюсь, новую физику, которая до сих пор остается в тени», — отметил директор Лаборатории ЦЕРН по исследованиям и вычислительной технике Экхард Элсен.

Cобытие-кандидат, зарегистрированное экспериментом CMS, демонстрирующее ассоциированное рождение бозона Хиггса (H) и Z-бозона с последующим распадом бозона Хиггса на пару b-кварка (b) и электрон-позитронную пару (e^—, e⁺). Рисунок © CMS/ЦЕРН