Слева: двухпараметрическое сканирование правдоподобия параметров мощности сигнала вне оболочки gg и EW, ????off-shellF и ????off-shellV соответственно. Пунктирные и пунктирные контуры охватывают 68% (-2Δln????=2,30) и 95% (-2Δln????=5,99) области CL. Крестиком отмечен минимум, а синим ромбом – математическое ожидание. Интегральная светимость достигает только 138 фб-1, так как события на оболочке 4ℓ не учитываются при выполнении этого сканирования.
Справа: наблюдаемые (сплошные) и ожидаемые (штриховые) однопараметрические развертки правдоподобия по ΓH. Сканы показаны для комбинации 4 л данных на оболочке с 4 л данных вне оболочки (пурпурный) или 2 л 2ν данных вне оболочки (зеленый) отдельно или с обоими наборами данных (черный). Горизонтальные линии указывают на 68% (-2Δln????=1,0) и 95% (-2Δln????=3,84) области CL. Интегральная светимость достигает 140 фб-1, так как при выполнении этих сканирований учитываются события 4ℓ на оболочке. Исключение гипотезы об отсутствии внеоболочек согласуется с 3,6 стандартными отклонениями на обеих панелях.
Кредит: Сотрудничество с CMS.

Бозон Хиггса, фундаментальная субатомная частица, связанная с полем Хиггса, была впервые обнаружена в 2012 году в рамках экспериментов ATLAS и CMS, оба из которых анализируют данные, собранные на Большом адронном коллайдере (LHC) в ЦЕРН, самом мощном из существующих ускорителей частиц. . С момента открытия бозона Хиггса исследовательские группы по всему миру пытались лучше понять свойства и характеристики этой уникальной частицы.

CMS Collaboration, большая группа исследователей, участвовавших в эксперименте CMS, недавно получила обновленное измерение ширины бозона Хиггса, а также собрала первые доказательства его вклада вне оболочки в образование пар Z-бозонов. Их выводы, опубликованные в журнале Nature Physics, согласуются с предсказаниями стандартной модели.

«Квантово-теоретическое описание фундаментальных частиц носит вероятностный характер, и если вы рассматриваете все различные состояния набора частиц, их вероятности всегда должны составлять 1, независимо от того, смотрите ли вы на этот набор сейчас или когда-нибудь позже», — Уласкан. Сарика, исследователь CMS Collaboration, рассказала Phys.org. «При математическом анализе это простое утверждение накладывает ограничения, так называемые границы унитарности, на вероятности взаимодействия частиц при высоких энергиях».

С 1970-х годов физики предсказывали, что при образовании пар тяжелых векторных бозонов Z или W типичные ограничения при высоких энергиях будут нарушены, если только бозон Хиггса не внес свой вклад в образование этих пар. Расчеты теоретической физики за последние десять лет показали, что присутствие этих вкладов бозона Хиггса при высоких энергиях должно быть измерено с использованием существующих данных, собранных LHC.

«Другие исследования показали, что полная ширина распада бозона Хиггса, которая обратно пропорциональна его времени жизни и предсказывается стандартной моделью, будет заметно очень малой (4,1 мегаэлектронвольта в ширину, или 1,6×10 ^-22 секунды время жизни) можно определить, используя эти высокоэнергетические события с точностью, по крайней мере, в сто раз большей, чем другие методы, ограниченные разрешающей способностью детектора (1000 мегаэлектронвольт при измерении полной ширины и 1,9×10 ^-13 секунд при измерении времени жизни)». — пояснила Сарика.

«По этим причинам наша статья преследовала две цели: найти присутствие вкладов бозона Хиггса в образование тяжелых дибозонов при высоких энергиях и как можно точнее измерить полную ширину распада бозона Хиггса с помощью этих вкладов».

В рамках своего недавнего исследования коллаборация CMS проанализировала некоторые данные, собранные в период с 2015 по 2018 год в рамках второго цикла сбора данных на БАК. Особое внимание они уделяли событиям, характеризующимся образованием пар Z-бозонов, которые впоследствии распадались либо на четыре заряженных лептона (т.е. электроны или мюоны), либо на два заряженных лептона и два нейтрино.

Прошлые экспериментальные анализы показывают, что эти два уникальных паттерна наиболее чувствительны к образованию тяжелых пар бозонов при высоких энергиях. Таким образом, анализируя события, которые соответствовали этим шаблонам, команда надеялась получить более четкие и надежные результаты.

«Мы наблюдали первые свидетельства вклада бозона Хиггса в образование пар Z-бозонов при высоких энергиях со статистической значимостью более 3 стандартных отклонений», — сказал Phys.org Ли Юань, другой член коллаборации CMS. «Результат убедительно подтверждает механизм спонтанного нарушения электрослабой симметрии, который сохраняет унитарность в образовании тяжелых дибозонов при высоких энергиях».

Помимо сбора свидетельств вклада бозона Хиггса в образование ZZ, коллаборация CMS смогла значительно улучшить существующие измерения полной ширины распада или времени жизни бозона Хиггса. Собранные ими измерения считались недостижимыми 10 лет назад, учитывая узкую ширину частицы (т.е. 4,1 мегаэлектронвольт согласно предсказаниям стандартной модели физики элементарных частиц).

«Наш результат для этого измерения составляет 3,2 мегаэлектронвольта с верхней ошибкой 2,4 мегаэлектронвольта и нижней ошибкой 1,7 мегаэлектронвольта», — сказал Юань. «Этот результат до сих пор согласуется с ожиданиями стандартной модели, но все еще есть возможность, что будущие измерения с еще большей точностью могут отклоняться от прогноза».

Недавняя работа коллаборации CMS предлагает новое понимание свойств бозона Хиггса, а также подчеркивает его вклад в образование пар Z-бозонов. В своих следующих исследованиях ученые планируют продолжить изучение этой увлекательной субатомной частицы, используя новые данные, собранные на БАК, и передовые методы анализа.

«Хотя наши результаты достигли статистической значимости за порогом в 3 стандартных отклонения, обычно принимаемых в качестве доказательства в сообществе физиков элементарных частиц, необходимо больше данных, чтобы иметь возможность достичь порога в 5 стандартных отклонений, чтобы заявить об открытии». — сказала Сарика.

Третий цикл сбора данных на БАК начался в этом году и, как ожидается, продлится до конца 2025 года. Сарика, Юань и остальные участники сотрудничества CMS уже начали подготовку, которая позволит им измерить ширину бозона Хиггса с еще большей точностью с использованием новых данных, собранных в рамках этого третьего раунда сбора данных.

«Кроме того, наш анализ CMS еще не включает анализ высокоэнергетических событий с четырьмя заряженными лептонами из данных 2018 года, и продолжается подготовка к его включению в обновление», — добавил Сарика.

«Недавние предварительные результаты коллаборации ATLAS, продемонстрированные 9 ноября во время конференции Higgs 2022, также предоставляют независимое подтверждение доказательств, обнаруженных CMS, поэтому, как только их результаты пройдут экспертную оценку, мы надеемся, что две коллаборации смогут обсудить, как два анализа могут быть объединены, чтобы обеспечить наилучшие измерения вклада бозона Хиггса при высокой энергии и его полной ширины».