События-кандидаты от ATLAS (слева) и CMS (справа) для бозона Хиггса, распадающегося на Z-бозон и фотон, при этом Z-бозон распадается на пару мюонов.
Кредит: ЦЕРН

Открытие бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере (LHC) в ЦЕРНе в 2012 году стало важной вехой в физике элементарных частиц. С тех пор коллаборации ATLAS и CMS усердно исследуют свойства этой уникальной частицы и пытаются установить различные способы ее образования и распада на другие частицы.

На конференции «Физика большого адронного коллайдера» (LHCP) на этой неделе ATLAS и CMS сообщают, как они объединились, чтобы найти первое свидетельство редкого процесса, в котором бозон Хиггса распадается на Z-бозон, электрически нейтральный носитель слабого взаимодействия и фотон, носитель электромагнитной силы. Этот распад бозона Хиггса может дать косвенное свидетельство существования частиц помимо тех, которые предсказываются Стандартной моделью физики элементарных частиц.

Распад бозона Хиггса на Z-бозон и фотон аналогичен распаду на два фотона. В этих процессах бозон Хиггса не распадается непосредственно на эти пары частиц. Вместо этого распад происходит через промежуточную «петлю» «виртуальных» частиц, которые появляются и исчезают и не могут быть обнаружены напрямую. Эти виртуальные частицы могут включать в себя новые, еще не открытые частицы, взаимодействующие с бозоном Хиггса.

Стандартная модель предсказывает, что если бозон Хиггса имеет массу около 125 миллиардов электронвольт, примерно 0,15% бозонов Хиггса распадутся на Z-бозон и фотон. Но некоторые теории, расширяющие Стандартную модель, предсказывают другую скорость распада. Таким образом, измерение скорости распада дает ценную информацию как о физике за пределами Стандартной модели, так и о природе бозона Хиггса.

Ранее, используя данные протон-протонных столкновений на LHC, ATLAS и CMS независимо провели обширные поиски распада бозона Хиггса на Z-бозон и фотон. Оба поиска использовали схожие стратегии, идентифицируя Z-бозон по его распадам на пары электронов или мюонов — более тяжелые версии электронов. Эти распады Z-бозона происходят примерно в 6,6% случаев.

В этих поисках события столкновения, связанные с этим распадом бозона Хиггса (сигнал), будут идентифицированы как узкий пик на гладком фоне событий в распределении объединенной массы продуктов распада. Чтобы повысить чувствительность к распаду, ATLAS и CMS использовали наиболее частые способы образования бозона Хиггса и классифицировали события на основе характеристик этих процессов образования. Они также использовали передовые методы машинного обучения, чтобы еще больше различать сигнальные и фоновые события.

В новом исследовании ATLAS и CMS объединили усилия, чтобы максимизировать результаты своего поиска. Объединив наборы данных, собранные в ходе обоих экспериментов во время второго запуска БАК, который проходил в период с 2015 по 2018 год, совместные усилия значительно повысили статистическую точность и охват их поиска.

Эти совместные усилия привели к первому свидетельству распада бозона Хиггса на Z-бозон и фотон. Результат имеет статистическую значимость 3,4 стандартных отклонения, что ниже обычного требования в 5 стандартных отклонений, чтобы заявить о наблюдении. Измеренная скорость сигнала на 1,9 стандартного отклонения выше прогноза Стандартной модели.

«Каждая частица имеет особые отношения с бозоном Хиггса, что делает поиск редких хиггсовских распадов первостепенной задачей», — говорит координатор физики ATLAS Памела Феррари. «Благодаря тщательному сочетанию отдельных результатов ATLAS и CMS мы сделали шаг вперед к разгадке еще одной загадки бозона Хиггса».

«Существование новых частиц может оказать очень существенное влияние на редкие моды распада бозона Хиггса », — говорит координатор физики CMS Флоренсия Канелли. «Это исследование является мощной проверкой Стандартной модели. Благодаря продолжающемуся третьему запуску БАК и будущему БАК с высокой светимостью мы сможем повысить точность этого теста и исследовать все более редкие хиггсовские распады».