Процесс рождения ttH окончательно открыт, но уже не вызывает энтузиазма теоретиков
После четырех лет поисков, сюрпризов, надежд и разочарований процесс рождения бозона Хиггса в сопровождении топ-кварк-антикварковой пары наконец-то объявлен открытым, окончательно и бесповоротно. Оба крупнейших детектора Большого адронного коллайдера, ATLAS и CMS, видят четкое указание на этот процесс на уровне статистической значимости выше 5 сигм. Коллаборация CMS сообщила об этом еще в апреле, выпустив статью Observation of ttH production, которая на днях была опубликована в журнале Physical Review Letters. Результат базировался на статистике 2016 года, объединенной с данными Run 1, благодаря чему совокупная статистическая значимость сигнала составила 5,2σ.
Коллаборация ATLAS завершила свой анализ чуть позднее, опубликовав результаты только в начале июня (см. препринт Observation of Higgs boson production in association with a top quark pair at the LHC with the ATLAS detector). Зато она включила и данные 2017 года, доведя полную интегральную светимость до 80 fb–1, а статистическую значимость — до 6,3σ. Эта работа стала одной из самых первых публикаций, в которых наконец-то стала учитываться рекордная по своему объему статистика 2017 года. Интенсивность сигнала по сравнению с ожиданиями Стандартной модели (СМ) составила (μ(ttH)=1,26^{+0,31}_{–0,26}) по данным CMS и (μ(ttH)=1,32^{+0,28}_{–0,26}) по данным ATLAS. В пределах погрешностей результат полностью согласуется с СМ.
Рассказ об этих исследованиях появился на сайте ЦЕРНа, в журналах Physics и CERN Courier и на сайтах коллабораций. В заметке New ATLAS result establishes production of Higgs boson in association with top quarks можно найти анимацию того, как, по мере накопления данных, проступал сигнал рождения системы ttH в детекторе ATLAS. Новость разошлась также по многим СМИ, в очередной раз всколыхнув интерес публики к результатам коллайдера. Но надо отметить, что те штампованные торжественные формулировки, в которые сейчас облекается сообщение об этом открытии, скрывают от читателей самую интересную часть истории, длившуюся несколько лет и вызывавшую пристальный интерес теоретиков. Можно даже сказать сильнее: если 2–3 года назад вокруг этого процесса был ажиотаж, то к настоящему моменту все страсти улеглись, и теоретики сейчас встречают сообщения CMS и ATLAS прохладно, если не равнодушно.
Напомним кратко эту историю, за которой мы, начиная с 2015 года, следили на странице Комбинация топ-антитоп-хиггс. Первый намек на этот процесс появился в данных CMS, опубликованных в 2014 году. Уже сам факт того, что в сеансе Run 1 были видны следы этого редкого процесса, вызывал у физиков удивление: по оценкам СМ, статистики Run 1 для этого не должно было хватать. Сравнив измеренную интенсивность этого сигнала с ожиданием СМ, коллаборация CMS получила почти трехкратное превышение! Теоретики с радостью принялись объяснять это аномально интенсивное рождение в разных моделях Новой физики. Дело в том, что топ-кварк, в силу своей ненормально большой массы и, как следствие, интенсивной связи с бозоном Хиггса, всегда вызывал у теоретиков подозрение. Поэтому отклонение в рождении системы ttH вполне соответствовало ожиданиям, что тут есть место для нестандартных эффектов. Многие тогда ощущали, что физики вот-вот нащупают «болевую точку» Стандартной модели.
Данные ATLAS ситуацию не прояснили. В сентябре 2015 года, когда хиггсовские данные двух детекторов были официально объединены, аномалия в ttH-рождении сохранялась и продолжала будоражить воображение. К тому же все ждали первые данные Run 2 — ведь при повышении энергии столкновений до 13 ТэВ этот процесс рождения должен резко, вчетверо усилиться по сравнению с сеансом Run 1. Было ясно, что 2016 год либо принесет большую сенсацию, либо закроет аномалию. К тому же, в первой половине 2016 года физики пережили сильнейший за последние десятилетия шок, когда появился из ниоткуда и исчез в никуда двухфотонный всплеск при 750 ГэВ. Едва оправившись от удара, физики говорили, что, по крайней мере, ttH-аномалия пока держится, ибо первые данные 2016 года еще сохраняли какую-то интригу. Однако в течение всего 2017 года надежды неумолимо таяли, и к декабрю стало ясно, что ничего ловить тут, увы, не приходится.
К началу 2018 года статистическая значимость этого сигнала составляла уже 4σ. По мере того как крепла надежность свидетельств в его пользу, энтузиазм теоретиков, напротив, улетучивался. Интенсивность взаимодействия бозона Хиггса с топ-кварками получалась совершенно стандартной, и было ясно, что осталось поднажать еще совсем немного, и процесс будет официально открыт. Именно это и произошло на днях. Конечно, это важный процесс, за которым физики охотились столько лет; это своеобразный «чекпойнт» хиггсовской программы коллайдера. Но былого воодушевления теоретиков он сейчас уже не вызывает.
С точки же зрения экспериментального результата важно не только само по себе надежное открытие этого процесса, но и то, что физики научились справляться с такой сложнейшей для анализа системой частиц (рис. 2). Ведь все три рожденных частицы — топ-кварки и бозон Хиггса — распадаются, причем на самые разные конечные состояния. Вдобавок, продукты их распадов могут сильно мешать друг другу и затруднять отбор событий. Собственно, данные 2016 года пришлось обрабатывать так долго именно в силу исключительной запутанности рожденного набора частиц. В 2017 году, демонстрируя на конференциях предварительные, противоречащие друг другу результаты по отдельным каналам распада, экспериментаторы честно признавали: видимо, мы пока плохо умеем распутывать такие сложные процессы. Сейчас они с этой задачей справились, а это значит, что теперь можно замахнуться и на другие, еще более сложные реакции рождения.