продолжается охота за процессом рождения сразу двух бозонов Хиггса • Игорь Иванов • Новости науки на «Элементах» • LHC, Хиггсовский бозон
Шесть лет назад на Большом адронном коллайдере был окончательно открыт хиггсовский бозон. В распоряжении физиков появилась частица совершенно нового типа. Изучая ее свойства, в частности связь бозона Хиггса с другими частицами, физики проверяют Стандартную модель (СМ) еще с одной стороны и ищут долгожданные проявления Новой физики. Связь бозона Хиггса со многими тяжелыми частицами уже измерена (см. сводку по состоянию на март 2018 года); в пределах погрешностей она совпадает с ожиданиями СМ. Однако хиггсовский бозон может взаимодействовать еще и сам с собой — и вот эту связь (она называется «самодействие») проверить пока не удается. Между тем она даст доступ к информации, которую невозможно получить иным способом. Это информация о том, как устроен хиггсовский потенциал, есть ли в нем скрытая возможность таких грандиозных катастроф, как распад вакуума, стоит ли искать эхо этих катастроф в гравитационных волнах, оставшихся от эпохи ранней вселенной. В общем, многие теории с богатым хиггсовским сектором предсказывают, что связь бозона Хиггса с самим собой будет сильно отличаться от предсказаний СМ.
Эту связь можно измерить экспериментально, если обнаружить процесс рождения не одного, а сразу двух бозонов Хиггса. Интерес к этому процессу возник довольно давно (см. новость Одновременное рождение двух хиггсовских бозонов тоже полезно изучать на LHC), и коллаборации ATLAS и CMS уже пытались его обнаружить в сеансе Run 1. Сложность тут в том, что сечение рождения сразу двух бозонов Хиггса в СМ очень маленькое, и нынешней статистики пока не хватает для надежного его обнаружения. Однако искать его всё равно полезно: кто знает, может быть в реальности это сечение окажется намного больше того, что предсказывает СМ.
Два года назад ATLAS и CMS заявили на конференции ICHEP 2016, что поиск процесса пока не увенчался успехом и что ограничение сверху на его сечение всё еще в сотню раз выше ожиданий СМ. На проходящей сейчас конференции ICHEP 2018 обе коллаборации сообщили, что существенно продвинулись в этом направлении (см. доклад ATLAS, доклад CMS, предварительную публикацию CMS-PAS-HIG-17-030). Искомого процесса по-прежнему не видно, но установленные сейчас ограничения уже намного сильнее, чем результаты двухлетней давности.
Напомним, что бозон Хиггса (H) может распадаться самыми разными способами: на фотоны, на тяжелые W- или Z-бозоны, на кварки или лептоны. Когда рождается сразу два бозона Хиггса (HH), то варианты распадов можно комбинировать произвольным образом. Отсюда возникает большое число различных стратегий поиска HH-рождения, и каждая требует своего особенного подхода. За прошедшие два года ATLAS и CMS изучили множество конкретных каналов распада двух бозонов Хиггса, используя статистику 2015-го и 2016 года. На конференции ICHEP 2018 коллаборация CMS представила объединенный результат по нескольким каналам распада (см. рис. 1). Ограничение сверху на сечение рождения — в 22 раза больше, чем предсказывает СМ. Это большой прогресс по сравнению со значением «100 раз», полученным два года назад, но все-таки заметно хуже, чем ожидалось изначально; несколько подпортил результат канал распада на две b-анти-b-пары.
Коллаборация ATLAS пока не представила объединенный результат. Однако у нее даже отдельные каналы распада HH-пары (например, на те же две b-анти-b-пары) принесли более сильное ограничение, чем весь совокупный результат CMS (рис. 2). Ограничение сверху там всего в 13 раз выше предсказаний СМ.
Конечно, это само по себе еще не является достижением. Цель — накопить достаточно статистики и открыть наконец-то искомый процесс, а через него — измерить самодействие хиггсовского бозона. В 2017–2018 годах статистика возрастет еще в 3–4 раза, и ограничение усилится. Наконец, если не в сеансе Run 3, то уж точно в режиме HL-LHC одновременное рождение двух бозонов Хиггса будет открыто и измерено. Преподнесет ли природа сюрприз — мы узнаем через несколько лет.
Добавим также, что все описанные выше результаты относятся к нерезонансному HH-рождению. Но в моделях Новой физики еще возможен такой процесс: рождается одна новая тяжелая частица, которая затем распадается на два бозона Хиггса. Такой резонансный процесс HH-рождения в СМ, конечно, отсутствует, но искать его следы не возбраняется. Обе коллаборации выполнили такие поиски для масс новой гипотетической частицы от 260 ГэВ до нескольких ТэВ. Надежного указания на что-то необычное обнаружено не было, хотя в данных ATLAS всё же есть заметное отклонение от предсказаний СМ в районе 280 ГэВ (рис. 3).
Глобальная статистическая значимость отклонения составила 2,3у, что считается довольно скромным значением. В данных CMS при этом значении тоже видно превышение, но совсем уж несущественное. Ясно, что с этой аномалией обе коллаборации еще будут разбираться. Если она реальна, она должна наблюдаться во всех каналах распада HH-системы, а также должна усиливаться при поступлении новых данных.