детектор ATLAS почти добрался до редкого распада бозона Хиггса • Игорь Иванов • Новости науки на «Элементах» • LHC, Хиггсовский бозон, Детектор ATLAS
Бозон Хиггса может распадаться самыми разными способами, и каждый из них может случиться с определенной вероятностью. Все эти распады полезны для изучения не только самого хиггсовского бозона, но и как метод поиска эффектов Новой физики. В марте этого года коллаборации ATLAS и CMS представили сводку хиггсовских результатов, но тогда все они базировались лишь на статистике 2015-го и 2016 годов (интегральная светимость составляла 36 fb–1). Сейчас, на ICHEP 2018, коллаборации начинают показывать результаты, полученные на гораздо большей интегральной светимости, около 80 fb–1, что включает и данные за весь 2017 год.
Один из первых результатов, полученных из такой большой статистики, — это поиск редкого распада бозона Хиггса на мюон-антимюонную пару. Его вероятность для стандартного бозона Хиггса составляет всего 0,02%, но это единственный распад, в котором физики смогут в ближайшие годы проверить связь бозона Хиггса с фермионами второго поколения. Мюоны отлично регистрируются и представляют собой «лакомую добычу» для детекторов. Но фон от прямого, бесхиггсовского рождения мюонных пар столь велик, что искомый распад полностью теряется в нем. Экспериментаторам приходится вылавливать хиггсовский сигнал, используя дополнительную информацию о том, как рождался бозон Хиггса.
В докладе представителя ATLAS H. Li Search for rare decays of the Higgs boson, а также в предварительной публикации коллаборации ATLAS-CONF-2018-026 рассказывается о тех ухищрениях, на которые пошли экспериментаторы, чтобы выцарапать искомый сигнал из огромной статистики рождения мюонных пар. Как видно на рис. 1, в области инвариантных масс от 76 до 160 ГэВ были зафиксированы многие миллионы событий рождения мюон-антимюонной пары. Большинство из них приходятся на область 80–100 ГэВ, где доминирует Z-бозон, и на массе бозона Хиггса (125 ГэВ) фон тоже велик. Обратите внимание: вклад от рождения и распада бозона Хиггса, показанный на этом графике цветными гистограммами, специально увеличен в 50 раз для наглядности; в реальности он в сто раз меньше фона.
Задача выделения такого слабого сигнала кажется на первый взгляд неподъемной. Однако не стоит недооценивать прозорливость алгоритмов отбора событий. И хотя физики пока не смогли обнаружить этот распад, они умудрились установить ограничение сверху на его вероятность, которое всего вдвое больше вероятности, предсказанной в Стандартной модели. Иными словами, если поднажать еще немного, увеличить статистику в пару-тройку раз, искомый процесс начнет проступать в данных.
На той же конференции был представлен и результат CMS по поиску этого же распада. Коллаборация CMS тоже не видит пока этот распад, и ее ограничение сверху на его вероятность хуже, чем у ATLAS. Но это лишь потому, что CMS пока не включила данные 2017 года.