Бозон Хіґґса розпадається на пару B-кварків

9 липня на міжнародній конференції з фізики високих енергій 2018 року (ICHEP) в Сеулі (Південна Корея) експеримент ATLAS повідомив про попередній результат, що встановлює спостереження розпаду бозона Хіггса на пари B-кварків, причому зі швидкістю, що відповідає прогнозу стандартної моделі.

Механізм Брута-Енглерта-Хіггса вирішує очевидну теоретичну неможливість наявності маси у слабких векторних бозонів (W і Z). Відкриття бозона Хіггса 2012 року стало тріумфом стандартної моделі. Поле Хіггса також може бути використано елегантним чином для забезпечення маси заряджених ферміонів (кварків і лептонів) за допомогою взаємодій, що включають з'єднання Юкави з силою, пропорційною масі частинок. Спостереження розпаду бозона Хіггса на пари лептонів дало перші прямі докази такої взаємодії.

Через шість років після відкриття в експерименті ATLAS в ЦЕРНІ спостерігалося близько 30% розпадів бозона Хіггса, передбачених у стандартній моделі. Тим не менш, сприятливий розпад бозона Хіггса на пару B кварків (H  bb), на який, як очікується, припадає майже 60 відсотків всіх можливих розпадів, досі залишався невловимим.

Спостереження за цим режимом розпаду і вимірювання його швидкості є обов'язковим кроком для підтвердження або спростування генерації маси для ферміонів через взаємодії Юкави, як передбачено в стандартній моделі.

На міжнародній конференції з фізики високих енергій (ICHEP) 2018 року в Сеулі (Південна Корея) експеримент ATLAS повідомив про попередній результат, що встановлює спостереження розпаду бозона Хіггса на пари B кварків зі швидкістю, що відповідає прогнозу стандартної моделі.

Необхідно виключити на рівні в 3 млн ймовірність того, що виявлення розпаду виникає з флуктуації фону, який міг би імітувати процес. Коли така ймовірність знаходиться на рівні тільки одного з 1000, виявлення кваліфікується як «доказ».

Докази розпаду H  bb вперше були представлені на Tevatron в 2012 році, а рік тому - у співпраці ATLAS і CMS Collaborations, незалежно один від одного.

Враховуючи велику кількість розпаду H-bb і більш рідкісні форми розпаду, такі як H- , які вже спостерігалися під час відкриття, чому так довго потрібно було чекати цього спостереження?

Основна причина полягає в тому, що процес виробництва бозона Хіггса в протон-протонних взаємодіях призводить до однієї парі струменів частинок, що походить з фрагментації b-кварків (b-струменів). Їх практично неможливо відрізнити від переважного фону пар b-кварка, створюваних сильною взаємодією (квантова хромодинаміка або КХД).

Щоб подолати цю проблему, необхідно було розглянути процеси виробництва, які є менш рясними, але виявляють ознаки, не присутні в КХД. Найбільш ефективним з них є пов'язане з ним утворення бозона Хіггса з векторним бозоном W або Z. Лептонні розпади W  ℓν, Z  ℓℓ і Z  (де ℓ позначає електрон чи мюон) забезпечують сигнатури які забезпечують ефективний запуск і потужне зменшення фону КХД.

Однак сигнал Хіггса залишається на порядки менше, ніж інші фони, що виникають в результаті утворення верхніх кварків або векторних бозонів, що призводить до аналогічних сигнатур. Наприклад, пара верхніх кварків може розпадатися при tt ^ [(W ^ ℓν) b] [(W ^ qq) b] з кінцевим станом, що містить електрон або мюон і два b-кварки, точно так само, як (W - ℓν) (H - bb).

Основний дескриптор для розпізнавання сигналу з таких фонів являє собою інваріантну масу, mbb, пар b-струменів, ідентифікованих складними алгоритмами «b-tagging». Приклад такого розподілу мас показаний на малюнку нижче, де сума сигналу і фонових компонентів стикається з даними.

Коли всі канали WH і ZH об'єднані, а фони (крім WZ і ZZ) віднімаються з даних, розподіл, показаний на малюнку 2, демонструє явний пік, що виникає через розпади Z-бозонів на пари b-кварка.

Цього, однак, недостатньо для досягнення рівня виявлення, який може бути кваліфікований як спостереження. З цією метою маса пари b-jet поєднується з іншими кінематичними змінними, які показують явні відмінності між сигналом і різними фонами, наприклад кутовий поділ між двома b-струменями або поперечний імпульс пов'язаного вектора бозон.

Ця комбінація декількох змінних виконується з використанням техніки посилених варіацій прийняття рішень. Тут показано комбінацію виходів BDT з усіх каналів, переупорядковану за співвідношенням до сигналу-фону. Можна бачити, що сигнал близько слідує за розподілом, очікуваним від Стандартної моделі. Виходи BDT піддаються складному статистичному аналізу для вилучення «значущості» сигналу. Це ще один спосіб виміряти ймовірність помилкового спостереження в термінах стандартних відхилень, гаусівського розподілу. Магічне число, що відповідає спостереженню сигналу, становить 5º.

Аналіз даних 13 ТЕВ, зібраних експериментом ATLAS в 2015, 2016 і 2017 роках, призводить до значення 4, 9º- майже достатнього для спостереження. Цей результат був об'єднаний з результатами аналогічного аналізу даних Run 1 та інших пошуків ATLAS для режиму розпаду H ^ bb, а саме там, де бозон Хіггса утворюється в поєднанні з парами верхнього кварка або за допомогою процесу, відомого як векторний бозон злиття (VBF). Значення, що досягається цією комбінацією, становить 5.4º.

Крім того, об'єднання справжнього аналізу з іншими, які спрямовані на розпад бозонів Хіггса на пари фотонів і Z-бозонів, вимірені при 13 ТЕВ, забезпечує спостереження при 5,3ºпов'язаного VH (V = Z або W) виробництва відповідно до передбачення стандартної моделі.

В даний час спостерігаються всі чотири основних режиму виробництва бозона Хіггса на адронних коллайдерах, з яких два тільки в цьому році. У порядку виявлення: (1) злиття глюонів з бозоном Хіггса, (2) злиття слабких бозонів з бозоном Хіггса, (3) пов'язане з ним утворення хіггсовського бозона з двома верхніми кварками і (4) пов'язане з ним утворення Хіггсовський бозон зі слабким бозоном.