Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Новости LHC
Мониторы LHC
Результаты, полученные на LHC
Загадки LHC
Поиск отклонений от Стандартной модели: результаты
Поиск экзотических частиц: результаты
Поиск бозона Хиггса: результаты
Изучение бозона Хиггса
Поиск суперсимметрии: результаты
Адронная спектроскопия: результаты
Редкие распады B-мезонов: результаты
Свойства топ-кварка: результаты
Результаты изучения ядерных столкновений
LHC в работе
Устройство и задачи LHC
Физика элементарных частиц
Галерея
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Архив журнала «Химия и жизнь» за 40 лет!

На 4 CD или 1 DVD





Главная / LHC / Результаты, полученные на LHC / Изучение бозона Хиггса

Изучение бозона Хиггса

Текущая ситуация

После открытия хиггсовского бозона в 2012 году в физике элементарных частиц началась эра всестороннего его исследования. Главная цель — найти хоть какое-то отличие этой частицы от стандартного бозона Хиггса и тем самым обнаружить намеки на Новую физику.

По состоянию на март 2015 года хиггсовский бозон обладает следующими характеристиками:

Масса 125,09 ± 0,24 ГэВ (новое совместное значение массы CMS и ATLAS). Существовавшие раньше расхождения между разными измерениями постепенно сходят на нет.
Ширина распада < 22 МэВ, что всего в 6 раз превышает ширину стандартного бозона Хиггса. Такой результат (в сто раз лучше, чем в 2013 году!) удалось получить с помощью нового метода измерения ширины.
Спин, четность Нулевой спин, положительная четность (0+); частица является истинным скаляром, все прочие варианты исключены.
Каналы распада В пределах погрешностей совпадают или незначительно отличаются от предсказаний Стандартной модели. Подозрительное расхождение между ATLAS и CMS уменьшается. Двухфотонный распад, наделавший много шума в первый год работы коллайдера, теперь стал совершенно стандартным.
Отклонения В новых результатах наблюдаются, впрочем, некоторые отклонения от Стандартной модели. Они вызывают определенный интерес, но пока недостаточны для громкого заявления. Наиболее любопытным пока является сообщение о распаде H → τ+μ (2,4σ).
Связь с частицами В пределах погрешностей совпадает с ожиданиями Стандартной модели.
Механизмы рождения На LHC имеется четыре основных механизма рождения бозона Хиггса, и все они начинают проступать в данных. Их относительные вероятности не противоречат Стандартной модели, за исключением ttH-канала рождения, который примерно втрое превышает ожидания СМ (статистическая значимость, правда, невелика — 1,8σ).

Ниже представлены подробные данные: самые последние результаты наверху, ссылки даются либо на статьи, либо на предварительные результаты на сайте коллабораций; когда есть, указывается также ссылка на новости на «Элементах».

Масса хиггсовского бозона


Дата Коллаборация Подробности поиска Результат Ссылки
март 2015 ATLAS+CMS объединение результатов двух экспериментов 125,09 ± 0,21 ± 0,11 ГэВ статья; «Элементы»
декабрь 2014 CMS «статья-наследие» (legacy paper): окончательные результаты всех свойств хиггсовского бозона на статистике LHC Run I 125,02 ± 0,26 ± 0,14 ГэВ; массы, измеренные в γγ- и ZZ-каналах, различаются несущественно (на 1,5σ) статья; графики и числа
июль 2014 CMS распад на два фотона; полная статистика LHC Run I 124,70 ± 0,34 ГэВ статья; «Элементы»
июнь 2014 ATLAS измерение массы по двухфотонному и ZZ каналам распада на полной статистике LHC Run I 125,36 ± 0,37 ± 0,18 ГэВ; загадочный результат ATLAS 2013 года постепенно исчезает статья; «Элементы»
декабрь 2013 CMS распад на ZZ* с последующим их распадом на лептоны; полная статистика LHC Run I 125,6 ± 0,4 ± 0,2 ГэВ статья; «Элементы»
апрель 2013 CMS два канала распада (γγ, ZZ → 4l) на статистике 25 fb–1 125,5 ± 0,4 ГэВ PAS
март 2013 ATLAS два канала распада (γγ, ZZ → 4l) на статистике 25 fb–1 результаты измерения заметно отличаются для двух каналов распада: 126,8 ± 0,7 ГэВ (γγ) и 124,3 ± 0,7 ГэВ (ZZ); их номинальное объединение дает 125,5 ± 0,6 ГэВ графики
1.08.2012 ATLAS три канала распада (γγ, ZZ, WW) на статистике 4,8 fb–1 (при 7 ТэВ) и 5,9 fb–1 (при 8 ТэВ), остальные каналы только на статистике 2011 года 126,0 ± 0,5 ГэВ статья, «Элементы»
1.08.2012 CMS все каналы распада на статистике 5,1 fb–1 (при 7 ТэВ) и 5,3 fb–1 (при 8 ТэВ) 125,3 ± 0,6 ГэВ статья, «Элементы»
4.07.2012 ATLAS два канала распада (γγ, ZZ → 4l) на статистике 4,8 fb–1 (при 7 ТэВ) и 5,9 fb–1 (при 8 ТэВ) 126,5 ГэВ, погрешность не приведена, оценки массы слегка отличаются для γγ- и ZZ-каналов доклад; Note, графики; «Элементы»
4.07.2012 CMS два канала распада (γγ, ZZ → 4l) на статистике 5,1 fb–1 (при 7 ТэВ) и 5,3 fb–1 (при 8 ТэВ) 125,3 ± 0,6 ГэВ доклад; TWiki; PAS; «Элементы»

Ширина хиггсовского бозона

В физике элементарных частиц нестабильная частица с очень малым временем жизни обычно характеризуется своей шириной. Ширина — это, грубо говоря, неопределенность массы этой частицы. В рамках Стандартной модели ширина хиггсовского бозона с массой около 126 ГэВ должна составлять всего 4,2 МэВ, что в 30 тысяч раз меньше его массы и в сотни раз меньше точности измерения энергии на LHC. Поэтому какое-то время казалось, что измерить ширину бозона Хиггса на LHC нереально.

Однако затем был придуман хитрый метод косвенного измерения ширины, опирающийся на изучение процессов вдали от хиггсовского резонанса. Он был опробован в 2014 году и сразу же в сотни раз улучшил прежние оценки. Пока что он тоже дает ограничение сверху. Но ожидается, что в будущем он позволит-таки измерить ширину хиггсовского резонанса.

Дата Коллаборация Подробности поиска Результат Ссылки
март 2015 ATLAS использовался метод рождения вне резонанса для WW- и ZZ-пар ограничение по новому методу: ширина меньше 22,7 МэВ статья
декабрь 2014 CMS «статья-наследие»; прямое измерение ширины ограничение из прямого измерения: ширина меньше 1,7 ГэВ статья; графики и числа
май 2014 CMS первая оценка ширины на основе рождения ZZ-пар вне резонанса ограничение по новому методу: ширина меньше 22 МэВ статья; «Элементы»
декабрь 2013 CMS распад на ZZ* с последующим их распадом на лептоны; полная статистика LHC Run I ограничение из прямого измерения: ширина меньше 3,4 ГэВ статья; «Элементы»

Каналы распада

Каналы распада бозона Хиггса и их вероятности исключительно важны для проверки того, что найденная частица действительно является бозоном Хиггса и к какому из вариантов хиггсовского механизма она относится. Для более наглядного сравнения в таблице представлена интенсивность хиггсовского сигнала μ(X) — отношение экспериментально измеренного сечения рождения Хиггса с распадом в какой-то конечный набор частиц X к его значению, предсказанному в Стандартной модели. Статистически значимое отличие этих величин от единицы означает, что свойства хиггсовского бозона отличаются от стандартного.

Ниже представлены сводки этих измерений по пяти каналам распада, в которых бозон Хиггса виден на LHC: на два фотона, на два Z-бозона или на два W-бозона с их последующим распадом на лептоны, на b-кварк-антикварковую пару, а также на два тау-лептона.

Результаты ATLAS

Результаты CMS

Результаты ATLAS
Результаты CMS
Изображение с сайта atlas.web.cern.ch Изображение с сайта twiki.cern.ch

Сводка новостей на «Элементах», касавшихся этих измерений:

Ранние результаты


Редкие распады

Кроме пяти основных каналов распада, в которых хиггсовский сигнал уже виден, хиггсовский бозон может распадаться и на иные наборы частиц. Эти распады либо очень редки, либо хиггсовский сигнал в них теряется в большом фоне. Так или иначе, по состоянию на 2015 год Большой адронный коллайдер эти распады пока не подтверждает, но активно продолжает их искать. Ниже приведены наиболее любопытные результаты.

Дата Коллаборация Канал распада и ожидаемая вероятность Результаты Ссылки
февраль 2015 CMS распад на μ+τ- или μτ+-пару; в СМ такой распад практически невозможен Имеется указание на этот распад на уровне значимости 2,4σ и его вероятность оценивается в (0,84 ± 0,3)%. статья
январь 2015 ATLAS распады на J/ψ-мезон и Υ-мезон в сопровождении фотона; вероятности в СМ: 2,8·10–6 (J/ψ+γ) и ∼10–9 (Υ+γ) Ограничение сверху: 0,15% (J/ψ+γ) и 0,45% (Υ+γ). статья, «Элементы»
октябрь 2014 CMS распад на μ+μ- или e+e-пару; вероятности в СМ: 0,022% и 5·10–9 соответственно Ограничение сверху: 0,16% для мюонов (в 7,4 раза больше СМ) и 0,19% для электронов. статья
июль 2014 ATLAS распад на μ+μ-пару; вероятность в СМ: 0,022% Ограничение сверху: 0,15% (в 7 раз больше СМ). статья, «Элементы»
апрель 2014 CMS невидимые распады (конечные частицы не оставляют в детекторе заметного следа); в рамках СМ это, например, распад на два Z-бозона с их последующим распадом на нейтрино с вероятностью 0,12% Ограничение сверху: 58%. статья, «Элементы»
февраль 2014 ATLAS невидимые распады Ограничение сверху: 75%. статья
февраль 2014 ATLAS распад на Z-бозон и фотон; вероятность в СМ: 0,16% Ограничение сверху: 1,7% (в 11 раз больше СМ). статья
июль 2013 CMS распад на Z-бозон и фотон; вероятность в СМ: 0,16% Ограничение сверху: 1,5% (в 9,5 раз больше СМ). статья, «Элементы»

Спин и четность

Для подтверждения того, что найденная частица является хиггсовским бозоном, требуется также проверить, что ее спин равен нулю, а четность — положительна (то есть это истинный скаляр). Это можно сделать, вычислив угловые распределения продуктов распада частиц с разными спинами и четностями и затем сравнив их с полученными в эксперименте данными.

Дата Коллаборация Подробности поиска Результаты Ссылки
ноябрь 2014 CMS проверка спина и четности бозона в различных распадах на полной статистике LHC Run I Данные полностью согласуются с расчетами для спина и четности 0+ (скалярная частица) и существенно отличаются от псевдоскалярной частицы 0, от тензорной частицы 2+ и от более экзотических вариантов. Все нестандартные варианты исключены с достоверностью выше 99%. статья
июль 2013 ATLAS проверка спина бозона в распадах γγ, ZZ и WW; статистика 25 fb–1 Данные согласуются с предсказаниями для скалярной частицы и кардинально расходятся с другими вариантами. статья, «Элементы»
апрель 2013 ATLAS проверка спина бозона в распадах γγ, ZZ и WW; статистика 25 fb–1 Данные согласуются с предсказаниями для скалярной частицы и расходятся с предсказаниями для тензорной частицы (спин 2); эта гипотеза исключена с достоверностью выше 99,9%. ATLAS Note, графики
март 2013 CMS проверка спина и четности бозона в распаде ZZ на статистике 25 fb–1 Данные согласуются с расчетами для спина и четности 0+ (скалярная частица) и существенно отличаются от псевдоскалярной частицы 0, от тензорной частицы 2+, и от более экзотических вариантов. Все нестандартные варианты исключены с достоверностью выше 99,4%. PAS, TWiki с подробными графиками
март 2013 ATLAS проверка нестандартных вариантов спина и четности в распаде ZZ; статистика 25 fb–1 Данные согласуются с предсказаниями для скалярной частицы; варианты 0 и 1+ исключены с достоверностью выше 97,8%. ATLAS Note, графики

Дополнительные ссылки:

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия