ICHEP 2016: Добавлены новые штрихи к «портрету» бозона Хиггса

Пример события в детекторе CMS с одинокой адронной струей, уносящей поперечный импульс около 1,5 ТэВ. Если бы таких событий с сильным дисбалансом поперечного импульса набралось слишком много, это могло бы свидетельствовать в пользу «невидимого» распада бозона Хиггса. Изображение с сайта indico.cern.ch

Данные ATLAS и CMS, набранные буквально за пару месяцев 2016 года, уже показывают нам столь же подробный «портрет» хиггсовского бозона, как и весь трехлетний сеанс Run 1. Так, в двух основных каналах распада бозона — на два фотона и на ZZ-пару — хиггсовский сигнал уже виден на уровне статистической значимости 10σ. А это значит, что можно приступать к исследованию всех остальных его свойств.

Напомним, что объединенные данные ATLAS и CMS по итогам сеанса Run 1 — а они окончательно оформились всего два месяца назад — позволили надежно увидеть хиггсовский сигнал в пяти каналах распада. Это распады на два фотона (γγ), на ZZ-пару с последующим их распадом на четыре лептона, на WW-пару, на тау-лептонную пару и, наконец, на кварковую пару b-анти-b. Вероятности этих распадов различаются на порядки (см. страничку Хиггсовский бозон с массой 125 ГэВ: ожидания Стандартной модели), но столь же различны и условия их измерения. В первых четырех каналах распада статистическая значимость в объединенных данных превысила 5σ, в последнем — осталась пока на скромном уровне 2,6σ, несмотря на то, что этот распад доминирующий. Для удобства, вот табличка с окончательными данными Run 1 ATLAS и CMS.

В первый же день проходящей сейчас конференции ICHEP 2016 были представлены доклады обеих коллабораций по различным процессам с участием бозона Хиггса. К сожалению, большинство анализов распадов бозона Хиггса или процессов с его участием слишком трудоемки, чтобы успеть их завершить за считаные недели. Поэтому многие доклады базировались лишь на данных 2015 года или вообще только на данных сеанса Run 1. Мы кратко перечислим различные процессы и текущий статус их исследования.

Распад H → WW*. CMS представила анализ данных 2015 года на статистике 2,3 fb^–1. Хиггсовского сигнала пока не видно (хотя намеки на него ожидались). Оценка интенсивности по сравнению со Стандартной моделью составила μ_WW = 0,3±0,5. ATLAS пока ограничился только повторением данных Run 1.

Распад H → τ⁺τ^–. Обе коллаборации пока обрабатывают данные и не могут показать никаких результатов. CMS показала, впрочем, предварительные данные по такому распаду тяжелых аналогов хиггсовского бозона; там ничего выбивающегося из фона не обнаружено.

Распад H → μ⁺μ^–. Этот распад очень редкий, с вероятностью 0,02%, и к тому же теряется на фоне обычного, нехиггсовского рождения мюонов. Поэтому его не было видно в сеансе Run 1: ограничение сверху на его интенсивность составляло μ_μμ < 7,1 (ATLAS) и μ_μμ < 7,4 (CMS). Его не ожидали увидеть и сейчас. Тем не менее коллаборация ATLAS представила результаты поиска этого распада в сеансе Run 2 на статистике 13,2 fb^–1. Распада по-прежнему не нашли, зато установили новое, более сильное ограничение сверху: μ_μμ < 3,5 (Run 1 + Run 2). CMS своих данных не представил.

Распад H → bb. Проблема с этим распадом в том, что он полностью забивается фоновыми процессами. Когда коллайдер только строился и коллаборации изучали возможности измерения распадов бозона Хиггса, они вообще не рассчитывали что-то тут поймать. Однако сработала хитрость: можно изучать рождение не одного только бозона Хиггса самого по себе, а в паре с W- или Z-бозоном. Именно так этот распад ловили в сеансе Run 1.

Сейчас коллаборация ATLAS тоже попробовала применить этот метод — и пока ничего не нашла, хотя вполне могла бы. Оцененная отсюда интенсивность сигнала составила μ_{VH, H → bb} = 0,21±0,50. Аналогичный поиск на CMS тоже не принес результата: там даже оказалось меньше фоновых событий, чем нужно. ATLAS выполнил также новый тип анализа, когда в паре с хиггсовским бозоном рождался фотон. Это более редкий процесс, и здесь тоже хиггсовского сигнала на обнаружилось. Установленное ограничение сверху пока в шесть раз превышает ожидания СМ.

Невидимый распад бозона Хиггса. В различных теориях за пределами Стандартной модели фигурируют частицы-кандидаты в темную материю. Если хиггсовский бозон распадается на них, то для детектора такой процесс будет выглядеть как простое исчезновение бозона Хиггса. Однако такой процесс всё равно можно заметить по импульсу отдачи (см. новость Детектор CMS ищет невидимые распады хиггсовского бозона). Сейчас обе коллаборации отчитались и об этом поиске (CMS, ATLAS). Свидетельств в пользу такого распада они не нашли. Самое сильное ограничение сверху было получено CMS после объединения данных Run 1 и Run 2: вероятность такого распада — менее 24%.

Рождение двух бозонов Хиггса. Рождение не одного, а сразу двух бозонов Хиггса — это еще один редкий, но очень полезный для изучения процесс. В сеансе Run 1 его не было видно в силу своей малости, не ожидался он и сейчас, по крайней мере в рамках СМ. Однако в разных моделях Новой физики этот процесс может быть усилен, и тогда он станет доступным для изучения уже сейчас. Поэтому обе коллаборации честно выполнили поиск этого процесса (CMS, ATLAS) — и ничего не нашли. Ограничение сверху на сечение этого процесса пока в сотню раз превышает предсказание СМ.