Представлены первые серьезные данные LHC по поиску бозона Хиггса

Рис. 1. Кривые чувствительности детекторов ATLAS (вверху) и CMS (внизу) к хиггсовскому бозону после набора статистики 1 fb^–1. На графике показаны ограничения сверху на сечение рождения бозона Хиггса, установленные в этих экспериментах, в зависимости от массы бозона. Области, где сплошная черная линия с точками уходит ниже единицы, считаются закрытыми на уровне достоверности 95% (границы этих областей показаны стрелками). Зеленая и желтые полосы показывают ту область, где, как ожидалось, должна будет лежать эта линия. Те участки, где черная линия выходит за пределы полос, обладают некими аномалиями, в которых еще предстоит разобраться. Изображения из докладов на конференции EPS-HEP 2011

На конференции EPS-HEP 2011 были представлены результаты поиска хиггсовского бозона на Большом адронном коллайдере на статистике свыше 1 fb^–1. Результаты детекторов ATLAS и CMS резко улучшают достижения Тэватрона. Хиггсовский бозон уже закрыт в очень широком диапазоне масс, зато в области 130–150 ГэВ наблюдается отклонение, которое начинает напоминать хиггсовский бозон.

На проходящей сейчас конференции EPS-HEP 2011, главном мероприятии этого года по физике элементарных частиц, 22 июля были представлены результаты по поиску хиггсовского бозона на Большом адронном коллайдере, полученные после обработки интегральной светимости свыше 1 fb^–1. Эта статистика примерно в 30 раз превышает то, что было накоплено на LHC в 2010 году. Неудивительно, что новые предварительные результаты не только кардинально улучшают результаты первых поисков бозона Хиггса на LHC, но и существенно перебивают достижения многолетней работы американского коллайдера Тэватрон.

В этой новости будет вначале рассказано о том, что вообще означает «искать хиггсовский бозон» на коллайдере, а затем будут описаны данные, представленные на конференции и приведенные на рис. 1.

Как ищут хиггсовский бозон: краткий ликбез

Хиггсовский бозон — частица очень нестабильная. Он распадается сразу же после рождения, не успев долететь до детектора. Поэтому в экспериментах регистрируются частицы — продукты распада бозона Хиггса, и уже по ним восстанавливается картина того, что произошло.

Хиггсовский бозон может распадаться на самые разные дочерние частицы — например, на два фотона, на кварк-антикварковые пары или на пары тяжелых бозонов W⁺W^– или ZZ, которые, в свою очередь, тоже быстро распадаются на более легкие частицы. Теоретики имеют четкие предсказания относительной интенсивности всех этих распадов для хиггсовского бозона Стандартной модели. Какой распад произойдет в каждом конкретном случае, теория предсказать не может (это ключевая неопределенность квантового мира), но она может предсказать средние вероятности этих распадов при большом числе однотипных событий. На эти предсказания опираются экспериментаторы, когда разрабатывают стратегии поиска хиггсовского бозона в большой статистике результатов протонных столкновений.

Стандартная модель, к сожалению, не дает четкого предсказания относительно массы хиггсовского бозона. Лишь по отрицательным результатам поисков на предыдущих ускорителях и на основании косвенных теоретических аргументов можно сказать, что масса бозона должна лежать где-то между 114 ГэВ (ограничение электрон-позитронного коллайдера LEP) и несколькими сотнями ГэВ (недавно Тэватрон также закрыл небольшую область масс вблизи 160 ГэВ). Где именно в этом интервале он находится, заранее не известно. Многие физики склоняются к тому, что наиболее вероятной областью будет 115–150 ГэВ, но экспериментаторы на всякий случай ищут бозон Хиггса в очень широком диапазоне масс (как правило, 100–600 ГэВ).

Значение массы бозона Хиггса — очень важный параметр, потому что от него кардинально зависит вероятность рождения и картина предпочтительных распадов бозона Хиггса, а значит, и стратегия поиска бозона (см. подробности на страничке Рождение и распад хиггсовского бозона). Когда экспериментаторы сообщают о результатах поиска бозона Хиггса, они не просто сообщают, видят они бозон или нет, а приводят ответы сразу для всех масс бозона. Иными словами, результаты поиска представляются в виде графика чувствительности данного эксперимента в зависимости от массы бозона.

Как чувствуют хиггсовский бозон

Один и тот же конечный набор частиц может родиться как напрямую, так и через промежуточное рождение и распад хиггсовского бозона. При этом невозможно сказать, какой именно процесс имел место в каждом конкретном столкновении — это тоже неотъемлемое свойство квантового мира. Поэтому проявление хиггсовского бозона («сигнал») требуется отделять от «фона» — всех остальных процессов, которые приводят к рождению тех же частиц, минуя бозон Хиггса. Это разделение проводится статистически, на основе большой выборки данных, и является очень сложным этапом поиска бозона Хиггса. Как правило, фон намного сильнее сигнала, поэтому приходится вводить многочисленные критерии отбора и просеивать все данные, вытаскивая только те события, которые всем критериям удовлетворяют. Правильно подобранные критерии отбора позволяют максимально подавить фон и оставить как можно больше сигнальных событий (то есть улучшить отношение сигнала к фону).

Иногда после такого отбора остается довольно много событий, и тогда физики сравнивают эти данные с результатами моделирования и смотрят, нет ли какого-то отклонения. Например, на рис. 2, вверху, показан результат поиска бозона Хиггса в распаде на два фотона в области инвариантных масс от 100 до 150 ГэВ (данные взяты из доклада A Search For The Higgs Boson In The Channel H —>Gamma Gamma With The CMS Detector). После отбора осталось несколько тысяч событий, подавляющее большинство из которых фоновые. Среди них могут оказаться и несколько десятков событий рождения и распада хиггсовского бозона, но они пока неотличимы от простых флуктуаций фона. В других случаях отбор оказывается очень жестким, так что фон зарезается практически полностью, и тогда лишь горстки событий может оказаться достаточно, чтобы обнаружить искомый эффект. На рис. 2, внизу, показан другой канал поиска бозона Хиггса — через распад на два Z-бозона, которые сами распадаются на электрон-позитронную или мюон-антимюонную пару (данные из доклада Search for Higgs to ZZ (llll,llnunu,llqq)). Здесь после отбора остается всего 18 событий во всём диапазоне инвариантных масс четырех лептонов от 100 до 600 ГэВ, что слегка превышает ожидавшееся количество событий без хиггсовского бозона.

Рис. 2. Вверху: распределение событий с двумя жесткими фотонами по инвариантной массе двух фотонов в области 100–150 ГэВ. Данные, показанные черными точками, флуктуируют относительно цветной кривой, которая дает теоретические предсказания без хиггсовского бозона, но в целом не слишком от нее отличаются. Хиггсовский бозон выглядел бы как небольшой бугорок на этом распределении, и, чтобы его начать чувствовать, требуется существенно увеличить статистику. Внизу: поиск хиггсовского бозона в распаде на два Z-бозона, которые затем распадаются на четыре лептона. Серая гистограмма показывает фоновый вклад, разноцветные гистограммы показывают сигнал от хиггсовского бозона с разной массой. Видно, что данные уже близки к тому, чтобы начинать различать ситуацию с хиггсовским бозоном и без него. Изображения из докладов на конференции EPS-HEP 2011

Чтобы сказать, видно хиггсовский бозон или нет, физики проверяют статистические гипотезы. Конкретно, они сравнивают полученные данные с двумя результатами моделирования — одно из них учитывает хиггсовский бозон (с какой-то фиксированной массой), а другое нет. Если данные четко предпочитают один из этих вариантов, то делается вывод, что эксперимент видит или не видит хиггсовский бозон с данной массой. Однако чувствительности данных для этого не всегда хватает. Например, на том же рис. 2, внизу, видно, что данные более-менее неплохо согласуются как с одним только фоном, так и с гипотезой о том, что есть хиггсовский бозон с некоторой массой. Хотя данные чуть сильнее предпочитают наличие бозона Хиггса, чем его полное отсутствие, статистической значимости пока недостаточно, чтобы сделать четкий вывод о наличии или отсутствии бозона Хиггса.

Однако кое-что физики тем не менее извлекают и из таких данных. Например, на рис. 2, внизу, ясно видно, что гипотеза «хиггсовский бозон рождается в 10 раз чаще, чем в Стандартной модели» четко противоречит данным. Если бы такая гипотеза реализовалась, разноцветные пики надо было бы увеличить в десять раз, и тогда они точно были бы видны в реальных данных. Поскольку их нет, данная гипотеза считается закрытой.

Число 10 взято здесь лишь для наглядности. На самом деле, аккуратный анализ показывает, что даже если сечение рождения бозона Хиггса было бы в 2–3 раза выше, чем в Стандартной модели, это уже привело бы к заметному расхождению с данными. Поэтому полученные данные можно интерпретировать так: даже если бозон Хиггса существует, сечение его рождения не должно превышать предсказанное сечение в Стандартной модели более, чем в несколько раз. Иными словами, данные накладывают ограничение сверху на отношение σ/σ_SM, которое зависит от массы хиггсовского бозона. Эта кривая для данного конкретного канала распада приведена на рис. 3.

Рис. 3. Ограничение сверху на отношение σ/σ_SM (то есть «коэффициент недочувствительности»), полученное в четырехлептонном канале распада ZZ. Черная кривая показывает реальные результаты, штриховая линия и разноцветные полосы — ожидавшаяся область прохождения этой кривой. Когда эта кривая опустится ниже единицы, можно будет говорить о закрытии хиггсовского бозона в том или ином диапазоне масс на основании одного лишь этого канала распада. Изображение из доклада Search for Higgs to ZZ (llll,llnunu,llqq)

Если это ограничение сверху очень велико (например, 100), это означает, что детектор не слишком хорошо чувствует бозон (то есть он способен только заметить хиггсовский бозон, рождающийся в сто раз чаще, чем в Стандартной модели). Поэтому это число можно также назвать и «коэффициентом недочувствительности». При повышении чувствительности (при накоплении данных или в результате улучшения алгоритмов обработки) это ограничение опускается. Если в каком-то интервале масс окажется, что это ограничение просядет ниже единицы, это будет означать, что эксперимент закрыл стандартный хиггсовский бозон с такой массой (то есть он не видит бозон, рождающийся именно с такой частотой, какая ожидается в Стандартной модели).

Чуть подробнее про коэффициент недочувствительности см. в наших прошлых новостях, освещавших поиск бозона Хиггса на Тэватроне: Тэватрон скоро начнет «чувствовать» хиггсовский бозон и Представлены новые результаты поиска хиггсовского бозона на Тэватроне.

Главные результаты

В рассмотренном выше примере (рис. 2) речь шла только про один конкретный канал распада бозона Хиггса. На самом деле таких каналов много, и все они изучаются параллельно. Каждый из них может оказаться не слишком чувствительным к наличию или отсутствию бозона, но при их объединении «прозорливость» детектора повышается и кривая ограничения проседает ниже. Именно такие объединенные по всем каналам кривые ограничения показаны на рис. 1. Приведенные графики взяты из докладов Combined SM Higgs search ATLAS) и Combined Results on SM Higgs Search With The CMS Detector (CMS).

Эти графики говорят следующее:

• ATLAS закрыл область масс бозона Хиггса 150–190 ГэВ и 295–450 ГэВ;
• CMS закрыл область масс 149–206 ГэВ и 300–440 ГэВ плюс три коротких интервала между ними;
• оба эксперимента показывают некоторое превышение данных над фоном в области масс 130–150 ГэВ.

Область масс, закрытая каждым экспериментом по отдельности, ожидаемо намного больше, чем последние ограничения Тэватрона (они показаны красной заштрихованной полосой на рис. 1 внизу). Впрочем, через несколько дней ожидаются новые объединенные данные с Тэватрона, которые эту полосу несколько расширят.

Гораздо больший интерес вызывает тот факт, что в обоих экспериментах кривая чувствительности в области 130–150 ГэВ идет заметно выше ожиданий. Это означает, что данные в этой области таковы, что закрыть хиггсовский бозон труднее, чем ожидалось. И действительно, если посмотреть на канал распада H → W⁺W^– с последующим лептонным распадом W-бозонов, то видно, что данные слегка предпочитают гипотезу о наличии хиггсовского бозона, чем о его отсутствии (см. рис. 4). Статистическая значимость превышения невелика, поэтому ни о каком открытии говорить пока не приходится, однако оно выглядит очень похоже на то, что должен был бы давать хиггсовский бозон в этом интервале.

Рис. 4. Результат поиска хиггсовского бозона в распаде на W⁺W^–-пару, которая затем распадается по лептонному каналу. Показано распределение по так называемой поперечной массе двух заряженных лептонов в области от 40 до 270 ГэВ. Серым цветом показан фон, красным — ожидаемый вклад хиггсовского бозона с массой 150 ГэВ. Видно, что данные (черные точки) слегка превышают фон и предпочитают гипотезу о наличии хиггсовского бозона, чем противоположную гипотезу о его отсутствии. Изображение из доклада Combined SM Higgs search

Кроме широкого превышения данных над фоном для масс 130–150 ГэВ, на рис. 1 можно заметить и отдельные всплески, например пик на 250 ГэВ в данных ATLAS. Подобные узкие всплески непоказательны: они могут возникнуть буквально из-за одной-двух точек, выбившихся на графиках (наподобие точек при 118–120 ГэВ на рис. 2, вверху). «Настоящий» хиггсовский бозон будет проявляться именно в виде широкой области, где реальная кривая чувствительности поднимается выше теоретически ожидаемых полос. Такой эффект, кстати, наблюдается в детекторе ATLAS при массах выше 550 ГэВ, и если бы он подтверждался в данных CMS, можно было бы надеяться на что-то нестандартное в этой области.

Что дальше?

Первый шаг сейчас — это объединить результаты ATLAS и CMS в единые данные LHC для еще большего повышения чувствительности. Такое объединение, по-видимому, будет представлено на симпозиуме Lepton Photon 2011, который пройдет в Индии с 22-го по 27 августа. Судя по рис. 1, объединение результатов, вероятно, позволит исключить хиггсовский бозон в области от 140 и вплоть до 500 ГэВ (возможно, за вычетом небольшого интервала вблизи 250 ГэВ). Более интригующим является вопрос, можно ли будет по таким объединенным данным сделать первые положительные утверждения о возможном существование хиггсовского бозона с массой 130–150 ГэВ.

Данные, представленные на EPS-HEP 2011, очень предварительные; пройдет, по-видимому, несколько месяцев, прежде чем они будут подготовлены в виде статей. Между тем, статистика на LHC продолжает накапливаться, и не исключено, что осенью она возрастет примерно в три-четыре раза. В этом случае к концу года все описанные выше намеки станут намного более явными. Диапазон возможных значений масс бозона Хиггса сузится до очень небольшого интервала, и не исключено, что уже тогда физики смогут сделать первые заявления об указании на существование бозона Хиггса. Впрочем, до настоящего открытия придется подождать как минимум до середины 2012 года.

Источник: доклады коллабораций ATLAS и CMS, представленные 22 июля на конференции EPS HEP-2011 (см. научную программу дня).

Игорь Иванов