ATLAS видит отклонение, напоминающее заряженный бозон Хиггса

Рис. 1. Ограничение сверху на сечение процесса \(g\bar{b} \to \bar{t}H^+ \to \bar{t}+t\bar{b}\), полученное в эксперименте ATLAS (черная ломаная), по сравнению с ограничением, ожидаемым в рамках Стандартной модели (пунктирная линия и цветные полосы) и в модели с заряженным бозоном Хиггса с массой 300 ГэВ (красная линия). График из статьи ATLAS Collaboration, 2015. Search for charged Higgs bosons in the H^±→tb decay channel in pp collisions at √s = 8 TeV using the ATLAS detector

Несмотря на то что «основной» бозон Хиггса был открыт еще три года назад, физики продолжают искать дополнительные хиггсовские бозоны, в том числе и экзотические. В частности, многие теории предсказывают существование заряженных бозонов Хиггса (H^±), которые могли бы распадаться на кварки разных зарядов.

Экспериментальные данные уже накладывают некоторые ограничения на такие заряженные бозоны. Скажем, совсем легкие заряженные бозоны Хиггса легко рождались бы парами просто за счет взаимодействия с фотонами. А раз этого процесса не видно, то, значит, такие бозоны если и существуют, то не столь уж и легки. Другой вариант: при массе меньше 170 ГэВ заряженный бозон Хиггса мог бы появляться в распаде топ-кварка, но таких событий тоже не наблюдается.

Если масса H^± превышает массу топ-кварка, то искать их уже труднее. В этом случае наиболее вероятным должно быть совместное с топ-кварком рождение заряженного бозона с его дальнейшим распадом на кварки: \(g\bar{b} \to \bar{t}H^+ \to \bar{t}+t\bar{b}\). Анализ такого процесса трудоемок, но возможен. В частности, еще этим летом коллаборация CMS выпустила подробный отчет о таких поисках; никакого отклонения тогда найдено не было.

На днях коллаборация ATLAS отчиталась о новом поиске заряженных хиггсовских бозонов (Search for charged Higgs bosons in the H^±→tb decay channel in pp collisions at √s = 8 TeV using the ATLAS detector). Для исследования была взята вся статистика первого сеанса работы коллайдера. Из нее отбирались события с одним лептоном и несколькими адронным струями, в том числе и b-струями. Для оптимального разделения сигнала и фона использовались сложные алгоритмы, комбинировавшие несколько кинематических переменных.

Общий результат исследования показан на рисунке. В рамках Стандартной модели ожидалось, что будут зарегистрированы только фоновые события, которые — в отсутствие заряженного бозона Хиггса — позволят установить ограничение сверху на сечение его рождения. Эти ожидаемые ограничения показаны на рисунке синей ломаной, а интервалы в одно и два стандартных отклонения отмечены цветными полосами (подробные пояснения относительно таких графиков см. в нашей старой новости Тэватрон скоро начнет «чувствовать» хиггсовский бозон, «Элементы», 19.05.2008).

Однако экспериментально полученные ограничения идут существенно выше этих ожиданий, причем во всей исследований области. Это означает, что в данных есть избыток событий, который трудно списать на фон. Статистическая значимость этого превышения составляет 2,4σ. Если его интерпретировать как проявление заряженного бозона Хиггса, то его масса получится в районе 250–450 ГэВ. Более точную оценку дать трудно, поскольку превышение наблюдается в очень широком диапазоне инвариантных масс.

Тот факт, что CMS в аналогичном поиске не видит сигнала и устанавливает более сильные ограничения сверху, заставляет относиться к этому результату ATLAS очень настороженно. Кроме того, теоретикам следует проверить, согласуется ли предположение о реальности этой частицы в той или иной модели с другими экспериментальными данными. В ожидании обновления этот результат можно пока вписать еще одним пунктом в длинный список более чем двухсигмовых отклонений от Стандартной модели, обнаруженных на LHC.