ICHEP 2016: Хиггсовский бозон отлично виден в новых данных

Рис. 1. Доклады на одной из параллельных секций конференции ICHEP 2016. Изображение с сайта home.cern

В первый рабочий день конференции ICHEP 2016 коллаборации ATLAS и CMS показали целый ряд хиггсовских результатов на основе статистики, набранной уже в этом году. Одновременно с этими докладами на сайтах коллабораций появились предварительные статьи с подробностями анализа. В максимально сжатом виде, результат таков: хиггсовский бозон прекрасно виден в данных 2016 года практически на том же месте и с теми же свойствами, и коллайдер приступил к еще более детальному его изучению. Оцените, насколько изменилась ситуация по сравнению с Run 1: сейчас коллайдер всего за два месяца работы «переоткрыл» хиггсовский бозон на уровне статистической значимости 10σ.

Напомним, что в прошлом году ATLAS набрал светимость 3,2 fb^–1, а CMS, из-за временно не работавшего главного магнита, чуть меньше, 2,7 fb^–1 чистых данных. Хиггсовский бозон только-только начал проступать в такой небольшой статистике, в данных тогда наблюдались большие флуктуации, поэтому коллаборации на этом процессе не заостряли внимания. Единственный момент, на который ATLAS обратил внимание в декабре, это что сечение рождения бозона Хиггса получалось раза в полтора-два ниже ожидаемого (см. рис. 1 в публикации ATLAS-CONF-2015-069).

В этом году благодаря отменной работе коллайдера статистика возросла в разы. Результаты по хиггсовскому бозону базировались на светимости около 12 fb^–1 (точное значение варьируется для разных анализов). Отметим, что это всё еще вдвое меньше, чем полная статистика сеанса Run 1, прошедшего в 2010–2012 годах. Однако рост сечения рождения хиггсовского бозона при повышении энергий с 8 до 13 ТэВ с лихвой скомпенсировал этот дефицит. Поэтому физики ожидали увидеть в новых данных столь же ясный хиггсовский сигнал, как и во всем сеансе Run 1.

И данные действительно не подкачали. Физики еще не успели обработать все данные по бозону Хиггса, но по крайней мере в двух самых «чистых» для наблюдения каналах распада — двухфотонном (H → γγ) и четырехлептонном (H → ZZ* → 4l) — он виден отчетливо.

На рис. 2, слева, показано распределение событий с рождением двух фотонов большой энергии по их инвариантной массе. Для примера здесь взяты данные CMS; у ATLAS аналогичная картина. Как и ожидалось, на фоне плавно спадающей кривой, возникшей за счет посторонних, нехиггсовских процессов, видно небольшое, но вполне четкое превышение в области 125 ГэВ. Статистическая значимость отклонения очень велика и достигает 6,1σ (см. рис. 2, справа), и это значение даже больше, чем суммарный результат CMS и ATLAS в двухфотонном канале по итогам Run 1 (тогда было получено 5,6σ). Что касается массы и сечения, то пик распределения попадает на массу 126 ГэВ, что чуть выше, чем было найдено в Run 1. Измеренная интенсивность хиггсовского сигнала в этом канале по отношению к предсказаниям СМ составила μ_γγ = 0,95±0,20.

Рис. 2. Слева: распределение двухфотонных событий по инвариантной массе пары фотонов, просуммированное по всем каналам рождения и взвешенное с учетом чувствительности каждого канала. Внизу показаны данные за вычетом фона. Справа: локальные p-значения, показывающие вероятность того, что один лишь фон, без учета хиггсовского бозона, мог бы дать такой статистический выброс. Изображение с сайта cms-results.web.cern.ch

Таким образом, CMS в 2016 году «переоткрыла» хиггсовский бозон, и он оказался совершенно стандартным. Коллаборация представила также разбивку этих данных по разным каналам рождения бозона Хиггса, и там тоже числа были близки к ожиданиям.

Результаты выделения хиггсовского сигнала в редком четырехлептонном канале распада показаны на рис. 3. Здесь приведены данные ATLAS; коллаборация CMS увидела похожую картину. Хиггсовский пик отлично виден на том месте, где он и ожидался, на уровне статистический значимости около 5σ. Интенсивность хиггсовского сигнала в этом канале по сравнению с предсказаниями СМ составила примерно 1,6 с 20-процентной погрешностью. У CMS числа немного отличаются: статистическая значимость превысила 6σ, а интенсивность сигнала практически равна единице, с примерно 30-процентной погрешностью. Для сравнения: в сеансе Run 1 хиггсовский бозон был виден в этом канале на уровне значимости выше 7σ. Здесь тоже были представлены различные разбивки данных по разным каналам рождения, и нигде не было найдено никакого статистически значимого отклонения от Стандартной модели. Надо также добавить, что в рамках того же анализа обе коллаборации проверили, нет ли в распределениях каких-то более тяжелых резонансов с массами вплоть до 1 ТэВ. Увы, ничего статистически значимого не обнаружилось.

Рис. 3. Распределение прошедших отбор четырехлептонных событий по инвариантной массе. Голубым цветом показан вклад хиггсовского бозона с массой 125 ГэВ, красным — главный фоновый процесс. Изображение с сайта atlas.web.cern.ch

Поскольку хиггсовский сигнал надежно проступил в данных, физики вычислили из них полное сечение рождения бозона Хиггса и проверили, как оно меняется с ростом энергии столкновений. На рис. 4 показаны данные ATLAS при энергии 7, 8 и 13 ТэВ. Они в пределах погрешностей согласуются с теоретическими расчетами и подтверждают плавный рост сечения, хотя и не такой сильный, как предсказывала теория. Но по крайней мере таких патологий, какие появлялись в декабрьских данных, когда это сечение вообще не росло с энергией, больше не наблюдается.

Рис. 4. Сечение рождения бозона Хиггса в зависимости от энергии столкновений по данным ATLAS. Голубая полоса — теоретические расчеты, красные и зеленые точки — результаты измерений в двухфотонном и ZZ-канале распада, черные точки — их объединение. Изображение с сайта atlas.cern

Ну и последний аккорд. В одном из докладов коллаборация ATLAS представила объединенные данные по двухфотонному и ZZ-каналу распада (соответствующая публикация ATLAS-CONF-2016-081 еще в процессе подготовки). Статистическая значимость хиггсовского сигнала оказалась равной 10σ; усредненная интенсивность сигнала — 1,13±0,17. Иными словами, «Хиггс» есть, и он самый что ни на есть стандартный.