LHC наконец-то видит основной распад бозона Хиггса

Рис. 1. Зарегистрированное детектором ATLAS событие — кандидат на распад бозона Хиггса на b-кварковую пару. Изображение с сайта atlas.web.cern.ch

На прошедшей в начале июля конференции EPS HEP 2017, крупнейшем мероприятии года по физике элементарных частиц, представители коллабораций ATLAS и CMS сообщили, что они наконец-то начали видеть намеки на распад бозона Хиггса на b-кварк-антикварковую пару. Вообще, хиггсовский бозон с массой 125 ГэВ может распадаться на самые разные наборы частиц. Коллайдер уже достоверно обнаружил распады на два фотона, на пары W- и Z-бозонов, на тау-лептоны. Но все эти распады — далеко не основные. Самый главный распад — на b-анти-b пару, и, по предсказаниям Стандартной модели, он должен происходить в 58% случаев.

Тем удивительней, что до сих пор его не удавалось надежно зарегистрировать. На рис. 3 из прошлой новости, в правом нижнем углу, можно заметить, что в сеансе Run 1 физики увидели лишь слабые намеки на этот распад: показанная там экспериментальная точка мало отличается от нуля. Такая ситуация связана с тем, что распады бозона Хиггса на адроны очень сложно отделить от фона — ведь адроны в изобилии рождаются на LHC и без хиггсовского бозона. Если просто отлавливать b-кварковые пары, то их прямое рождение происходит в миллионы раз чаще, чем через промежуточное рождение и распад бозона Хиггса (рис. 2). Поэтому, когда физики искали варианты, как отловить этот процесс, на прямом рождении b-кварковых пар они поставили крест. Есть, к счастью, и другой, более хитрый канал рождения бозона Хиггса — когда он появляется в столкновениях в паре с W- или Z-бозоном. Этот вариант уже исследовали, но до сих пор физикам не хватало здесь статистики (см., например, первые попытки увидеть этот распад в первых данных Run 2).

Рис. 2. Прямое рождение b-кварковой пары (слева) и рождение бозона Хиггса, который затем распадется на такую же b-кварковую пару (справа). Изображение из доклада C. Vernieri. Inclusive search for boosted Higgs bosons using H → bb decays with the CMS experiment

И вот сейчас детектор ATLAS наконец-то начал уверенно видеть и этот канал распада. На рис. 3 показано распределение по инвариантной массе b-анти-b-пар, рожденных в этом процессе. Серым цветом показан ожидаемый «бесхиггсовский» фон — это рождение пар W- или Z-бозонов, один из которых распадается на b-кварки. В области 80–90 ГэВ этот фон прекрасно согласуется с экспериментальными точками, но чуть выше по шкале масс его явно не хватает. Данные в этой области, отмеченные красным цветом, — это и есть искомый вклад от бозона Хиггса. На рис. 1 показано как раз такое событие, зарегистрированное детектором ATLAS.

Рис. 3. Распределение по инвариантной массе b-кварковой пары, рожденной в сопровождении W- или Z-бозона. Красным показан вклад от хиггсовского бозона. Изображение с сайта atlas.cern

Статистическая значимость этого наблюдения, при объединении данных Run 1 и Run 2, достигает 3,6σ. Окончательно объявлять об открытии процесса пока преждевременно, но убедительные свидетельства в пользу его существования получены. Подробнее об этом исследовании можно прочитать в предварительной статье ATLAS-CONF-2017-041 и в заметке A first LHC sighting of the Higgs boson in its favourite decay на сайте коллаборации.

Коллаборация CMS тоже выступила на конференции EPS HEP 2017 с результатами поиска этого распада. Однако она, к удивлению многих, пошла «напролом». Она решила выцарапать этот процесс из прямого рождения b-кварковых пар — сделать то, что считалось невозможным. Хитрость нового анализа состояла в том, что коллаборация CMS отбирала не любые b-кварковые пары, а только те, которые отлетают от оси столкновения с большим поперечным импульсом — больше 450 ГэВ. Конечно, и в этом случае b-кварки часто рождаются просто так, без помощи бозона Хиггса, порождая общую широкую адронную струю. Но если они появились за счет бозона Хиггса, то у них будет другое распределение внутри струи, и его можно опознать с помощью недавно разработанной методики.

На рис. 4 показан результат этого анализа. Здесь отложено число событий, прошедших отбор, в зависимости от инвариантной массы b-кварковой пары. Доминирует, конечно, фон за счет прямого рождения, но этом фоне вырисовываются отклонения в форме слабых превышений. При 90 ГэВ явно виден Z-бозонный пик — и его наличие служит дополнительной проверкой правильности подхода, — а при 120–130 ГэВ начинает проступать слабое превышение — здесь проявляется бозон Хиггса.

Рис. 4. Вверху: распределение по инвариантной массе b-кварковой пары в анализе, выполненном CMS. Точки с погрешностями — экспериментальные данные, пунктирные гистограммы — вклады разных фоновых процессов, среди которых доминирует прямое рождение (пунктирная гистограмма). Внизу: разность между данными и фоном (прямое рождение и рождение и распад топ-кварков). Розовая гистограмма — ожидаемый вклад от хиггсовского бозона. Изображение с сайта indico.cern.ch

Конечно, сигнал пока очень слабый — его статистическая значимость получилась всего 1,5σ. Но главное, что методика работает и что результаты получаются такие, как и ожидалось. А это значит, что при многократном увеличении статистики хиггсовский бозон проявится и тут.