ATLAS пытается отловить распад бозона Хиггса на очарованные кварки

Распределение по инвариантной массе пары c-анти-c и поиск следов распада бозона Хиггса на эту кварковую пару. Разноцветная гистограмма — вклад фоновых процессов, красный контур — ожидаемый вклад искомого процесса, усиленный в сто раз. Внизу показано отношение данных к ожиданиям моделирования. Изображение из обсуждаемой статьи

Хиггсовский бозон — это очень особенная частица. Он, конечно, предсказывается Стандартной моделью (СМ), но до непосредственного открытия его масса оставалась неизвестной. Однако, как только бозон был найден и его масса была определена, все его свойства оказались жестко зафиксированными, по крайней мере в рамках Стандартной модели. Поэтому открытие бозона Хиггса — это не конец, а начало большого пути. Экспериментаторам теперь надо измерить все его характеристики и проверить все предсказанные свойства.

Одно из самых главных предсказаний СМ — что интенсивность связи бозона Хиггса с фундаментальными частицами пропорциональна их массе. Эта зависимость проверена для тяжелых частиц и в пределах погрешностей она выполняется. Но пока она остается неподтвержденной для частиц полегче. В частности, среди частиц материи измерена лишь связь бозона Хиггса с третьим поколением фермионов: тау-лептонами, топ-кварками, и, начиная с середины 2017 года, с b-кварками. Ни со вторым, ни тем более с первым поколением фермионов связь бозона Хиггса не измерена — и тут могут скрываться настоящие сюрпризы.

Причина этой ситуации проста: распад на такие фермионы идет редко, и его трудно отделить от фоновых процессов. Особенно тяжело отлавливать распады на кварки. Скажем, распад на пару b-кварков идет очень охотно, это вообще самый частый вариант распада бозона Хиггса (58%). Однако намеки на этот процесс попросту захлебываются в фоне, то есть в прямом рождении кварков без промежуточного рождения бозона Хиггса. Именно поэтому коллаборации ATLAS и CMS только в прошлом году научились отлавливать этот основной канал распада и лишь полгода назад рапортовали о надежном его наблюдении.

Уловить распад на кварки второго поколения, очарованные или странные, — задача, на первый взгляд, вообще безнадежная. Вероятность этого распада еще меньше, поскольку кварки легче, а фон — намного больше. Однако это не означает, что надо опускать руки; повторимся, в рамках некоторых теоретических моделей нас тут могут ожидать сюрпризы. Поэтому недавно коллаборация ATLAS, вооружившись накопленным опытом и взяв для анализа всю статистику 2016 года, предприняла поиск распада бозона Хиггса на очарованные кварки (препринт Search for the Decay of the Higgs Boson to Charm Quarks with the ATLAS Experiment).

Изучался процесс рождения c-анти-c пар, но не любых, а таких, которые отлетают с достаточно большим поперечным импульсом. Сбалансировать этот поперечный импульс был призван Z-бозон, который восстанавливается по распаду на электроны или мюоны. Подобные события являются кандидатами в процесс рождения ZH-пары, которые затем распадаются на дочерние частицы. Но конечно, такие же комбинации могут в избытке рождаться и без промежуточного бозона Хиггса. Избавиться от этого фона невозможно, но остается шанс увидеть «хиггсовский бугорок» на фоне плавной зависимости числа событий от инвариантной массы.

На рисунке показан результат такого исследования. Разноцветная гистограмма — это ожидаемый вклад фоновых процессов. Доминирует тут нескоррелированное рождение Z-бозона и кварковых струй. Забавно, что одним из источников фона служит тот самый процесс, который физики впервые сумели обнаружить в прошлом году — рождение ZH комбинации с последующим распадом бозона Хиггса на b-кварки (а они уже дальше распадутся на c-кварки). Красным контуром на графике прочерчен ожидаемый вклад от искомого процесса — но только усиленный для наглядности в сто раз! Видно, что даже такой усиленный, он был бы еле-еле заметен. Реальный вклад от процесса ZH(→cc) в рамках СМ настолько мал, что его увидеть не удалось.

Тем не менее, были получены ограничения сверху на сечение искомого процесса. Они ожидаемо оказались очень слабыми, в 150 раз выше того значения, что предсказывает СМ. Пересчитывать его в вероятность распада пока смысла нет — ширина распада получилась бы тогда слишком большой. Однако в будущем этот поиск будет повторяться, и рано или поздно он начнет выдавать осмысленные ограничения на интенсивность связи бозона Хиггса с кварками второго поколения.