Хиггсовский бозон выглядит стандартным в данных 2016 года

Рис. 1. «Старый знакомый» в данных 2016 года: распределение двухфотонных событий по инвариантной массе при вычитании фона демонстрирует ровный хиггсовский пик при массе 125 ГэВ. График с сайта cms-results.web.cern.ch

На прошедшей в марте серии конференций Moriond 2017 были впервые представлены результаты Большого адронного коллайдера, полученные на всей статистике 2016 года. В круг тем, к которым было приковано особое внимание, традиционно входит и хиггсовский бозон. Открытый на коллайдере пять лет назад, бозон Хиггса превратился из самоцели в инструмент исследования: с его помощью физики теперь пытаются найти намеки на долгожданную физику за пределами Стандартной модели. Впрочем, Стандартная модель вновь выдержала проверку, на этот раз — хиггсовскими данными 2016 года.

Предыстория

В 2012 году хиггсовский бозон был открыт на Большом адронном коллайдере. На смену целой эпохе поисков, длившейся почти полвека, пришла новая эпоха — тщательного изучения бозона Хиггса. Этот бозон — частица совершенно иного сорта, чем всё то, что когда-либо нам встречалось в микромире, и потому она должна быть изучена экспериментально вдоль и поперек. Многие теоретики всерьез рассчитывают, что хиггсовский сектор нашего мира — не такой простой, как в Стандартной модели, а гораздо богаче. Более того, за этим бозоном могут скрываться целые миры неведомых элементарных частиц, к которым были нечувствительны другие эксперименты и которые мы теперь можем прозондировать «хиггсовским инструментом». Это всё держит физиков в напряженном ожидании и в лихорадочном поиске новых способов изучать микромир так, как мы не умели раньше.

Рис. 2. Кратчайшее введение в хиггсовский бозон. Рисунок Игоря Иванова

Удобство бозона Хиггса как инструмента в том, что Стандартная модель однозначно и совершенно четко предсказывает разнообразные его характеристики: варианты и вероятности распада, сечение процессов его рождения, интенсивность его связи с другими частицами. Сводку этих предсказанных в СМ характеристик можно найти на странице Хиггсовский бозон с массой 125 ГэВ: ожидания Стандартной модели. Он стал для физиков родной, знакомой частицей, которую в массовых количествах производит Большой адронный коллайдер. Но поскольку экспериментальное исследование хиггсовского бозона только начинается, нас на каждом шагу могут ждать открытия — достаточно лишь обнаружить статистически достоверное отличие от предсказаний СМ в любой из этих величин.

Поначалу, в 2012–2013 годах, когда статистика была еще невелика, то тут, то там возникали и пропадали намеки на что-то необычное: полистайте нашу ленту хиггсовских новостей за те годы. Однако по мере анализа данных Run 1 эти отклонения исчезали. Окончательные данные ATLAS и CMS на всей статистике Run 1, опубликованные в 2016 году, продемонстрировали разочаровывающе стандартную картину хиггсовского бозона. Сводка этих результатов в максимально сжатом виде приведена на рис. 3.

Рис. 3. Свойства хиггсовского бозона по результатам сеанса LHC Run 1. Рисунок Игоря Иванова

Когда LHC заработал на рекордной энергии столкновений 13 ТэВ, темп набора хиггсовской статистики возрос в несколько раз. В середине прошлого года на международной конференции ICHEP 2016 были обнародованы данные Run 2, полученные на основе светимости 12–15 fb⁻¹ (см. подробности в новостях ICHEP 2016: Хиггсовский бозон отлично виден в новых данных и ICHEP 2016: Добавлены новые штрихи к «портрету» бозона Хиггса). Картина в целом тоже выглядела довольно стандартной: все измеренные характеристики, за исключением разве что ttH-канала рождения, в пределах погрешностей совпадали с предсказаниями СМ. Процесс ttH демонстрировал небольшое отклонение, которое, впрочем, слишком большого энтузиазма всё равно не вызывало.

Тем не менее всегда остается вариант, что бозон Хиггса действительно таит в себе яркие открытия, но только заметными они станут лишь при уменьшении погрешностей. Поэтому набор статистики очень важен для хиггсовской физики: чем больше данных, тем более точно мы измерим характеристики бозона и тем более редкие процессы с его участием сможем заметить. Накопленная к настоящему времени статистика сеанса Run 2 составила 36 fb⁻¹, что втрое превышает объем данных прошлого лета и существенно перекрывает всю статистику Run 1. Так что физики были готовы увидеть здесь намеки на явления, которые не удавалось заметить раньше.

Доклады по свойствам хиггсовского бозона, сделанные на конференциях Moriond EW и Moriond QCD — двух ключевых весенних конференциях по физике элементарных частиц, — дополняли друг друга. В них были показаны новые предварительные результаты по разным каналам рождения и распада бозона и по изучению некоторых его свойств. Не все эти результаты базируются на полной статистике Run 2; в некоторых вариантах, где анализ еще продолжается, физики ограничились данными, набранными только прошлой весной и летом, а то и вовсе данными 2015 года. Ниже мы перечислим те пункты хиггсовской исследовательской программы, которых коснулись обновления.

Распад H→γγ

Коллаборация CMS впервые показала результаты полной статистики Run 2 (публикация CMS-PAS-HIG-17-015), см. рис. 1. ATLAS ограничилась пока повторением результатов прошлого лета (публикация ATLAS-CONF-2016-067). Оба измерения в пределах погрешностей согласуются со Стандартной моделью.

Отметим одну существенную тонкость. Вывод о том, отличается ли хиггсовский сигнал от предсказаний СМ, опирается на сложные расчеты сечения рождения бозона Хиггса в столкновении протонов. Сейчас экспериментаторы сравнивают свои данные с предсказаниями, сосчитанным в третьем-за-главным порядке теории возмущений (next-to-next-to-next-to-leading-order, NNNLO), в отличие от второго порядка (NNLO), который использовался во время Run 1. Обычно настолько далекие порядки в разложении дают очень малые добавки, но для сечения рождения бозона Хиггса в слиянии двух глюонов они составили солидные 10%. Эти вычисления были завершены совсем недавно, в 2015 году, и они лишний раз показали, что сверхсложный расчет тысяч диаграмм — это не прихоть скучающих теоретиков, а дело, реально нужное для правильной интерпретации экспериментальных результатов.

Распад H→ZZ*→4 лептона

ATLAS также не раскрывает пока новых данных и ограничивается прошлогодними результатами (ATLAS-CONF-2016-079). CMS показала данные Run 2 на статистике 35,9 fb⁻¹. Хиггсовский пик прекрасно виден на распределении по инвариантной массе четырех лептонов (рис. 4); сравните это распределение с результатом 2013 года или с прошлогодними данными (рис. 3 в новости ICHEP 2016: Хиггсовский бозон отлично виден в новых данных).

Рис. 4. Распределение по инвариантной массе четырех лептонов в данных CMS Run 2. Точки — экспериментальные данные, синяя гистограмма — вклад фоновых процессов, красная гистограмма — вклад хиггсовского бозона. Рисунок с сайта cms-results.web.cern.ch

Величина хиггсовского сигнала составила \( \mu_{ZZ}=1{,}05^{+0{,}19}_{-0{,}17} \) по отношению к предсказаниями СМ. Хиггсовский пик в этом канале настолько четкий, что по его положению CMS измерила массу бозона: m = 125,26±0,20±0,08 ГэВ, где отдельно указаны статистическая и систематическая погрешности. Это новое измерение — в одиночку! — превзошло по точности объединенный результат ATLAS и CMS по всем каналам в данных Run 1.

Кроме того, CMS отчиталась об анализе углового распределения в распаде бозона Хиггса на 4 лептона (CMS-PAS-HIG-17-011). Оно тоже не противоречит ожиданиями СМ, что позволило установить ограничения на гипотетические аномальные варианты связи между бозоном Хиггса и Z-бозонами. Подчеркнем, что канал распада на 4 лептона настолько редкий, что до сих пор детекторы видели лишь горстку событий, и строить по ним многомерные распределения было бы мало осмысленно. Сейчас количество зарегистрированных событий — порядка сотни, и из этой статистики уже можно выделять более детальную информацию.

Канал рождения ttH

Совместное рождение хиггсовского бозона и пары топ-антитоп-кварков — это сегодня, пожалуй, самый любопытный процесс с участием бозона Хиггса. Из-за его редкости физики не ожидали увидеть этот процесс в данных Run 1, однако он проступил в данных обеих коллабораций с интенсивностью в 2–3 большей, чем предсказывала СМ. Это отклонение получило название ttH-аномалии и вызвало живой интерес у теоретиков. Вдобавок, при переходе с 8 на 13 ТэВ вероятность этого процесса возрастает почти вчетверо, и оказалось, что самые первые результаты сеанса Run 2 эту аномалию не закрывали. Поэтому исследователи находились в нетерпеливом ожидании вердикта LHC по итогам 2016 года.

Сразу скажем, что окончательно вердикта пока и нет: слишком трудоемким оказался анализ всех вариантов распада такого набора частиц. ATLAS, опять же, новых данных на этот счет пока не представила. А вот CMS подготовила неприятный сюрприз. По результатам изучения некоторых конкретных каналов распадов оказалось, что процесс ttH не только не превышает СМ, но даже не дотягивает до него (CMS-PAS-HIG-17-003). Особенно обескураживающим выглядит вариант, когда хиггсовский бозон, рожденный в ttH-канале, распадается на b-анти-b-кварки (CMS-PAS-HIG-16-038). Там этого процесса не видно вообще — формальный анализ данных выдает отрицательный результат для его вероятности! — хотя по всем расчетам он должен был проступить. Это означает, что даже если в других вариантах распадов будет видно какое-то превышение (как, например, в многолептонном канале в данных того же CMS, CMS-PAS-HIG-17-004), то объединенный результат, по всей видимости, уже не будет сильно отличаться от СМ.

На рис. 5 приведена нынешняя довольно запутанная ситуация с рождением ttH в разных каналах. Данные ATLAS и CMS разнятся, данные по разным каналам внутри одной коллаборации тоже сильно отличаются. Их объединение «на глаз» дает нечто около единицы и ни в коей мере не подтверждает исходную ttH-аномалию (число, указанное вверху). Пожалуй, единственное, что тут можно сказать наверняка на основании этих и других подобных данных, — что физики пока еще недостаточно хорошо умеют анализировать процессы рождения топ-кварковой пары в сопровождении других частиц. Здесь предстоит большая работа, но складывается впечатление, что еще одна загадка коллайдера вот-вот будет закрыта. Впрочем, дождемся официальных данных ATLAS и CMS.

Рис. 5. Интенсивность процесса ttH по сравнению с предсказаниями Стандартной модели в данных обеих коллабораций при обработке разных каналов распада бозона Хиггса. Из доклада Nicolas Chanon на конференции Moriond QCD

Редкие процессы

Кроме тех процессов, в которых хиггсовский бозон виден отчетливо, физики пытаются зарегистрировать и более редкие варианты его рождения и распада. Так, коллаборация ATLAS представила результаты по двум таким процессам, полученным на всей статистике Run 2. Первый — это распад бозона Хиггса на мюоны. Это очень редкий распад, и его редкость обусловлена малой массой мюонов: стандартный бозон Хиггса распадается на фермионы с вероятностью, пропорциональной квадрату массы. Однако существуют модели Новой физики, в которых такой распад может быть усилен. Кроме того, это единственный пример процесса, где есть реальный шанс измерить «силу сцепления» бозона Хиггса с фермионами не третьего, а второго поколения. Поэтому физики его настойчиво ищут, несмотря на то, что нынешняя статистика пока недостаточна для его регистрации — кто знает, вдруг повезет.

Мы уже писали в 2014 году про такой анализ ATLAS по итогам Run 1 (ATLAS ищет распад бозона Хиггса на мюоны); тогда было установлено ограничение на его вероятность, в 7 раз превышающее предсказание СМ. Сейчас ATLAS выполнила новый анализ и установила более сильное ограничение сверху, всего в 3 раза больше СМ (ATLAS-CONF-2017-014). Не исключено, что к концу сеанса Run 2 физики наконец-то начнут чувствовать этот распад.

Второй интересный процесс, о котором отчиталась ATLAS, — это рождение бозона Хиггса в сопровождении частиц темной материи (ATLAS-CONF-2017-024). Этот процесс в Стандартной модели, конечно, невозможен, поскольку кандидатов в частицы темной материи там нет, но он довольно часто встречается в разных теориях Новой физики (рис. 6). Частицы темной материи детектор, конечно, уловить не сможет. Но зато они унесут поперечный импульс, и детектор это почувствует. Поэтому коллаборация ATLAS отбирала такие события, где рождались два фотона с инвариантной массой, точь-в-точь попадающей на массу бозона Хиггса, и при этом наблюдался бы сильный дисбаланс поперечного импульса. Увы, ничего необычного замечено не было.

Рис. 6. Два варианта рождения хиггсовского бозона h вместе с парой частиц темной материи χ: через гипотетический тяжелый аналог Z-бозона (слева) и через тяжелого «собрата» хиггсовского бозона H (справа). Рисунок с сайта atlas.web.cern.ch

Коллаборация CMS предъявила результаты поиска другого редкого процесса — одновременного рождения двух бозонов Хиггса. В рамках СМ этот процесс пока безнадежен для LHC, но его резкое усиление в разных многохиггсовских моделях Новой физики оставляет шанс для сенсаций. Пока что этого не произошло. Детектор CMS этот процесс не увидел, и было установлено ограничение сверху на его вероятность, которое превышает ожидание СМ в 28 раз (CMS-PAS-HIG-17-002). Впрочем, это куда лучше результатов Run 1: тогда ограничение сверху аж в 70 раз превышало СМ.

Итоги

В техническом плане Большой адронный коллайдер работает идеально и ставит рекорд за рекордом. Статистика, набранная за 2016 год, с лихвой перебивает все предыдущие годы работы коллайдера. Эта статистика требует тщательной обработки, поэтому основанные на ней результаты будут появляться еще не один год. Анализ данных тоже достигает новых высот сложности и прозорливости. Однако научная отдача пока не столь радужна, как о том мечтали физики в преддверии сеанса Run 2. Та небольшая подборка хиггсовских результатов, которая была представлена на конференциях из серии Moriond, пока не дает указаний на какие-либо кардинальные отличия свойств бозона Хиггса от предсказаний СМ. Впрочем, впереди нас ожидает в десятки раз больше хиггсовских результатов — нам требуется лишь запастись терпением.

Источники:
1) Научная программа конференций Moriond 2017 EW и Moriond 2017 QCD.
2) Таблица предварительных хиггсовских результатов коллабораций ATLAS и CMS.

Игорь Иванов