Наблюдение, о котором 28 августа заявлено экспериментальной коллаборацией CMS в ЦЕРН, представляет собой еще одну важную веху в изучении свойств бозона Хиггса и его взаимодействий с другими частицами в рамках Стандартной модели. Публикация об этом физически значимом результате направлена в журнал Physical Review Letters.
4 июля 2012 года две экспериментальные коллаборации ЦЕРН, ATLAS и CMS, сообщили о независимом обнаружении бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере (LHC). Этой новостью пестрели новостные заголовки по всему миру: экспериментальное открытие, сделанное спустя полвека после того, как бозон Хиггса был предсказан теоретически, подтвердило существование элементарной частицы, являющейся последним недостающим звеном Стандартной модели — современной универсальной теории взаимодействия элементарных частиц. В то же время, это открытие дало старт экспериментальной программе, нацеленной на исследование свойств этой ключевой частицы. Доклад коллаборации CMS на сегодняшнем семинаре в ЦЕРН стал очередным этапом в этой программе — вслед за недавней публикацией [PRL 120 (2018) 231801], в которой было объявлено о первом наблюдении ассоциированного рождения бозона Хиггса одновременно с самыми тяжелыми частицами Стандартной модели, t-кварками.
Согласно Стандартной модели, бозон Хиггса способен взаимодействовать с фермионами с интенсивностью, пропорциональной их массе. Самым тяжелым фермионом, обладающим массой, меньшей половины массы бозона Хиггса, является b-кварк. Это означает, что бозон Хиггса может напрямую распадаться на пару кварков — b и анти-b. Вероятность такого распада, в основном приближении, пропорциональна квадрату константы связи. Именно этот распад был недавно обнаружен в эксперименте CMS, а также коллаборацией ATLAS, которая 28 августа направила публикацию об аналогичном результате.
Хотя прямой распад бозона Хиггса на b-кварки является наиболее частым из всех возможных распадов бозона Хиггса, его наблюдение было сложной экспериментальной задачей. Это связано с наличием других доминирующих процессов Стандартной модели (называемых фоновыми), которые могут имитировать экспериментальный сигнал распада бозона Хиггса с образованием кварков b и анти-b. Поэтому было необходимо сосредоточиться на конкретных каналах, в которых бозон Хиггса образуется совместно с векторным бозоном (W- или Z-бозоном, см. рисунок), что приводит к значительному снижению фона. Поскольку этот процесс довольно редкий, чтобы найти необходимый сигнал, пришлось отсеять огромное количество событий. К счастью, уникальные возможности LHC, обеспечившие большой объем экспериментальных данных в 2016 и 2017 годах, сделали это возможным.
Рис. Cобытие-кандидат, демонстрирующее ассоциированное рождение бозона Хиггса и Z-бозона с последующим распадом бозона Хиггса на b-кварк и его античастицу.
“Изобретательность ученых CMS в разработке передовых инструментов анализа, включая методы машинного обучения, то, как они сумели объединить вышеупомянутый экспериментальный сигнал с другими чувствительными к хиггсовской физике процессами, а также впечатляющие возможности детектора и внушительный объем доступных экспериментальных данных, стало той совокупностью факторов, которая позволила нам достичь этого рубежа раньше, чем мы ожидали”, заявил руководитель коллаборации CMS Джоэл Батлер.
Московский государственный университиет в лице НИИЯФ и ОЯФ физического факультета МГУ активно участвует в работе коллаборации CMS наряду с рядом других научных центров и университетов России, объединенных в содружество RDMS «Russia and Dubna Member States». Сотрудники МГУ внесли существенный вклад в моделирование и анализ сигнала бозона Хиггса в различных каналах его рождения и модах распада. Основополагающий вклад внесен в исследование основных фоновых процессов к сигналу бозона Хиггса в моде распада на b-кварки, связанных с парным и одиночным рождением топ-кварка.
Наблюдение распада бозона Хиггса на пару кварков b и анти-b, в сочетании с более ранними измерениями констант связи бозона Хиггса с t-кварком и τ-лептоном, позволило, таким образом, изучить его взаимодействия с тремя самыми тяжелыми известными фермионами. Это дало возможность сделать еще один важный шаг вперед в физической программе CMS, нацеленной на изучение характеристик бозона Хиггса для лучшего понимания его природы. И хотя совокупность изученных на сегодняшний день взаимодействий соответствует предсказаниям Стандартной модели, точность измерений, по-прежнему, оставляет пространство для вклада «новой физики». Чтобы убедиться, позволяют ли данные по бозону Хиггса говорить о существовании физики за пределами Стандартной модели, необходимо увеличить точность измерений путём накопления значительно больших экспериментальных данных, что будет достигнуто в ближайшие годы благодаря проводимой модернизации коллайдера LHC и детекторов CMS и ATLAS, в том числе с активным участием российских организаций при финансовой поддержке Минобрнауки России.
О CMS
Эксперимент CMS является одним из двух многоцелевых экспериментов на LHC, которые были созданы для поиска «новой физики». Он предназначен для регистрации широкого спектра частиц и обнаружения явлений, возникающих в протон-протонных взаимодействиях и взаимодействиях тяжелых ионов на LHC.
CMS поможет ответить на такие вопросы, как: "Из чего на самом деле состоит Вселенная и какие силы действуют в ее пределах?" и "Что придаёт массу всей материи, составляющей Вселенную?" Эксперимент изучает свойства известных частиц с беспрецедентной точностью, а также осуществляет поиск совершенно новых, не предсказанных явлений. Такие исследования не только улучшают наше понимание того, как эволюционирует Вселенная, но, в конечном итоге, могут вызвать технологический прорыв, который изменит наш мир, как это часто бывало в прошлом.
Концептуальный проект эксперимента CMS датируется 1992 годом. Строительство гигантского детектора (15 м диаметром, около 29 м в длину и весом 14000 тонн) потребовало 16 лет усилий от одной из крупнейших международных научных коллабораций, существовавших когда-либо: 3275 физиков (в том числе 1535 студентов) из 41-ой страны, а также 790 инженеров и техников, из 179 институтов и исследовательских лабораторий, расположенных по всему миру.
Более подробную информацию можно найти на сайте CMS: http://cern.ch/cms или обращайтесь cms.outreach@cern.ch
CMS Collaboration, “Observation of Higgs boson decay to bottom quarks”, CMS-PAS-HIG-18-016, CERN-EP-2018-22, arXiv:1808.08242, Submitted to PRL.