Рис. 1. Распределение событий рождения бозона Хиггса, распадающегося на два фотона, по его поперечному импульсу. Разноцветные гистограммы отвечают предсказаниям СМ, основанным на разных теоретических расчетах. Рисунок из статьи CMS Collaboration, 2018. Measurement of inclusive and differential Higgs boson production cross sections in the diphoton decay channel in proton-proton collisions at sqrt(s) = 13 TeV
Коллаборации ATLAS и CMS продолжают методично исследовать все свойства бозона Хиггса, до которых могут дотянуться, а также ищут проявления новых гипотетических бозонов Хиггса, которые предсказываются разными теоретическими моделями. За последний месяц обе коллаборации выложили около десятка таких исследований.
С открытием в 2012 году бозона Хиггса, совершенно нового типа частиц, в распоряжении физиков оказался еще один способ изучать секреты микромира — через тщательное измерение свойств этого бозона. Эта частица дает физикам кладезь информации и держит их в напряженном ожидании. Если окажется, что некоторые из измеренных величин отличаются от предсказаний Стандартной модели (СМ), это будет первым указанием на долгожданную Новую физику.
Вплоть до конца 2015 года коллаборации ATLAS и CMS исследовали во всех деталях свойства хиггсовского бозона в статистике сеанса Run 1. Сводку результатов по состоянию на этот момент можно найти на нашей странице Изучение бозона Хиггса. С тех пор начали появляться данные Run 2, и обе коллаборации регулярно обновляли хиггсовские результаты. Про некоторые из них мы рассказывали совсем недавно, когда коллаборации представляли новые предварительные результаты, причем некоторые из них базировались на статистике, включающей и 2017 год. И вот сейчас коллаборации начали постепенно завершать этих анализы и выкладывать полноценные статьи.
Так, коллаборация CMS отчиталась о поиске редкого, но важного распада бозона Хиггса на мюонную пару (статья Search for the Higgs boson decaying to two muons in proton-proton collisions at sqrt(s) = 13 TeV). Для анализа использовались данные 2015 и 2016 годов; искомый распад пока не обнаружен, но ограничение сверху на него всего в 2,9 раз превышает ожидаемое в СМ значение. Напомним, что ATLAS показала на конференции ICHEP 2018 предварительные данные с учетом 2017 года; там ограничение еще сильнее. Судя по всему, долгожданный распад на мюоны проявится в ближайшие пару лет, после обработки всей статистики Run 2.
CMS провела также детальное измерение сечения рождения бозона Хиггса (Measurement of inclusive and differential Higgs boson production cross sections in the diphoton decay channel in proton-proton collisions at sqrt(s) = 13 TeV). Это может показаться скучным измерением, но изюминка этой работы в том, что измерялось не только полное сечение, но и его распределение по многочисленным параметрам. Так, на рис. 1 показано распределение по поперечному импульсу вылетевшего бозона Хиггса, распадающегося на два фотона. Были также изучены процессы, когда в «нагрузку» к бозону Хиггса рождались одна или несколько адронных струй или лептонов. Подобные процессы интересны тем, что они позволяют «прощупывать» окрестности бозона Хиггса в момент его рождения. Обратите внимание, например, на оранжевую гистограмму на этом графике. Она показывает ожидаемое в СМ сечение за счет всех процессов рождения бозона Хиггса, кроме прямого слияния глюонов. Если при малых поперечных импульсах этот вклад невелик, то при больших он становится сравним с основным каналом рождения. Поэтому даже если общее число рожденных бозонов Хиггса согласуется с предсказаниями СМ, отличия могут проступать в тонких коллективных эффектах.
Коллаборация ATLAS обновила свое ограничение на ширину хиггсовского бозона (см. статью Constraints on off-shell Higgs boson production and the Higgs boson total width in ZZ→4l and ZZ→2l2ν final states with the ATLAS detector). Напомним, что у любой нестабильной частицы есть особая энергетическая характеристика, вызванная как раз ее нестабильностью — ширина. Нестабильная частица, рождающаяся в столкновениях на коллайдере, проявляется в виде резонанса — всплеска на графике числа событий в зависимости от инвариантной массы. Ширина этого всплеска на шкале инвариантной массы и есть та самая ширина нестабильной частицы.
Чем меньше время жизни частицы, тем больше ширина. Для самых короткоживущих частиц она настолько велика, что ее легко измерить прямо на графике. Для бозона Хиггса, однако, такое прямое измерение не работает. В рамках СМ его ширина составляет 4,15 МэВ, что намного меньше энергетического разрешения детекторов. Однако несколько лет назад был предложен и затем реализован косвенный метод измерения ширины (см. подробности в новости Новый метод позволил наложить рекордное ограничение на время жизни хиггсовского бозона). Он опирается на сравнение интенсивности рождения ZZ-пар прямо на хиггсовском резонансе и вдали от него, при больших инвариантных массах пары.
Уже первое измерение 2014 года позволило коллаборациям ATLAS и CMS установить ограничение сверху в 22 МэВ, что всего в пять раз больше предсказаний СМ. Чуть позже, анализируя все те же данные Run 1, но добавив еще и WW-пары, коллаборация CMS улучшила ограничение сверху до 13 МэВ. Им тогда несколько повезло: за счет статистической флуктуации вниз ограничение оказалось более сильным, чем физики изначально ожидали.
Теперь к этому значению подтянулась и коллаборация ATLAS. Набрав в 2015 и 2016 годах статистику рождения ZZ-пар с инвариантной массой в несколько сотен ГэВ, экспериментаторы вычли из нее ожидаемый фон от прямого рождения этих частиц и попытались измерить хиггсовский вклад (подчеркнем еще раз, что это вклад от сильно виртуального бозона Хиггса с инвариантной массой намного больше его номинальной массы). Искомого сигнала пока не найдено, что позволило ATLAS установить ограничение сверху на ширину: 14,4 МэВ. Это значение, полученное одним экспериментом и в одном типе процессов, всего лишь в три с лишним раза больше ожидаемого в СМ значения. Гонка выходит на финишную прямую: когда будет обработана вся статистика Run 2, обе коллаборации начнут чувствовать ширину бозона Хиггса. Это станет еще одной прямой проверкой хиггсовского механизма, и здесь нас тоже могут ожидать сюрпризы.
Кроме того, коллаборация ATLAS выпустила на днях сразу несколько статей с поисками новых, экзотических бозонов Хиггса: заряженных (arXiv:1807.07915 и arXiv:1808.03599), двукратно заряженных (arXiv:1808.01899), а также тяжелых нейтральных, которые могут распадаться на два обычных бозона Хиггса (arXiv:1807.04873, arXiv:1807.08567 и arXiv:1808.00336). Все эти поиски базируются на статистике 2015 и 2016 годов, и ни в одном из них пока не обнаружилось никакого существенного отклонения от фона Стандартной модели.
Рис. 2. Результаты отбора событий рождения одноименно заряженных W±W±-пар с инвариантной массой вблизи 400 ГэВ. Разные колонки отвечают разным вариантам распада W-бозонов. Цветные гистограммы показывают разные источники фона Стандартной модели. Внизу: отношение данных к предсказаниями СМ. Рисунок из статьи ATLAS Collaboration, 2018. Search for doubly charged scalar bosons decaying into same-sign W boson pairs with the ATLAS detector
На рис. 2 показаны, для примера, результаты поиска двукратно заряженного бозона Хиггса, который предсказывается некоторыми теориями с неминимальным хиггсовским механизмом. Такая частица должна распадаться на два W-бозона с одинаковыми знаками электрического заряда. В рамках СМ этот процесс довольно редкий, поэтому есть шанс заметить гипотетический бозон, даже если и породил всего горстку событий. Однако, несмотря на отдельные статистические флуктуации, никаких достоверных указаний на эту частицу найдено не было.
