На Большом адронном коллайдере провели самое точное измерение механизма Хиггса

9 июня 2018

Физики коллабораций ATLAS и CMS впервые со статистической достоверностью сумели зафиксировать рождение бозона Хиггса и пары топ-кварк и топ-антикварк. Результаты детектора впервые набрали статистику в пять стандартных отклонений. Объявленные на конференции LHCP2018 4 июня, эти данные стали самым точным измерением хиггсовского механизма обретения частицами массы. Результаты работы CMS опубликованы в Physical Review Letters, а статья ATLAS доступна в виде препринта на arxiv.org.

Изучение рождения этого трио — очень кропотливый процесс, поскольку в нем рождается лишь один процент от всех бозонов Хиггса, однако важность его сложно переоценить, поскольку результат является прямым измерением взаимодействия топ-кварка и бозона Хиггса. Это взаимодействие известно, как связывание топ-кварка Юкавы. Его используют для описания хиггсовского поля и безмассовым полем кварка. Это взаимодействие представляет собой обретение массы фермионами благодаря так называемому спонтанному нарушению симметрии. Фактически, рождение ttH — это прямое наблюдение того, как рождается масса.

Предыдущие результаты коллаборации ATLAS и коллаборации CMS свидетельствовали о рождении ttH, но статистики не хватало. В марте 2018 года CMS объявила о четырех стандартных отклонениях, что еще не давало права говорить о том, что событие действительно наблюдалось. «Четыре сигмы» — это очень высокая (99,38 процента) вероятность того, что сигнал неслучаен, но в физике принято говорить о настоящем открытии, когда удается накопить статистики на пять стандартных отклонений (пять сигм — это 99,977 процента вероятности неслучайного результата).

Ситуация осложнялась тем, что появлявшийся вместе с двумя топ-кварками бозон Хиггса распадался пятью путями — либо на два W-бозона, либо на два Z-бозона, либо на пару тау-лептонов, либо на два b-кварка, либо вообще на два фотона. Как это часто бывает, на небольшой статистике данные показали некоторое отклонение от Стандартной модели и физики-теоретики заняли позицию «низкого старта». Однако чем больше накапливалось статистики, тем больше наблюдалось согласовия со Стандартной моделью. И вот — с одной стороны, Стандартная модель снова устояла, с другой — у нас есть самое точное измерение хиггсовского механизма наделения частиц массой, ведь топ-кварк — самая тяжелая из частиц Стандартной модели.

Если говорить языком цифр, на Большом адронном коллайдере удалось наблюдать рождение бозона Хиггса и пары топ-антитоп со статистической достоверностью в 6.3 стандартных отклонения (такую мощную достоверность удалось благодаря объединению данных с другими экспериментами 2015–2017 годов). Поиск велся в результатах столкновения протонов на энергиях в 13 тераэлектронвольт.

Ранее коллаборация ATLAS использовала данные, собранные при столкновениях протонных пучков на Большом адронном коллайдере в 2011 году, чтобы уточнить массу векторных W-бозонов, которые служат переносчиками слабого взаимодействия. Найденное учеными значение массы составляет примерно 80370 ± 19 мегаэлектронвольт.