Проверка Стандартной модели (СМ) и, в частности, исследование свойств бозона Хиггса, является одним из важных направлений исследований, проводимых на Большом Адронном Коллайдере (БАК). Одним из последних и наиболее важных результатов, полученных в экспериментах ATLAS и CMS и представленных на недавно прошедшей конференции ICHEP 2020, является наблюдение распада бозона Хиггса на пару мюонов.
Бозон Хиггса - это квант поля Хиггса, которое который взаимодействует с элементарными частицами (калибровочными бозонами, кварками и лептонами) через механизм Брута-Энглера-Хиггса. Наблюдаемые массы элементарных частиц и есть результат этого взаимодействия. Измеряя долю распада бозона Хиггса на разные частицы, можно определить силу их взаимодействия с полем Хиггса: чем она больше, тем взаимодействие сильнее. До сих пор в экспериментах ATLAS и CMS наблюдались распады бозона Хиггса на векторные бозоны W и Z и на более тяжелые фермионы, такие как тау-лептоны. Взаимодействие с самыми тяжелыми кварками — b- и t-кварками — было впервые измерено в 2018 году. Мюоны относятся к так называемому второму поколению фермионов.
Согласно СМ, сила взаимодействия бозона Хиггса с фермионами пропорциональна их массе. Мюоны гораздо легче t- и b-кварков и τ-лептона, и, таким образом, взаимодействие мюонов с полем Хиггса более слабое, то есть распады бозона Хиггса на мюоны являются более редкими событиями и ранее не наблюдались на БАК. Вероятность такого распада бозона Хиггса очень мала и составляет 1/5000 от всех возможных вариантов его распада.
При поиске редких процессов наиболее важной задачей является правильный учет фоновых реакций, в которых, в конечном состоянии, так же образуются два мюона, имитируя ожидаемую экспериментальную сигнатуру. В таких исследованиях анализируется спектр по т.н. “инвариантной массе” пары мюонов. Для событий от распада бозона Хиггса на мюоны распределение по этой переменной сгруппировано в районе 125 ГэВ, т.е. в районе значения массы бозона Хиггса. Таким образом, в общем массовом спектре в этой области будет наблюдаться избыток событий.
Для учета фоновых процессов используются различные методики: например, алгоритмы машинного обучения (т.н. нейронные сети), анализ различных кинематических областей. В эксперименте CMS результат получен на основе объединения четырех отдельных анализов, каждый из которых оптимизирован для различных механизмов рождения бозона Хиггса. В эксперименте ATLAS с целью увеличения чувствительности все события с двумя мюонами противоположных знаков заряда были разделены на 20 взаимоисключающих категорий. Эти категории определены с использованием кинематических различий между фоновыми процессами и различными механизмами рождения бозона Хиггса. В эксперименте ATLAS этот распад наблюдается на уровне 2s (два стандартных отклонения) а в эксперименте CMS на уровне 3s. Комбинированный результат, основанный на данных обоих экспериментов, превышает 3s и, таким образом, дает указание на существование распада бозона Хиггса на мюоны. Полученные результаты хорошо согласуются с предсказаниями СМ. В данном исследовании использовался полный набор данных, накопленных за второй период работы БАК за 2015-2018 годы.
Это наблюдение имеет фундаментальное значение, так как указывает на то, что бозон Хиггса взаимодействует с лептонами второго поколения. С увеличением количества данных, которые будут получены в следующем, третьем, периоде работы БАК при более высокой светимости, коллаборации ATLAS и CMS ожидают достижения большей чувствительности на уровне 5s, необходимой для окончательного доказательства распада бозона Хиггса на два мюона.
Сотрудники Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ принимают активное участие в анализе данных, поддержке и модернизации экспериментов ATLAS и CMS, внося свой вклад в возможность проведения таких экспериментальных работ.