5 марта 2022

Ученые ЦЕРН начали "охоту" на невидимые процессы с участием бозона Хиггса

Известно, что бозон Хиггса "живет" крайне непродолжительное время, прежде чем он распадается, образуя различные комбинации вторичных частиц. Именно путем регистрации определенных продуктов процесса распада и был обнаружен в свое время бозон Хиггса, возникающий во время столкновений протонов в недрах Большого Адронного Коллайдера. Но что, если одним из видов распада бозона Хиггса является распад на частицы, невидимые для датчиков научного оборудования, которые могут являться частицами неуловимой темной материи? И не так давно ученые из сообщества ATLAS и CMS начали исследования в данном направлении, установив новые верхние параметрические границы распада бозона Хиггса.

Согласно Стандартной Модели физики элементарных частиц, в 0.1 процентах случаев бозон Хиггса распадается с образованием известных, практически невесомых и невидимых частиц - частиц нейтрино. Распад бозона на частицы, которые можно отнести к частицам темной материи, должен быть еще более редок, но, согласно некоторым предположениям, присутствие частиц темной материи в месте возникновения, а затем и распада бозона должно несколько увеличить долю таких "невидимых" типов распада.

Ученые ATLAS и CMS начали поиски следов невидимого распада бозона Хиггса, начиная с набора данных, собранного во время второго периода работы коллайдера. Обе команды занимались поисками конкретных случаев, в которых бозон Хиггса образовывался в результате так называемого вектор-бозон слияния и затем распадался на невидимые частицы.

Процесс вектор-бозон слияния порождает небольшие "брызги" вторичных частиц, которые достигают датчиков коллайдера, позволяя произвести идентификацию именно этого процесса. Более того, вторичные частицы уносят с собой часть энергии столкновения, что обеспечивает отличительные подписи процесса вектор-слияния.

Поиски случаев невидимых типов распада бозона Хиггса еще не принесли положительных результатов, уровень найденных событий не превышает пока уровня фоновых шумов. Однако ученым все же удалось получить некоторые полезные данные, они выяснили, что бозон Хиггса не может распадаться в невидимые частицы чаще, чем в 15 процентах случаев для варианта данных эксперимента ATLAS, и 18 процентов - для варианта данных эксперимента CMS.

Отметим, что полученные экспериментальным путем значения не очень хорошо соответствуют теоретическим прогнозам и результатам моделирования на основе Стандартной Модели, которые равны 10 процентам для обоих случаев. Тем не менее, полученные экспериментально границы достаточно хорошо согласовываются друг с другом и с теорией, когда интерпретация производится в контексте темной материи. Присутствие частиц темной материи и их взаимодействие с ядрами атомов меняют всю энергетику происходящих процессов, что находит дополнительные подтверждения в результатах других экспериментов по поискам темной материи.

Позже в этом году должен состояться запуск очередного этапа работы Большого Адронного Коллайдера, во время которого будет собран новый набор данных, объем которых будет превышать количество, собранное за любой из предыдущих этапов. И при помощи этих данных ученые сообщества ATLAS и CMS собираются проводить новые поиски невидимых процессов с участием бозона Хиггса.