Ученые ОИЯИ в рамках коллаборации ATLAS на Большом адронном коллайдере (Large Hadron Collider — LHC) в ЦЕРН проводят исследования по изучению свойств бозона Хиггса и поиску новой физики. При непосредственном и решающем участии научных сотрудников ОИЯИ международная коллаборация измерила свойства хиггсовского бозона по одному из каналов его распада, а также исследовала возможность существования заряженного или нейтрального тяжелого бозона, распадающегося по Wγ или Zγ каналам и долгоживущих частиц, распадающихся на кварк-антикварковую пару и нейтралино. Полученные данные подтверждают предсказания Стандартной модели элементарных частиц.
Как пояснил соавтор исследования, начальник сектора элементарных частиц Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ Евгений Храмов, все три направления работ посвящены поиску новой физики за пределами Стандартной модели. При этом исследование свойств бозона Хиггса также связано не с прямым поиском новой физики, а с указанием на нее.
«После открытия частицы обязательно нужно исследовать ее свойства. Любые отклонения от теоретических предсказаний будут нам указывать на то, что существует новая физика: новые частицы или гипотезы – в зависимости от того, какое свойство Хиггса отклоняется от теоретических предсказаний Стандартной модели», — прокомментировал Евгений Храмов.
Поиск долгоживущих частиц и тяжелого бозона, в свою очередь, – непосредственный, прямой поиск новой физики: эти частицы пока что так и не были обнаружены детектором, однако теория дает основания предполагать, что они имеют право на существование.
«Многоцелевые детекторы ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере были созданы, прежде всего, для открытия бозона Хиггса и исследования его свойств, а также для поиска новой физики за пределами Стандартной Модели. Первая задача была успешно выполнена – бозон Хиггса был открыт в 2012 году, кроме того, многократно была подтверждена справедливость Стандартной Модели. Поиск новой физики продолжен путем прецизионной проверки свойств бозона Хиггса и попытками обнаружить новые состояния, такие как тяжелый бозон и долгоживущие частицы», — рассказал Евгений Храмов.
Сотрудники ОИЯИ измерили свойства бозона Хиггса, распадающегося на b анти-b пару, и ассоциировано рожденного с W или Z бозоном, распадающимся по лептонному каналу. Для этого они использовали данные протон-протонных столкновений, полученных в 2015 — 2018 гг. детектором ATLAS при энергии √s=13 ТэВ в системе центра масс и соответствующих интегральной светимости 139 фб-1. Исследователи определили рождение бозона Хиггса в ассоциации с W или Z бозоном с наблюдаемой и ожидаемой статистическими значимостями 4.0 (4.1) и 5.3 (5.1) стандартных отклонений, соответственно. Сечения ассоциированного рождения бозона Хиггса, распадающегося на b анти-b пару, с электрослабым калибровочным бозоном W или Z, распадающимся по лептонному каналу, измерены как функция поперечного импульса калибровочного бозона во всей кинематической области. Измеренные значения сечения согласуются с предсказаниями Стандартной Модели, а суммарные погрешности варьируются от 30% в областях высоких значений поперечного импульса калибровочного бозона до 85% в областях их низких значений. Поставлены пределы на параметры эффективного Лагранжиана, чувствительного как к изменениям в процессах рождения WH и ZH, так и к распаду бозона Хиггса на b анти-b пару (см. Рис. 1).
Рис. 1. Слева: мощность сигнала бозона Хиггса, µbbVH,для mH = 125 ГэВ для процессов WH и ZH и их комбинации; справа: измеренные значения сечения рождения VH с распадом V по лептонному каналу и H → bb при различных значениях поперечного импульса векторного бозонаПогрешности достаточно высоки, добавил ученый, поскольку пока что у исследователей не хватает объема накопленных данных в этой области. В дальнейшем результаты будут дополняться и уточняться.
Вторым направлением исследований стал поиск гипотетических долгоживущих частиц, остановившихся в объеме детектора ATLAS: глюино R-адрона, распадающегося на кварк-антикварковую пару и нейтралино. Долгоживущими считаются частицы с предполагаемым временем жизни в пределах от 10 микросекунд до 1000 секунд. Такое время жизни позволяет частице пролететь далеко от точки взаимодействия и распасться уже глубоко в детекторе.
Это исследование было уникально тем, что прежде поиск долгоживущих частиц в объеме ATLAS не проводился.
«Все предыдущие физические анализы на ATLAS подразумевали, что частица рождается в точке взаимодействия двух протонов и распадается там же: время ее жизни настолько маленькое, что она не успевает далеко улететь», — сообщил Евгений Храмов.
Он добавил, что детектирование распада долгоживущих частиц осложняется тем, что его необходимо проводить в промежутках между протон-протонными столкновениями в детекторе.
Распад долгоживущих частиц может создавать адронные струи высоких энергий, приводящие к большим выделениям энергии вне временного окна события в калориметре ATLAS. Такие распады регистрировались с использованием данных, собранных в режиме работы БАК, когда отсутствовали столкновения протонных пучков. Ученые проанализировали набор данных протон-протонных столкновений на LHC при энергии в системе центра масс √s=13 ТэВ, зарегистрированных экспериментом ATLAS в течение 2017 и 2018 годов. Для анализа брались данные, полученные за 579 часов работы установки. На основе этих результатов были поставлены нижние пределы на массу глюино R-адронов с массой более 1.4 ТэВ со временем жизни этой частицы в интервале 10-5 – 103 с в предположении, что вероятность распада B(g̃→qqX̃01)=100% (см. Рис. 2).
Рис. 2. Слева: ожидаемые (пунктирная линия) и измеренные (сплошная линия) пределы на уровне достоверности 95% как функция массы глюино и его времени жизни; справа: ожидаемые (пунктирная линия) и измеренные пределы на сечение рождения сигнала уровне достоверности 95% как функция массы глюиноВ-третьих, ученые ОИЯИ в коллаборации ATLAS исследовали возможность существования заряженного или нейтрального тяжелого бозона, распадающегося по Wγ или Zγ каналам. Для анализа использовался набор данных, полученных в эксперименте ATLAS с теми же параметрами, при которых изучались свойства бозона Хиггса. Чувствительность анализа проверялась на моделях рождения и распада тяжелых бозонов со спином S=0, 1 или 2. Поиск тяжелого резонанса осуществлялся в диапазоне масс от 1.0 ТэВ до 6.8 ТэВ. При таких больших массах чувствительность анализа имеет преимущество при адронном канале распада W и Z бозонов. Никаких признаков сигналов, превышающих фон Стандартной модели, обнаружено не было. Были получены верхние пределы на сечение рождения тяжелых резонансов для различных моделей (см. Рис. 3).
Рис. 3. Верхние пределы на уровне достоверности 95% на сечение рождения с учетом распада по каналу W/Zγ тяжелого резонанса со спином S=0 (вверху слева), со спином S=2 при слиянии пары глюонов (вверху справа), со спином S=2 при взаимодействии кварк-антикварковой пары (внизу слева) и со спином S=1«Как правило, когда мы не обнаруживаем никакой новой частицы, мы ставим предел на ее сечение – минимальную вероятность рождения данной частицы в процессе протон-протонных взаимодействий при данной энергии. Другие ученые в дальнейшем могут пользоваться нашими данными для пересмотра своих моделей. Например, когда мы говорим, что эта частица с определенной массой больше не может рождаться с определенной вероятностью. Соответственно, теоретикам нужно модифицировать теорию, гипотезу так, чтобы вероятность сечения этой частицы была меньше, чем показали экспериментаторы», — сказал Евгений Храмов.
Цикл публикаций «Исследование свойств бозона Хиггса в распаде на b анти-b кварковую пару и поиск Новой физики на установке ATLAS на Большом адронном коллайдере» авторства Ф. Ахмадова (ЛФВЭ), Е.В. Храмова (ЛЯП) и Е.А. Черепановой (ЛЯП) был удостоен поощрительной премии ОИЯИ 2021 года. Работы по всем направлениям, озвученным в нем, продолжаются в ходе сеанса Run3 на LHC (2022 – 2025 годы).