В августе 2023 года эксперимент ATLAS, который проводится на Большом адронном коллайдере (БАК), опубликовал статьи, подводящие итоги первого и второго сеансов набора экспериментальных данных. В публикациях приводится значения массы бозона Хиггса и эффективного времени жизни Bs0 мезона для редкого распада Bs0 → μ+μ–.
Эксперименты БАК продолжают обработку данных, набранных в ходе второго этапа работы ускорителя. В августе эксперимент ATLAS подвел итоги измерения массы бозона Хиггса (H).
Напомним, что бозон Хиггса является квантом скалярного вакуумного поля, заполняющего нашу Вселенную. Его существование было предсказано еще в 60-х года прошлого века, а сама частица была открыта только в 2012 году в экспериментах ATLAS и CMS на БАК. В Стандартной Модели (СМ) физики частиц, механизм Энглера-Браута-Хиггса дает массу всем элементарным частицам (векторным бозонам, кваркам, заряженным лептонам). При этом, чем массивнее частица, тем интенсивнее бозон Хиггса взаимодействует с ней. Для расчетов важно как можно точнее знать массу бозона хиггса H. Следует особо отметить, что масса хиггсовской частицы сама по себе является параметром СМ, то есть не может быть выведена из других параметров этой теории. Таким образом измерение mH является измерением одной из фундаментальных констант нашего мира.
Распады бозона Хиггса изучают по пяти каналам: распад на два фотона, на два Z-бозона (с последующими распадами Z на пары лептон-антилептон), на два τ-лептона, на W+W– пару и на пару b-кварков. При этом первые два канала распада позволяют экспериментально зафиксировать все частицы из распада H, а значит точно измерить массу распадающейся частицы.
Недавно эксперимент ATLAS направил в печать (и разместил в электронном архиве препринтов) две работы по это тематике. В первой рассказывается про измерение mH в распаде H → γγ, выполненного на всей статистике, набранной в ходе второго этапа работы БАК, а во второй – про объединение этих результатов и данных, полученных из канала распада на четыре лептона.
Пока что в обще неопределенности этого измерения доминирую статистические погрешности, а значит с увеличением статистики можно надеяться на улучшение точности.
Следующей важной задаче является объединение полученных значений с измерениями эксперимента CMS.
Другой интересной работой, выпущенной экспериментом ATLAS в августе, стало измерение эффективного времени жизни Bs0 мезона для редкого распада Bs0 → μ+μ– (обозначается τμμ). Такие измерения являются, еще одним возможным инструментом для косвенного поиска эффектов, выходящих за пределы СМ. Казалось бы, зачем использовать для такого измерения очень редкий канал распада, ведь доступны намного более интенсивные процессы! Дело в том, что собственное состояние по аромату Bs0 является смесью двух массовых состояний, для которых определены не только массы, но и времена жизни. В СМ только тяжелое состояние может распадаться на пару μ+μ–, но Новая физика может нарушить этот сценарий.
На сегодняшний день τμμ измеряли в экспериментах LHCb и CMS, в которых получены значения 2,07 ± 0,29 пс и 1.83−0.20+0.23 пс, соответственно. Теперь для этой величины стали доступны и измерения ATLAS. На рисунке 3 показано как выглядит выделенный сигнал исследуемого распада, а на рисунке 4 приведено распределение сигнальных событий по времени жизни. Спектр по времени жизни определяется как величиной τμμ, так и аксептансом и эффективностями реконструкции и отбора. Последние можно получить путем Монте-Карло моделирования (MC), а значит извлечь эффективное время жизни.
Измеренное экспериментом ATLAS эффективное время жизни оказалось немного меньше величин, полученных LHCb и CMS:
τμμ= (0.99−0.07+0.42стат. ± 0.17сист. пс, однако погрешности измерения все же еще велики. Это еще не окончательное значение эксперимента ATLAS, так как проанализированы только данные 2015-16 гг. Примечательно, что наивное усреднение результатов трех измерений в точности совпадает с предсказаниями СМ.
В заключении следует отметить, что сотрудники Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ принимают активное участие в работе эксперимента ATLAS и являются соавторами научных работ, направленных в печать.