Коллаборация ATLAS представила значимые новые результаты по изучению свойств бозона Хиггса на конференции EPS-HEP 2025 в Марселе. Учёные сосредоточились на двух экстремально редких каналах распада этой фундаментальной частицы. Первый – распад бозона Хиггса на пару мюонов (H → μμ), происходящий один раз на 5000 случаев. Исследование этого распада важно для понимания взаимодействия бозона Хиггса с фермионами второго поколения и для прояснения механизма возникновения массы у частиц разных поколений. До сих пор подобные взаимодействия наблюдались только для частиц третьего, наиболее тяжёлого поколения: тау-лептона, t-кварка и b-кварка.
Второй исследуемый процесс – распад бозона Хиггса на Z-бозон и фотон (H → Zγ), при этом Z-бозон впоследствии распадается на пару электронов или мюонов. Этот редкий распад представляет особый интерес, поскольку происходит через сложный промежуточный "петлевой" процесс с участием виртуальных частиц. Вклад в эту петлю неизвестных частиц мог бы стать указанием на существование физики за пределами Стандартной модели.
Выявление этих редких распадов сопряжено с огромными трудностями. Для поиска H → μμ исследователи анализировали данные в поисках небольшого избытка событий, сгруппированных около массы пары мюонов в 125 ГэВ (что соответствует массе бозона Хиггса). Этот слабый сигнал легко теряется на фоне тысяч пар мюонов, рождающихся в других процессах столкновений. Выделить распад H → Zγ ещё сложнее, так как Z-бозон распадается на электронную или мюонную пару только в 6% случаев, а сигналы фотонов часто маскируются «имитацией» со стороны струй адронов (джетов).
Учёные приблизились к разгадке одной из величайших тайн Вселенной: коллаборация ATLAS обнаружила невероятно редкие распады бозона Хиггса
Событие распада кандидата в бозон Хиггса на два мюона (H→μμ), показанное красными треками в детекторе. Источник: ATLAS / CERN
Для повышения чувствительности поиска физики ATLAS объединили данные первых трёх лет работы Большого адронного коллайдера (БАК) в рамках текущего сеанса Run 3 с полным набором данных предыдущего сеанса Run 2. Кроме того, были разработаны усовершенствованные методы моделирования фоновых процессов, события классифицировали по специфическим режимам рождения бозона Хиггса (глю-глю, вектор-бозон слияние, ассоциированное рождение с топ-кварками или векторными бозонами), и внедрены улучшения в методики отбора событий.
В предыдущих поисках распада H → μμ с использованием полного набора данных Run 2 коллаборация ATLAS обнаружила первый намёк на этот процесс на уровне статистической значимости 2 стандартных отклонения (сигма), в то время как коллаборация CMS зарегистрировала значимость в 3 сигмы (при ожидаемой чувствительности 2,5 сигма). Теперь, с объединёнными наборами данных Run 2 и Run 3, коллаборации ATLAS удалось достичь значимости 3,4 сигма (при ожидаемых 2,5 сигма). Это означает, что вероятность того, что наблюдаемый избыок событий является статистической флуктуацией фона, составляет менее 1 к 3000.
Что касается процесса H → Zγ, то предыдущий объединённый анализ данных Run 2 от ATLAS и CMS показал избыток событий по сравнению с фоновой гипотезой на уровне 3,4 сигма (ожидалось 1,6 сигма). Последний результат ATLAS, основанный на объединении данных Run 2 и Run 3, показал избыток с значимостью 2,5 сигма. Ожидаемая чувствительность этого нового анализа составляет 1,9 сигма, что является наиболее строгой на сегодняшний день оценкой для измерения вероятности этого распада (коэффициента ветвления) H → Zγ.
Эти достижения стали возможны благодаря рекордному объёму высококачественных данных, предоставленных БАК, превосходной эффективности и производительности детектора ATLAS, а также применению передовых методов анализа. С учётом перспективы получения новых данных в ходе продолжающейся работы БАК исследования редких распадов бозона Хиггса активно продолжаются.