Распад бозона Хиггса на частицы материи еще сильнее указывает на его стандартность

Две главных коллаборации, работающие на Большом адронном коллайдере, представили новые результаты по распаду бозона Хиггса на фундаментальные частицы материи — кварки и лептоны. Их совместные данные впервые доказывают, что этот распад действительно идет, и служат дополнительным свидетельством в пользу того, что обнаруженный бозон Хиггса — самый стандартный из всех ожидавшихся вариантов.

Открытие бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере стало самым ярким экспериментальным достижением в физике элементарных частиц за последнее время. Для физиков это означало долгожданный переход от десятилетий поисков к изучению характеристик этого бозона. Они надеялись, что, обнаружив какие-то необычные его свойства, какие-то отклонения от предсказаний Стандартной модели, они смогут впервые почувствовать то фундаментальное устройство нашего мира, которое должно лежать под этой классической картиной. К сожалению, после того как первое воодушевление угасло, стало ясно, что полученные данные пока не демонстрируют никакого отличия от стандартного бозона Хиггса. Подробные сводки данных см. на страницах Поиск бозона Хиггса: результаты и Изучение бозона Хиггса.

«Элементы» неоднократно рассказывали, что такое хиггсовский механизм, отголоском которого является бозон Хиггса. Для этой новости полезно особо подчеркнуть одно его свойство. Изначально хиггсовский механизм был придуман лишь для того, чтобы давать массы калибровочным бозонам (то есть W- и Z-бозонам, переносчикам слабого взаимодействия) и не нарушать при этом другие важные свойства калибровочной теории. В такой формулировке не требовалось, чтобы то же самое поле Хиггса давало еще массы частицам вещества — кваркам и лептонам, то есть известным сейчас фундаментальным фермионам.

В рамках Стандартной модели, где больше просто нечему обеспечить фермионам массивность, эту дополнительную повинность тоже «навесили» на поле Хиггса. Именно поэтому стандартный бозон Хиггса должен «уметь» распадаться не только на W- и Z-бозоны, но и на фермионы. Наиболее частыми среди этих распадов должны быть распады на фермионы, самые тяжелые из доступных по закону сохранения энергии, — на b-анти-b-пару и на тау-анти-тау-лептонную пару (рис. 1). Если же отойти от Стандартной модели, то в неминимальных вариантах теории вполне допустимы ситуации, когда хиггсовских полей несколько, так что одно из них дает массу W- и Z-бозонам, а другие — фермионам. Поэтому вполне могло бы получиться, что какой-то определенный бозон Хиггса, который кажется вполне стандартным при распаде на W- и Z-пары, будет вести себя необычно в распадах на фермионы или даже вообще не захочет на них распадаться. Это было бы очень ярким проявлением Новой физики.

Теперь важный момент: тот хиггсовский бозон, который был открыт в 2012 году, был надежно зарегистрирован только в распадах на бозоны. Либо это распад на два фотона (H → γγ), либо распад на два Z-бозона с их последующим распадом на четыре лептона (H → ZZ → 4l), либо распад на два W-бозона, с их последующим распадом на лептоны (H → WW → lνlν). Сводку результатов по состоянию на июль этого года см. в новости Обновлены данные ATLAS и CMS по хиггсовскому бозону («Элементы», 07.07.2013).

Распады на фермионы до сих пор не были надежно зарегистрированы. Некоторые намеки на распады на b-кварки и на тау-лептоны в данных, конечно, прослеживались, но статистическая значимость этих намеков была невелика, меньше 3 стандартных отклонений (3σ). Связано это было с тем, что такие распады не слишком сильно бросаются в глаза. Во-первых, их вероятность не очень велика, а во-вторых, это не такие уже и «чистые» события распада — ведь для их регистрации нужно анализировать не только лептоны, но и адроны. Даже тау-лептон регистрируется не непосредственно, а через свои продукты распада, и в большинстве случаев они включают адроны. По этой причине «выцарапывать» эти события из всей накопленной статистики гораздо труднее, поскольку физикам приходится бороться с сильным фоном от похожих событий, но без хиггсовского бозона.

Отдельной строкой надо еще упомянуть результаты Тэватрона: в 2012 году он тоже стал видеть намеки на хиггсовский бозон в b-анти-b-канале распада на уровне статистической значимости почти 3σ.

Сейчас обе крупнейшие коллаборации наконец-то завершили анализ распадов на эти частицы. В конце ноября и начале декабря в ЦЕРНе прошли два семинара, на которых сначала ATLAS, а потом и CMS сообщили о своих результатах по измерению распада бозона Хиггса на фермионы. Краткие сводки результатов доступны также на страницах хиггсовских данных ATLAS и CMS. Впрочем, до появления полновесных статей эти данные следует считать предварительными. Кроме того, два месяца назад коллаборация CMS уже представляла свои данные по измерению распада хиггсовского бозона на b-кварки.

Обе коллаборации для этого анализа обработали весь накопленный к настоящему моменту объем статистики. Поиск распада бозона Хиггса на тау-лептоны велся всеми доступными способами — через адронные и через лептонные распады каждого тау. Всего было найдено несколько тысяч событий, похожих на рождение двух тау-лептонов, но в основном это был фон: рождение и распад Z-бозона на два тау-лептона или на лептоны и адроны, рождение и распад топ-кварков и некоторые другие процессы (рис. 2). Сколько среди них настоящих хиггсовских событий, без дополнительного анализа сказать невозможно. В этом кропотливом анализе заключалась основная трудность работы. После того как он был завершен, оказалось, что хиггсовских событий получается примерно столько же, сколько и ожидалось от стандартного бозона Хиггса.

В случае распада на b-кварки требовалось регистрировать рождение не одиночного бозона Хиггса, а его в паре с W- или Z-бозоном (так называемое WH- или ZH-рождение, см. рис. 1 на странице Рождение и распад хиггсовского бозона). При этом дополнительный бозон детектируется через свой лептонный распад, а в оставшемся адронном потоке требуется выделять две b-струи, порожденные b-кварками.

Для удобного представления полученных результатов физики вычисляют отношение реально зарегистрированных распадов бозона Хиггса в какой-то набор частиц к предсказаниям Стандартной модели и обозначают его через μ. Значение μ = 1 отвечает полностью стандартному бозону Хиггса, значение μ = 0 означает, что бозон Хиггса вообще не зарегистрирован в этом канале распада, значение μ существенно больше 1 означает, что этот распад усилен. Поиск Новой физики в этих распадах — это, фактически, поиск хоть какого-то примера, в котором измеренное значение μ статистически достоверно отличалось бы от единицы.

Предыдущие сводки измеренных величин μ приведены на страничке Изучение бозона Хиггса. Новые значения μ для распадов на b-анти-b-пары и на тау-лептоны, полученные коллаборациями ATLAS и CMS, таковы:

ATLAS: μ_ττ = 1,4^+0,5_−0,4; μ_bb = 0,2^+0,7_−0,2;
CMS: μ_ττ = 0,87 ± 0,29; μ_bb = 1,0 ± 0,5.

Для тау-лептонной пары статистическая значимость сигнала составила 4,1σ (ATLAS) и 3,4σ (CMS). Иными словами, оба детектора вместе доказали, что распад хиггсовского бозона на тау-лептоны действительно идет и что он вполне похож на стандартный, поскольку μ_ττ вполне согласуется с единицей. Что касается распада на b-кварки, то здесь две группы пока дают непохожие результаты. Данные ATLAS пока что вообще не указывают на этот распад, в то время как CMS видит этот распад ровно на том уровне, который ожидается в Стандартной модели. Впрочем, погрешности тут велики, поэтому ни о каком серьезном расхождении речи пока не идет.

Что же получается в итоге? Во-первых, если объединить все данные, то можно считать доказанным, что бозон Хиггса действительно распадается на фундаментальные частицы материи, а не только на бозоны-переносчики электрослабых взаимодействий. Во-вторых, измеренные вероятности распадов и здесь вполне согласуются со Стандартной моделью. Конечно, точность тут не слишком велика, но никаких существенных отклонений от Стандартной модели не видно.

Таким образом, развитие событий по-прежнему идет по пессимистическому сценарию. LHC обнаружил бозон Хиггса, очень похожий на стандартный, и не видит никаких экспериментальных указаний на физику за пределами Стандартной модели. Конечно, сам коллайдер в этом не виноват — он-то работает отлично, просто природа оказалась именно такова. Это значит, что скорее всего никаких исключительно ярких открытий в свойствах бозона Хиггса ожидать на LHC не стоит. Если что-то выходящее за рамки Стандартной модели и будет обнаружено, то оно будет проявляться лишь как небольшое отличие и вряд ли сможет обладать большой статистической значимостью. Существенные новости тут стоит теперь ожидать только ближе к концу 2015 года, когда коллайдер заработает на повышенной энергии и будет обработана первая порция новых данных.