На Большом адронном коллайдере увидели редкий распад бозона Хиггса на два мюона.

Эксперименты CMS и ATLAS независимо друг от друга заявили об экспериментальном обнаружении распада бозона Хиггса на два мюона. Анализ данных по протон-протонным столкновениям с энергией 13 тераэлектронвольт в системе центра масс показал, что вероятность этого канала распада в пределах погрешности совпала с предсказаниями Стандартной модели. Это первый зарегистрированный учеными распад бозона Хиггса на частицы второго поколения, что очень важно для фундаментальной физики. Новые данные анонсировали на конференции ICHEP, также ATLAS рассказывает о своих результатах в препринте, а CMS выложил отчет на сайте CERN.

Начиная с открытия бозона Хиггса в 2012 году, ученые в ЦЕРНе подробно изучают его свойства и то, как он взаимодействует с другими элементарными частицами. Согласно Стандартной модели — одной из самых точных и однозначно самой распространенной теории в физике элементарных частиц — бозон Хиггса обладает невероятно коротким временем жизни порядка 10-22 секунды, и сразу после своего рождения должен распадаться. Каналы его распада и их вероятности строго предсказаны теорией, и любое отклонение от этих предсказаний может служить знаком Новой физики за пределами Стандартной модели. Поэтому одной из главных задач экспериментов CMS и ATLAS после открытия знаменитого бозона было накопление данных о его редких распадах.

Одними из главных каналов распада бозона Хиггса являются распады на фермионы — частицы с полуцелым спином. При этом чем больше масса фермиона, тем больше вероятность регистрации распада бозона Хиггса с его участием. Уже были обнаружены распады этой частицы на b-кварк и b-антикварк, а также на два тау-лептона. Эти частицы — одни из самых тяжелых представителей своего класса, и относятся к третьему поколению частиц в Стандартной модели. Но сейчас особо важной задачей для физиков является поиск распадов бозона Хиггса на более легкие частицы первого и второго поколения, вероятность которых существенно ниже уже регулярно наблюдаемых процессов.

Именно ко второму поколению элементарных частиц и относятся мюоны, на которые бозон Хиггса распался в свежих экспериментальных данных CERN. Всего по такому каналу проходит примерно 1 из 5000 всевозможных распадов бозона Хиггса, что делает его самым редким из ныне зарегистрированных распадов этой частицы. Согласно новым данным, и ATLAS, и CMS в пределах погрешности попали в предсказания Стандартной модели по вероятности зарегистрированного распада. Тем не менее в результатах двух экспериментов есть отличия в достигнутой статистической точности доказательства существования распада бозона Хиггса на два мюона: CMS достиг показателя 3 σ, а ATLAS — только 2 σ. Это означает, что в случае CMS полученные данные могут оказаться статистической флуктуацией в одном случае из 700, в то время как ATLAS может говорить об ошибке в одном случае из 40.

Отдельную сложность в регистрации распада бозона Хиггса на два мюона составляет тот факт, что мюонная пара может родиться в сотнях различных регистрируемых событий, во многообразии которых необходимо найти единственный нужный распад. Для этого физики искали в экспериментальных данных такие два мюона, что сумма их масс равна массе бозона Хиггса, которая составляет 125 гигаэлектронвольт. При этом такие мюоны должны вылетать из одной точки пространства, что делает необходимым анализ не только их энергии, но и направления их движения. В решении этой задачи были использованы машинное обучение, многоступенчатое моделирование фоновых процессов, и многие другие техники улучшения чувствительности регистрации искомого распада.

Конечно, исследователи в CERN не останавливаются на этом достижении. С началом работы обновленного Большого адронного коллайдера с увеличенной светимостью ученые продолжат собирать данные по этому редкому распаду, тем самым планируя выйти на статистическую точность в 5 σ и с полной уверенностью заявить об открытии распада бозона Хиггса на два мюона. Это также позволит увеличить точность в определении вероятности данного распада, что, в случае совпадения новых данных со Стандартной моделью, позволит еще сильнее ограничить Новую физику.