Фізикам з колаборації ATLAS Великого адронного колайдера вперше вдалося надійно зафіксувати розпад бозона Хіггса на чарівний кварк і чарівний антикварк. Це останній з основних каналів розпаду частинки, передбачених Стандартною моделлю і підтверджений експериментально. Одночасно з цим вчені проаналізували останній з основних каналів народження бозона Хіггса в колайдері, тим самим завершивши в загальних рисах картину народження і розпаду частинки. За словами представників ATLAS, тепер фізика бозона Хіггса переходить в нову еру - точних вимірювань. Результати були представлені на конференції ICHEP2018, коротко про них повідомляє офіційний сайт колаборації ATLAS.
Найважливішим завданням, що стояло перед Великим адронним коллайдером в перші роки роботи, був пошук бозона Хіггса. Ця частинка була передбачена Стандартною моделлю, щоб пояснити, звідки береться маса у частинок-переносників слабкої взаємодії (W і Z-бозонів), а також, через взаємодію Юкави, у заряджених лептонів (електронів, мюонів і тау-частинок) і кварків. Загальна ідея механізму Хіггса полягає в тому, що існує спеціальне додаткове поле, з яким всі перераховані частинки взаємодіють. Саме ця взаємодія і проявляється як маса частинок - без неї (і поля Хіггса) всі елементарні частинки були б безмасовими. Бозон Хіггса - елементарне збудження цього поля.
Однак Стандартна модель передбачала не тільки існування нової частинки, а й її властивості. Залежно від маси бозона фізична теорія дозволяла оцінити, як саме він буде народжуватися і розпадатися. У масивного бозона Хіггса кілька каналів (способів) розпаду і кожен реалізується зі своєю ймовірністю, точно передбачуваною Стандартною моделлю.
Після відкриття самого факту існування бозона Хіггса в 2012 році, експерименти ATLAS і CMS перейшли до вимірювань тих самих властивостей відкритого бозона. Якщо ймовірність будь-якого зі шляхів народження або розпаду частинки виявиться меншою або більше передбаченою, то це вкаже на якийсь невідомий процес, що не враховується Стандартною Моделлю. Особливості цього процесу допоможуть фізикам у пошуках Нової фізики за межами Стандартної моделі - більш досконалої фізичної теорії, здатної пояснити надлишок матерії у Всесвіті порівняно з антиматерією і походження темної матерії.
Бозон Хіггса був відкритий завдяки двом каналам розпаду - на два фотони і на чотири лептона (точніше, спочатку на два Z-бозони, а потім на два лептона). Стандартна модель пророкує, що ймовірність цих розпадів становить 0,2 і 2,6 відсотка відповідно. Здавалося б більш часті і, відповідно, більш легкі для спостереження розпади на пару W-бозонів і тау-лептонів (21,5 і 8,6 відсотка розпадів Хіггса), вдалося виділити серед експериментальних даних вже пізніше. І лише зараз, на об'єднаній статистиці Run 1 і Run 2, фізики можуть остаточно стверджувати про спостереження самого головного каналу розпаду бозона Хіггса - на чарівну кварк-антикваркову пару (58 відсотків усіх розпадів).
Головна складність спостереження цього каналу розпаду - велика кількість шумів. Щоб помітити розпади бозона фізики вивчають осколки, що утворюються. Пара короткоживучих чарівних кварків, що народжуються в шуканому процесі, перетворюється на два струмені (b-jet) з частинок - продуктів розпаду кварків. Але проблема в тому, що чарівні кварки і самі по собі народжуються в зіткненнях протонів дуже часто - відрізнити їх струмені від розпадів бозона Хіггса неможливо.
Тому фізики експерименту ATLAS шукали більш рідкісну ситуацію, що включає одночасне народження бозона Хіггса разом з одним з векторних бозонів слабкої взаємодії і розпад всієї системи в цілому. Осколки від такого процесу будуть формувати більш характерну картину - одночасно зі струменями будуть виникати лептони (мюони або електрони). Звичайно, і такий набір осколків не унікальний - він може виникнути в результаті розпаду пари короткоживучих топ-кварків. Щоб відрізнити осколки від розпаду бозона Хіггса від решти фізики дуже акуратно змоделювали фонові розпади і відібрали тільки ті події детекторів, які відповідають дуже суворим критеріям.
Дані Run 2 з енергією зіткнень протонів в 13 тераелектронвольт дозволили «побачити» сигнал від розпадів бозона Хіггса на чарівні кварк і антикварк зі статистичною значимістю в 4,9 стандартних відхилень. Це трохи менше, ніж потрібно для заяви про спостереження ефекту. Щоб переступити позначку в «п'ять сигма» (шанс того, що спостережуваний ефект це випадкова флуктуація, менше одного на три мільйони) фізики об'єднали статистику останніх трьох років роботи колайдера зі статистикою Run 1 (7 і 8 тераелектронвольт), досягнувши значущості в 5,4 сигма.
Крім нового експериментального підтвердження каналу розпаду, фізики заодно достовірно побачили останній з основних передбачених каналів народження бозона Хіггса спільно з векторним бозоном. Обидва нові спостереження добре узгоджуються зі Стандартною моделлю. Майбутні плани експериментаторів пов'язані вже з більш точним визначенням параметрів нових процесів.
Крім цього, шанси на пошуки слідів Нової фізики залишаються в дослідженнях надзвичайно рідкісних процесів, детальніше про які можна прочитати в наших матеріалах "Раритети мікроміру" і "Раритети мікроміру: Повернення невловимих ".