ICHEP 2018: все основные каналы рождения и распада бозона Хиггса окончательно подтверждены

Рис. 1. Четыре основных канала рождения бозона Хиггса. Адаптированные изображения с сайта Physics of and with Leptons

Когда физики запускали Большой адронный коллайдер и готовились к охоте на бозона Хиггса, они заранее понимали, что рождаться он может разными способами (рис. 1). Наиболее вероятный вариант рождения — в прямом столкновении двух глюонов; именно так в 2012 году хиггсовский бозон и был открыт. Другие механизмы рождения тоже исключительно полезны для изучения хиггсовского механизма (а через него — и для поиска Новой физики), но из-за малого сечения и более сложного конечного состояния их труднее отделять от фона. Тем не менее, благодаря всё более прозорливым методикам классификации событий, эти процессы рождения тоже удалось отследить. Под напором новых данных их статистическая значимость неуклонно росла. Было ясно, что рано или поздно она перевалит через заветные 5σ, и соответствующий канал рождения будет считаться окончательно открытым.

Весной этого года обе крупнейшие коллаборации Большого адронного коллайдера, ATLAS и CMS, объявили, что наконец-то открыт канал рождения ttH. И вот сейчас, на конференции ICHEP 2018, последовало заявление от ATLAS, что окончательно открыты все четыре основных канала рождения (см. доклад T. Carli. ATLAS+ALICE highlights). Об открытии рождения бозона Хиггса в сопровождении W- или Z-бозона (канал VH) сообщает предварительная публикация ATLAS-CONF-2018-036, а процесс слияния WW- или ZZ-пары упомянут в сводной публикации ATLAS-CONF-2018-031. Популярный обзор текущей ситуации дан также в публикации Combined measurements of Higgs boson couplings reach new level of precision на сайте коллаборации.

Конечно, физиков интересует не только сам факт, что хиггсовский бозон может рождаться разными способами, но и точные вероятности рождения по тому или иному каналу. Именно эти вероятности способна вычислить теория, но предсказания разнятся для Стандартной модели и для многочисленных вариантов Новой физики. Измерения можно наглядно сравнивать с теоретическими ожиданиями с помощью интенсивности хиггсовского сигнала — отношения измеренного сечения рождения и предсказанного в рамках СМ. Это отношение для всех четырех вариантов рождения приведено на рис. 2, причем канал VH здесь разбит на две составляющие, WH и ZH. В пределах погрешностей все отмеченные точки не противоречат единице; иными словами, данные не показывают никаких существенных отклонений от Стандартной модели. Детальное разбиение сигнала по всем каналам рождения и распада можно найти на рис. 5 публикации ATLAS-CONF-2018-031.

Рис. 2. Интенсивность хиггсовского сигнала в основных процессах рождения бозона Хиггса по данным ATLAS. Черные точки — экспериментальные данные с их погрешностями, красная полоса на единице с серой областью — предсказание Стандартной модели с теоретическими погрешностями. Обозначения: ggF — столкновение глюонов; VBF — слияние WW- или ZZ-пар; WH и ZH — две составляющие процесса VH; ttH+tH — рождение бозона Хиггса вместе с топ-кварками. Изображение с сайта atlas.web.cern.ch

Стоит отметить, что предварительная публикация ATLAS-CONF-2018-036 сообщает также об окончательном открытии доминирующего канала распада бозона Хиггса — на b-кварк-антикварковую пару (популярный рассказ об этом результате см. в заметке Higgs boson observed decaying to b quarks — at last!). Несмотря на то что в 58% случаев бозон Хиггса распадается именно так, долгое время этот канал распада открыть не удавалось из-за огромного фона. Первые намеки на регистрацию этого процесса стали появляться только в прошлом году (см. новость LHC наконец-то видит основной распад бозона Хиггса), и это был именно тот случай, когда неосновные каналы рождения помогают исследовать определенный канал распада. Сейчас, благодаря данным 2017 года, и этот результат «дорос» до полноценного открытия (рис. 3).

Рис. 3. Распределение событий, прошедших строгий отбор, по инвариантной массе пары b-анти-b. Черные точки — экспериментальные данные с погрешностями, серая гистограмма — остаточный неустранимый фон, красная область — хиггсовский сигнал в VH-канале рождения и bb-канале распада. Изображение с сайта atlas.web.cern.ch

В целом можно сказать, что в этом году исследования бозона Хиггса переходят через некий психологический рубеж. Период экспериментальной неопределенности и связанных с ней надежд на сенсацию позади. Все основные каналы рождения и распада открыты. К сожалению, все они в пределах погрешностей согласуются со Стандартной моделью. Надо быть отъявленным оптимистом, чтобы полагать, что в этих хорошо измеренных каналах ситуация способна кардинально измениться до запуска HL-LHC, то есть до 2026 года. Поэтому пока что дальнейший прогресс в хиггсовской физике будет связан не с сенсациями, я с планомерным наступлением по широкому фронту, со всё более точными измерениями этих величин. Параллельно будут продолжаться поиски редких эффектов в хиггсовской физике, но появятся ли тут какие-то новые поводы для воодушевления теоретиков, мы узнаем по окончании сеанса Run 2.