Бозон хиггса распадается на два фотона: . . , “ — ”, . . . . -. . .-. , 19:4 (2015), 650–657

Поиск новых распадов бозона Хиггса продолжается

• Рис. 1. Основные диаграммы, описывающие распад бозона Хиггса на два фотона.

  фото взято https://www.quantumdiaries.org/2012/07/03/what-to-look-for-the-higgs-to-gamma-gamma-branching-ratio/

• Рис. 2. Распределение событий-кандидатов (для категории 2мюона+объединенные струи) по массе. Гистограммы, закрашенные разными цветами, описывают вклад фоновых процессов.

  фото взято https://cds.cern.ch/record/2682638?ln=en

• Рис. 3. Распределение событий по инвариантной массе двух реконструированных мюонов. На нижнем рисунке показано отношение данных к предсказаниям Стандартной модели

  фото взято https://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/CONFNOTES/ATLAS-CONF-2019-028/#figures

Пятница, 19 июля 2019

Бозон Хиггса (H), открытый в 2012 году экспериментами ATLAS и CMS, которые проходят на Большом адронном коллайдере (БАК), остается интереснейшим объектом для исследований. Физики ищут новые каналы его распада. На проходящей в Генте (Бельгия) конференции EPS-HEP эксперимент ATLAS отчитался о поиске распадов H → μ⁺μ^—, а CMS – о поисках распада этой частицы на пару c-кварк–анти-с-кварк.

Бозон Хиггса и соответствующее ему скалярное поле играют особую роль в Стандартной модели (СМ) физики элементарных частиц: именно они генерируют массу элементарных частиц. При этом СМ предсказывает, что интенсивность распадов H тем выше, чем больше масса частиц, в которые он распадается. На сегодняшний день открыто пять каналов распада бозона Хиггса: распад на два фотона; на два τ-лептона; на два Z-бозона; на W⁺W^– пару; на пару b-кварк – анти-b-кварк.

В каждом из этих распадов появляется пара частица-античастица (γ и Z являются античастицами самим себе). Следует также заметить, что распад на два безмассовых фотона идет через образование виртуальной пары t-кварк – анти-t-кварк (см. рисунок 1), а t-кварки самые тяжелые частицы СМ. Сейчас эксперименты БАК заняты поиском распадов H на более лёгкие частицы. На проходящей в эти дни в бельгийском городе Генте конференции Европейского физического общества два самых больших эксперимента БАК отчитались об этих поисках.

Эксперимент CMS рассказал о поисках распада бозона Хиггса на пару c-кварк–анти-с-кварк. Согласно предсказаниям СМ, интенсивность этого процесса примерно в 20 раз меньше, чем интенсивность распада по b – анти-b каналу. Распады H в кварки очень трудно регистрировать из-за огромных адронных фонов, возникающих при взаимодействии ультрарелятивистких протонов БАК. Чтобы снизить фоновую компоненту, физики сосредоточились на исследованиях распадов H, образовавшихся в паре с тяжелым векторным бозоном (W или Z, т.н. VH-рождение). Ключевой особенностью представленного анализа данных являлось выделение струй, порожденных именно очарованными кварками. Для решения этой задачи применялись методы машинного обучения. На рисунке 2 показано, как выглядит спектр для одной из категорий отобранных событий. Сигнала от распадов бозона Хиггса зафиксировано не было, что, впрочем, ожидалось по СМ.

Объединив все категории событий, физики CMS получили ограничение на величину (σ^VHxBR(H→cc))/(σ^VH_SMxBR_SM(H→cc))=70 на уровне доверительной вероятности 95%, при том, что ожидалось чувствительность порядка  37⁺¹⁶_–10. В формуле σ_VH обозначает сечение VH-процесса, BR – вероятность распада на c – анти-c-кварк, а индексом SM обозначаются предсказания Стандартной модели.

Эксперимент ATLAS изучал распад бозона Хиггса по μ⁺μ^—-каналу. Этот распад также является редким и позволяет изучать взаимодействие бозона Хиггса с фермионами второго поколения. Вероятность такого распада в 300 раз меньше, чем вероятность распада на более тяжелый τ-лептон, о котором сообщалось ранее. В отличие от распада бозона Хиггса на кварки, канал распада на мюон и антимюон является более «чистым», так как лептоны реконструировать легче, чем струи. Несмотря на это, проблема сокращения числа и правильной оценки фоновых событий является одной из серьезных задач данного анализа. При этом восстанавливается спектр по т.н. «инвариантной массе» двух мюонов. Результат, представленный на рисунке 3, был получен с использованием всех данных, полученных в ходе второго этапа работы БАК (2015-2018 гг. ). Статистически значимых отклонений от предсказаний СМ, как видно из рисунка 3, обнаружено не было. В результате физики эксперимента ATLAS получили верхнее ограничение для вероятности распада бозона Хиггса на два мюона, которое составило BR(H→μμ) < 3.8×10^-4 (для уровня доверительной вероятности 95%).

Ученые эксперимента ATLAS нашли множество случаев очень редкого вида распада бозона Хиггса на Z-бозон и фотон

Новости

26 июня 2020

—

dailytechinfo.org

Бозон Хиггса был открыт учеными Европейской организации ядерных исследований CERN в 2012 году. Признаками существования бозона Хиггса, зарегистрированными высокочувствительными датчиками экспериментов ATLAS и CMS Большого Адронного Коллайдера, стали случаи распада бозона на пары фотонов, W- и Z-бозоны.

С того времени физики существенно углубили понимание свойств частицы, которая долгое время являлась последней недостающей частью Стандартной модели, благодаря изучению случаев распада бозона Хиггса на пары тау-лептонов и нижнего кварка, в которых были также задействованы и истинные кварки. Однако, и по сей день остается открытым вопрос — может ли бозон Хиггса взаимодействовать с пока еще неизвестными частицами или видами фундаментальных сил?

Спустя восемь лет с момента обнаружения, ученые эксперимента ATLAS зарегистрировали порядка 90 процентов видов распада бозона Хиггса, которые предсказаны Стандартной моделью. Среди видов распада, который достаточно долго ускользал от внимания ученых, является распад Zy, распад на Z-бозон и фотон. Этот вид распада особенно интересен для физиков из-за того, что в нем принимает участие некая тяжелая «виртуальная» (возможно новая) частица. Для поисков этого вида распада ученые использовали набор данных LHC Run-2, в котором содержится почти в четыре раза больше записей о событиях с участием бозона Хиггса, чем в наборах данных, собранных в предыдущие периоды работы коллайдера.

Согласно предсказаниям Стандартной модели всего 0.15 процентов бозонов Хиггса распадается путем Zy, что сопоставимо с уровнем распада этого бозона на два фотона. Однако, в отличие от фотонов, Z-бозон немедленно распадается на другие частицы, что существенно затрудняет наблюдение за всем этим. О наличии Z-бозонов можно лишь догадаться по характерным следам их распада, которые содержат пары электронов или мюонов. С учетом чувствительности существующего оборудования только 7 процентов Zy-распада бозона Хиггса могут быть зарегистрированы и изучены, предоставляя ученым крупинки бесценной информации.

Чтобы отделить интересующие события с участием бозона Хиггса от шумов и фоновых процессов, ученые эксперимента ATLAS выполнили специальную подгонку распределения масс при процессе восстановления Z-бозона из следов его распада. Кроме этого, ученые разделили события с участием бозона Хиггса на несколько категорий, каждая из которых имела собственное значение соотношения сигнала к шуму. Все это позволило ученым построить своего рода «виртуальное дерево событий», одной из «ветвью» которого являлся распад бозона Хиггса на фотон и Z-бозон, который, в свою очередь, распался на пары мюонов или электронов.

Однако, проведенный учеными поиск принес весьма туманные результаты, уровень найденных случаев распада Zy оказался в два раза выше уровня, предсказанного Стандартной моделью. К тому же, результаты данных исследований имеют уровень стандартного отклонения в 2.2 сигма, в то время, как для признания результата открытием требуется уровень в 5 сигма. Однако, имеющихся сейчас данных уже достаточно ученым для того, чтобы с 95-процентной вероятностью утверждать, что уровень Zy-распада в реальности в 3.6 раза выше уровня, предсказанного Стандартной моделью. А окончательную точку над «i» помогут поставить лишь дополнительные данные, которые будут собраны в будущем, и в которых будет содержаться большее количество записей о случаях Zy-распада бозона Хиггса.

Поделиться

Отправить

Твитнуть

Отправить

Научный портал «Атомная энергия 2.0“ – это открытое к сотрудничеству прогрессивное цифровое СМИ с элементами управления ядерными знаниями, семантического анализа и ценностного лидерства, ставящее своей целью решение ключевых социально-ориентированных задач фундаментальной системообразующей атомной отрасли:

– образования и общения широкой общественности и специалистов об инновационном развитии экологически устойчивых, эффективных и полезных ядерных и радиационных наук и технологий в России и мире,

– формирования популярного сообщества ученых, инноваторов, деловых, государственных, общественных и экологических лидеров, открыто поддерживающих их дальнейшее развитие и изучение,

– формирования популярного сообщества компаний и организаций, открыто обменивающихся передовым опытом, знаниями, культурой, возможностями, инновациями и инициативами,

– и поддержки и привлечения талантливой и амбициозной молодежи к реализации длительных и успешных профессиональных карьер в атомной и смежных индустриях.

Мы предлагаем Вашей организации стать одним из партнеров нашего просветительского проекта и получить уникальный пакет профессиональных коммуникационных и рекламных услуг.

Почему нужна атомная энергетика?

Бозон Хиггса (перевод) / Хабр

Мы, коллектив Quantuz, (пытаемся вступить в сообщество GT) предлагаем наш перевод раздела сайта particleadventure.org, посвященного бозону Хиггса. В данном тексте мы исключили неинформативные картинки (полный вариант см. в оригинале). Материал будет интересен всем интересующимся последними достижениями прикладной физики.

Роль бозона Хиггса

Бозон Хиггса был последней частицей открытой в Стандартной Модели. Это критический компонент теории. Его открытие помогло подтвердить механизм того, как фундаментальные частицы приобретают массу. Эти фундаментальные частицы в Стандартной Модели являются кварками, лептонами и частицами-переносчиками силы.

Теория 1964-го года

В 1964 году шестеро физиков-теоретиков выдвинули гипотезу существования нового поля (подобно электромагнитному), которым заполнено все пространство и решает критическую проблему в нашем понимании вселенной.

Независимо от этого другие физики построили теорию фундаментальных частиц, названную в итоге «Стандартной Моделью», которая обеспечивала феноменальную точность (экспериментальная точность некоторых частей Стандартной Модели достигает 1 к 10 миллиардам. Это равнозначно предсказанию расстояния между Нью-Йорком и Сан-Франциско с точностью около 0.4 мм). Эти усилия оказались тесно взаимосвязаны. Стандартная Модель нуждалась в механизме приобретения частицами массы. Полевую теорию разработали Питер Хиггс, Роберт Браут, Франсуа Энглер, Джералд Гуралник, Карл Хаген и Томас Киббл.

Бозон

Питер Хиггс понял, что по аналогии с другими квантовыми полями должна существовать частица, связанная с этим новым полем. Она должна иметь спин равным нулю и, таким образом, являться бозоном – частицей с целым спином (в отличие от фермионов, у которых спин полуцелый: 1/2, 3/2 и т.д.). И действительно он вскоре стал известен как Бозон Хиггса. Единственным его недостатком было то, что его никто не видел.

Какова масса бозона?

К несчастью, теория, предсказывающая бозон, не уточняла его массу. Прошли годы, пока не стало ясно, что бозон Хиггса должен быть экстремально тяжелым и, скорее всего, за пределами досягаемости для установок, построенных до Большого Адронного Коллайдера (БАК).

Помните, что согласно E=mc², чем больше масса частицы, тем больше энергии надо для ее создания.

В то время, когда БАК начал сбор данных в 2010, эксперименты на других ускорителях показали, что масса бозона Хиггса должна быть больше, чем 115 ГэВ/с2. В ходе опытов на БАК планировалось искать доказательства бозона в интервале масс 115-600 ГэВ/с2 или даже выше, чем 1000 ГэВ/с2.

Каждый год экспериментально удавалось исключать бозоны с бОльшими массами. В 1990 было известно, что искомая масса должна быть больше 25 ГэВ/с2, а в 2003 выяснилось, что больше 115 ГэВ/с2

Столкновения на Большом Адронном Коллайдере могут порождать много чего интересного

Дэннис Оувербай в «Нью-Йорк Таймс» рассказывает про воссоздание условий триллионной доли секунды после Большого Взрыва и говорит:

«…останки [взрыва] в этой части космоса не видны с тех пор, как Вселенная охладилась 14 миллиардов лет назад – весна жизни мимолетна, снова и снова во всех ее возможных вариантах, как если бы Вселенная участвовала в собственной версии фильма «день Сурка»

Одним из таких «останков» может быть бозон Хиггса. Его масса должна быть очень велика, и он должен распадаться менее чем за наносекунду.

Анонс

После половины столетия ожиданий драма стала напряженной. Физики спали у входа в аудиторию, чтобы занять места на семинаре в лаборатории ЦЕРН в Женеве.

За десять тысяч миль отсюда, на другом краю планеты, на престижной международной конференции по физике частиц в Мельбурне сотни ученых со всех уголков земного шара собрались, чтобы услышать вещание семинара из Женевы.

Но сперва давайте взглянем на предпосылки.

Фейерверк 4 июля

4-го июля 2012 руководители экспериментов ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере представили их последние результаты поиска бозона Хиггса. Ходили слухи, что они собираются сообщить больше, чем просто отчет о результатах, но что?

Конечно же, когда результаты были представлены, обе коллаборации, проводившие эксперименты, отчитались о том, что они нашли доказательство существования частицы «похожей на бозон Хиггса» с массой около 125 ГэВ. Это определенно была частица, и если она не бозон Хиггса, то очень качественная его имитация.

Доказательство не было сомнительным, ученые располагали результатами в пять сигма, означающих, что существует менее одной вероятности на миллион, что данные являются просто статистической ошибкой.

Бозон Хиггса распадается на другие частицы

Бозон Хиггса распадается на другие частицы почти сразу же после того, как будет произведен, так что мы можем наблюдать только продукты его распада. Наиболее распространенные распады (среди тех, которые мы можем увидеть) показаны на рисунке:

Каждый вариант распада бозона Хиггса известен как «канал распада» или «режим распада». Хотя bb-режим является распространенным, многие другие процессы производят подобные частицы, так что если вы наблюдаете bb-распад, очень трудно сказать, появились ли частицы в связи с бозоном Хиггса или как-то еще. Мы говорим, что режим bb-распада имеет «широкий фон».

Лучшими каналами распада для поиска бозона Хиггса являются каналы двух фотонов и двух Z-бозонов.*

*(Технически для 125 ГэВ массы бозона Хиггса распад на два Z-бозона не возможен, так как Z-бозон имеет массу 91 ГэВ, вследствие чего пара имеет массу 182 ГэВ, большую чем 125 ГэВ. Однако то, что мы наблюдаем, является распадом на Z-бозон и виртуальный Z-бозон (Z*), масса которого много меньше.)

Распад бозона Хиггса на Z + Z

Z-бозоны также имеют несколько режимов распада, включая Z → e+ + e- и Z → µ+ + µ-.

Режим распада Z + Z был довольно прост для экспериментов ATLAS и CMS, когда оба Z-бозона распадались в одном из двух режимов (Z → e+ e- или Z → µ+ µ- ). На рисунке четыре наблюдаемых режима распада бозона Хиггса:

Конечный результат состоит в том, что иногда наблюдатель увидит (в дополнение к некоторым несвязанным частицам) четыре мюона, или четыре электрона, или два мюона и два электрона.

Как бозон Хиггса выглядел бы в детекторе ATLAS

В этом событии «джет» (струя) возникла идущей вниз, а бозон Хиггса – вверх, но он почти мгновенно распался. Каждая картинка столкновения называется «событием».

Пример события с возможным распадом бозона Хиггса в виде красивой анимации столкновения двух протонов в Большом адронном коллайдере можно посмотреть на сайте-источнике по этой ссылке.

В этом событии бозон Хиггса может быть произведен, а затем немедленно распадается на два Z-бозона, которые в свою очередь немедленно распадутся (оставив два мюона и два электрона).

Механизм, дающий массу частицам

Открытие бозона Хиггса является невероятным ключом к разгадке механизма того, как фундаментальные частицы приобретают массу, что и утверждали Хиггс, Браут, Энглер, Джералд, Карл и Киббл. Что это за механизм? Это очень сложная математическая теория, но ее главная идея может быть понятна в виде простой аналогии.

Представьте себе пространство, заполненное полем Хиггса, как вечеринку спокойно общающихся между собой физиков с коктейлями …

В какой-то момент входит Питер Хиггс, который создает волнение, двигаясь через комнату и притягивая группу поклонников с каждым шагом…

До того как войти в комнату профессор Хиггс мог двигаться свободно. Но после захода в комнату полную физиков его скорость уменьшилась. Группа поклонников замедлила его движение по комнате; другими словами, он приобрел массу. Это аналогично безмассовой частице, приобретающей массу при взаимодействии с полем Хиггса.

А ведь все что он хотел – это добраться до бара!

(Идея аналогии принадлежит проф. Дэвиду Дж. Миллеру из Университетского колледжа Лондона, который выиграл приз за доступное объяснение бозона Хиггса — © ЦЕРН)

Как бозон Хиггса получает собственную массу?

С другой стороны, в то время новости распространяются по комнате, они также формируют группы людей, но на этот раз исключительно из физиков. Такая группа может медленно перемещаться по комнате. Подобно другим частицам бозон Хиггса приобретает массу просто взаимодействуя с полем Хиггса.

Поиск массы бозоны Хиггса

Как вы найдете массу бозона Хиггса, если он распадается на другие частицы до того, как мы его обнаружим?

Если вы решили собрать велосипед и захотели знать его массу, вам следует складывать массы частей велосипеда: двух колес, рамы, руля, седла и т. д.

Но если вы хотите вычислить массу бозона Хиггса из частиц, на которые он распался, просто складывать массы не получится. Почему же нет?

Сложение масс частиц распада бозона Хиггса не работает, так как эти частицы имеют огромную кинетическую энергию по сравнению с энергией покоя (помним, что для покоящейся частицы E = mc²). Это происходит вследствие того, что масса бозона Хиггса много больше, чем массы конечных продуктов его распада, поэтому оставшаяся энергия куда-то уходит, а именно — в кинетическую энергию возникших после распада частиц. Теория относительности говорит нам использовать равенство ниже для подсчета «инвариантной массы» набора частиц после распада, которая и даст нам массу «родителя», бозона Хиггса:

E²=p²c²+m²c⁴

Поиск массы бозона Хиггса из продуктов его распада

Примечание Quantuz: тут мы немного не уверены в переводе, так как идут специальные термины. Предлагаем сравнить перевод с источником на всякий случай.

Когда мы говорим о распаде типа H → Z + Z* → e+ + e- + µ+ + µ-, то четыре возможные комбинации, показанные выше, могут возникнуть как от распада бозона Хиггса, так и от фоновых процессов, так что нам нужно взглянуть на гистограмму суммарной массы четырех частиц в указанных комбинациях.

Гистограмма масс подразумевает, что мы наблюдаем за огромным количеством событий и отмечаем количество тех событий, когда получается итоговая инвариантная масса. Она выглядит как гистограмма, потому что значения инвариантной массы разделены на столбцы. Высота каждого столбца показывает число событий, в которых инвариантная масса оказывается в соответствующем диапазоне.

Мы можем вообразить, что это результаты распада бозона Хиггса, но это не так.

Данные о бозоне Хиггса из фона

Красные и фиолетовые области гистограммы показывают «фон», в котором число четырехлептонных событий предположительно произойдут без участия бозона Хиггса.

Синяя область (см. анимацию) представляет «сигнальный» прогноз, в котором число четырехлептонных событий предполагают результат распада бозона Хиггса. Сигнал расположен на вершине фона, так как для того, чтобы получить общее прогнозируемое количество событий, вы просто складываете все возможные исходы событий, которые могут произойти.

Черные точки показывают число наблюдаемых событий, в то время как черные линии, проходящие через точки, представляют статистическую неопределенность в этих числах. Рост данных (см. следующий слайд) на уровне 125 ГэВ является признаком новой 125 ГэВ-частицы (бозон Хиггса).

Анимация эволюции данных для бозона Хиггса по мере накопления находится на оригинальном сайте.

Сигнал бозона Хиггса медленно растет над фоном.

Данные бозона Хиггса, распавшегося на два фотона

Распад на два фотона (H → γ+γ) имеет еще более широкий фон, но тем не менее сигнал четко выделяется.

Это гистограмма инвариантной массы для распада бозона Хиггса на два фотона. Как вы можете видеть, фон очень широкий по сравнению с предыдущим графиком. Так происходит потому, что существует гораздо больше процессов производящих два фотона, чем процессов с четырьмя лептонами.

Пунктирная красная линия показывает фон, а жирная красная линия показывает сумму фона и сигнала. Мы видим, что данные хорошо согласуются с новой частицей в районе 125 ГэВ.

Недостатки первых данных

Данные были убедительны, но не совершенны, и имели значительные недостатки. К 4-му июля 2012 не имелось достаточной статистики для определения темпа, с которым частица (бозон Хиггса) распадается на различные наборы менее массивных частиц (т.н. «ветвящиеся пропорции» ), предсказываемые Стандартной Моделью.

«Ветвящаяся пропорция» это просто вероятность того, что частица распадется через данный канал распада. Эти пропорции предсказываются Стандартной Моделью и измерены с помощью многократного наблюдения распадов одних и тех же частиц.

Следующий график показывает лучшие измерения ветвящихся пропорций, которые мы можем сделать по состоянию на 2013 год. Так как это пропорции, предсказанные Стандартной Моделью, ожидание равно 1.0. Точки являются текущими измерениями. Очевидно, что отрезки ошибок (красные линии) в большинстве все еще слишком велики, чтобы делать серьезные выводы. Эти отрезки сокращаются по мере получения новых данных и точки возможно могут перемещаться.

Как же узнать, что человек наблюдает событие–кандидат на бозон Хиггса? Существуют уникальные параметры, которые выделяют такие события.

Является ли частица бозоном Хиггса?

В то время как был обнаружен распад новой частицы, темп, с которым это происходит, к 4 июля все еще был не ясен. Даже было не известно, имеет ли открытая частица правильные квантовые числа – то есть имеет ли она спин и четность, требуемые для бозона Хиггса.

Другими словами, 4 июля частица выглядела как утка, но нам требовалось убедиться, что она плавает как утка и крякает как утка.

Все результаты экспериментов ATLAS и CMS Большого адронного коллайдера (а также коллайдера Тэватрон из Лаборатории Ферми) после 4 июля 2012 показали замечательную согласованность с ожидаемыми ветвящимися пропорциями для пяти режимов распада, обсуждаемых выше, и согласованность с ожидаемым спином (равным нулю) и четностью (равной +1), которые являются основными квантовыми числами.

Эти параметры имеют важное значение для определения того, действительно ли новая частица это бозон Хиггса или какая-то другая неожиданная частица. Так что все имеющиеся доказательства указывают на бозон Хиггса из Стандартной Модели.

Некоторые физики посчитали это разочарованием! Если новая частица это бозон Хиггса из Стандартной Модели, то, значит, Стандартная Модель по сути полностью завершена. Все, что теперь можно делать, так это проводить измерения с возрастающей точностью того, что уже открыто.

Но если новая частица окажется чем-то, непредсказанным Стандартной Моделью, то это откроет дверь множеству новых теорий и идей для проверки. Неожиданные результаты всегда требуют новых объяснений и помогают толкать теоретическую физику вперед.

Откуда во Вселенной появилась масса?

В обычной материи основная часть массы содержится в атомах, а, если быть точным, заключена в ядре, состоящим из протонов и нейтронов.

Протоны и нейтроны сделаны из трех кварков, которые приобретают свою массу, взаимодействуя с полем Хиггса.

НО… массы кварков вносят вклад в размере около 10 МэВ, это примерно 1% от массы протона и нейтрона. Так откуда же берется оставшаяся масса?

Оказывается, масса протона возникает за счет кинетической энергии составляющих его кварков. Как вы, конечно же, знаете, масса и энергия связаны равенством E=mc².

Так что лишь малая часть массы обычной материи во Вселенной принадлежит механизму Хиггса. Однако, как мы увидим в следующем разделе, Вселенная была бы полностью необитаема без хиггсовской массы, и некому было бы открыть хиггсовский механизм!

Если бы не было поля Хиггса?

Если бы не было поля Хиггса, на что была бы похожа Вселенная?

Это не так очевидно.

Определенно, ничего бы не связывало электроны в атомах. Они бы разлетались со скоростью света.

Но кварки связаны сильным взаимодействием и не могут существовать в свободном виде. Некоторые связанные состояния кварков, возможно, сохранились бы, но насчет протонов и нейтронов не ясно.

Вероятно, все это представляло бы собой ядерно-подобную материю. И может быть все это сколлапсировало в результате гравитации.

Факт, в котором мы точно уверены: Вселенная была бы холодной, тёмной и безжизненной.

Так что бозон Хиггса спасает нас от холодной, тёмной, безжизненной Вселенной, где нет людей, чтобы открыть бозон Хиггса.

Является ли бозон Хиггса бозоном из Стандартной Модели?

Мы точно знаем, что частица, которую мы открыли это бозон Хиггса. Нам также известно, что он очень похож на бозон Хиггса из Стандартной Модели. Но существует два момента, которые все еще не доказаны:

1. Несмотря на то, что бозон Хиггса из Стандартной Модели, имеются небольшие расхождения, свидетельствующие о существовании новой физики (неизвестной ныне).

2. Существуют больше чем один бозоны Хиггса, с другими массами. Это также говорит о том, что появятся новые теории для исследования.

Только время и новые данные помогут выявить либо чистоту Стандартной Модели и ее бозона либо новые волнующие физические теории.

Бозон Хиггса распадается на 2 фотона в модели Seesaw типа II

Бозон Хиггса распадается на 2 фотона в модели Seesaw типа II

Скачать PDF

• Открытый доступ
• Опубликовано: 30 апреля 2012 г.

• A. Arhrib ^1,2 ,
• R. Benbrik ^2,3,4 ,
• M. Chabab ² ,
• G. Moultaka ^5,6 &
• …
• L Рахили ²  

Журнал физики высоких энергий
том 2012 , Номер статьи: 136 (2012)
Процитировать эту статью

• 733 доступа

• 104 Цитаты

• 1 Альтметрика

• Сведения о показателях

Аннотация

Мы изучаем двухфотонный канал распада компонента, подобного Стандартной модели, CP-четных бозонов Хиггса, присутствующих в модели Seesaw типа II. Обнаружено, что соответствующее сечение значительно увеличено в частях пространства параметров из-за (двукратно) заряженных бозонов Хиггса ( H
^±± ) Н
^± виртуальных вкладов, в то время как все остальные каналы распада Хиггса остаются подобными Стандартной модели (СМ). В остальных частях пространства параметров Х
^{± ±} (и H
^± ) интерферируют деструктивно, уменьшая коэффициент ветвления двух фотонов намного ниже предсказанного СМ. Такие свойства позволяют учитывать любой избыток, такой как тот, о котором сообщает ATLAS/CMS, при  ≈ 125 ГэВ, если он будет подтвержден будущими данными; если нет, то за то, что СМ-подобное исключение Хиггса в дифотонном канале около 114-115 ГэВ по данным ATLAS не противоречит СМ-подобному бозону Хиггса на LEP(!), и, во всяком случае, за то, что Пределы исключений ATLAS/CMS устанавливают строгие нижние границы для Х
^{± ±} массы, особенно в тех областях пространства параметров, где прямые пределы от однознаковых лептонных распадов H
^±± не применяются.

Скачайте, чтобы прочитать полный текст статьи

Справочные материалы

1. Сотрудничество ATLAS, Комбинированные поиски бозона Хиггса стандартной модели до 2,3 f b
   ⁻¹ коллизий pp на
   \( \sqrt {s} = 7\;ТэВ \)
   на LHC , ATLAS-CONF-2011-157 (2011).

2. Сотрудничество ATLAS, Комбинация поисков бозона Хиггса до 4,9 f b
   ⁻¹ pp Данные о столкновениях, полученные при энергии центра масс 7 ТэВ в рамках эксперимента ATLAS на LHC , ATLAS-CONF-2011-163 (2011).

3. Сотрудничество с CMS, Комбинация поиска SM Higgs , PAS-HIG-11-032 (2011).

4. Коллаборация CMS, Поиск бозона Хиггса, распадающегося на два фотона, в детекторе CMS , PAS-HIG-11-030 (2011).

5. Коллаборация ATLAS, Поиск бозона Хиггса Стандартной модели в канале дифотонного распада с 4,9 фбн
   ⁻¹ данных ATLAS на
   \( \sqrt{s} = 7\;ТэВ\), ATALS-CONF-2011-161 (2011).

6. В. Конетчный и В. Куммер, Несохранение полного лептонного числа со скалярными бозонами , Phys. лат.
   B 70 (1977) 433 [ВДОХНОВЕНИЕ].

   ОБЪЯВЛЕНИЕ

   Google ученый

7. Т. Ченг и Л.-Ф. Li, Массы нейтрино, перемешивания и осцилляции в SU (2) ×  U (1) Модели электрослабых взаимодействий , Физ. Откр.
   D 22 (1980) 2860 [ВДОХНОВЕНИЕ].

   ОБЪЯВЛЕНИЕ

   Google ученый

8. Г. Лазаридес, К. Шафи и К. Веттерих, Время жизни протона и массы фермионов в SO (10) Модель , Nucl. физ.
   B 181 (1981) 287 [ВДОХНОВЕНИЕ].

   ОБЪЯВЛЕНИЕ
   Статья

   Google ученый

9. Дж. Шехтер и Дж. Валле, Массы нейтрино в SU (2) ×  U (1) Теории , Физ. Ред.
   D 22 (1980) 2227 [ВДОХНОВЕНИЕ].

   ОБЪЯВЛЕНИЕ

   Google ученый

10. Р.Н. Мохапатра и Г. Сеньянович, Массы нейтрино и смешивания в калибровочных моделях со спонтанным нарушением четности , Phys. Ред.
    D 23 (1981) 165 [ВДОХНОВЕНИЕ].

    ОБЪЯВЛЕНИЕ

    Google ученый

11. А. Акеройд, М. Аоки и Х. Сугияма, Исследование майорановских фаз и масс-спектра нейтрино в триплетной модели Хиггса на LHC CERN , Phys. Ред.
    D 77 (2008) 075010 [arXiv:0712.4019] [ВДОХНОВЕНИЕ].

    ОБЪЯВЛЕНИЕ

    Google ученый

12. П. Филевьес Перес, Т. Хан, Г.-й. Хуанг, Т. Ли и К. Ван, 9 лет0065 Массы нейтрино и БАК ЦЕРН: тестирование типа II Seesaw , Phys. Ред.
    D 78 (2008) 015018 [arXiv:0805.3536] [ВДОХНОВЕНИЕ].

    ОБЪЯВЛЕНИЕ

    Google ученый

13. Ф. дель Агила и Дж. Агилар-Сааведра, Различение моделей качелей на БАК с многолептонными сигналами , Nucl. физ.
    B 813 (2009) 22 [arXiv:0808.2468] [ВДОХНОВЕНИЕ].

    ОБЪЯВЛЕНИЕ
    Статья

    Google ученый

14. А. Акеройд, М. Аоки и Х. Сугияма, Распады, нарушающие вкус лептонов τ →  lll и μ  →  e γ в модели Хиггса Ред.
    D 79 (2009) 113010 [arXiv:0904.3640] [INSPIRE].

    ОБЪЯВЛЕНИЕ

    Google ученый

15. Т. Фукуяма, Х. Сугияма и К. Цумура, Ограничения по мюону g-2 и процессам LFV в модели триплета Хиггса , JHEP
    03 (2010) 044 [arXiv:0909.4943] [ВДОХНОВЕНИЕ].

    ОБЪЯВЛЕНИЕ
    Статья

    Google ученый

16. А. Акеройд и К.-В. Chiang, Двухзарядные бозоны Хиггса и трехлептонные сигнатуры в модели триплета Хиггса , Phys. Ред.
    Д 80 (2009 г.) 113010 [arXiv:0909.4419] [ВДОХНОВЕНИЕ].

    ОБЪЯВЛЕНИЕ

    Google ученый

17. С. Петков, Х. Сугияма и Ю. Таканиши, Безнейтринный двойной бета-распад и H
    ^±±  →  л
    ^± л
    ^± Распады в модели триплета Хиггса , Phys. Ред.
    Д 80 (2009) 015005 [arXiv:0904.0759] [ВДОХНОВЕНИЕ].

    ОБЪЯВЛЕНИЕ

    Google ученый

18. Т. Фукуяма, Х. Сугияма и К. Цумура, Феноменология в триплетной модели Хиггса с A
    ₄ Симметрия , Физ. Ред.
    D 82 (2010) 036004 [arXiv:1005.5338] [INSPIRE].

    ОБЪЯВЛЕНИЕ

    Google ученый

19. А. Акеройд, К.-В. Чианг и Н. Гаур, Лептонные сигнатуры рождения двухзарядного бозона Хиггса на LHC , JHEP
    11 (2010) 005 [arXiv:1009.2780] [ВДОХНОВЕНИЕ].

    ОБЪЯВЛЕНИЕ
    Статья

    Google ученый

20. A. Arhrib et al., Потенциал Хиггса в модели качелей типа II , Phys. Ред.
    D 84 (2011) 095005 [arXiv:1105.1925] [INSPIRE].

    ОБЪЯВЛЕНИЕ

    Google ученый

21. Сотрудничество ATLAS, G. Aad et al., Ограничения на образование бозона Хиггса Стандартной модели в pp-столкновениях на
    \( \sqrt {s} = 7\;ТэВ \)
    с детектором ATLAS , евро. физ. Дж.
    C 71 (2011) 1728 [arXiv:1106.2748] [ВДОХНОВЕНИЕ].

    ОБЪЯВЛЕНИЕ
    Статья

    Google ученый

22. Сотрудничество CMS, G. Bayatian et al., Отчет о техническом проектировании CMS, том II: Физические характеристики , J. Phys.
    G 34 (2007) 995 [ВДОХНОВЕНИЕ].

    ОБЪЯВЛЕНИЕ

    Google ученый

23. Дж. Р. Эллис, М.К. Гайар и Д.В. Nanopoulos, Феноменологический профиль бозона Хиггса , Нукл. физ.
    B 106 (1976) 292 [ВДОХНОВЕНИЕ].

    ОБЪЯВЛЕНИЕ

    Google ученый

24. Б.Л. Иоффе и В.А. Хозе, Что можно ожидать от экспериментов по столкновению с e
    ⁺ и
    ⁻ Пучки с e примерно равным 100 ГэВ? сов. Дж. Часть. Нукл.
    9 (1978) 50

    Google ученый

25. М.А. Шифман, А. Вайнштейн, М. Волошин и В.И. Захаров, Низкоэнергетические теоремы для взаимодействий бозона Хиггса с фотонами , Сов. Дж. Нукл. физ.
    30 (1979) 711 [ВДОХНОВЕНИЕ].

    Google ученый

26. А. Джуади, В. Дризен, В. Холлик и Дж.И. Иллана, Связь легчайшего SUSY-бозона Хиггса с двумя фотонами в режиме развязки , евро. физ. Дж.
    C 1 (1998) 149 [hep-ph/9612362] [INSPIRE].

    ОБЪЯВЛЕНИЕ

    Google ученый

27. А. Джуади, В. Дризен, В. Холлик и А. Крафт, Новый взгляд на взаимодействие Z-бозона фотона Хиггса , Eur. физ. Дж.
    C 1 (1998) 163 [hep-ph/9701342] [INSPIRE].

    ОБЪЯВЛЕНИЕ

    Google ученый

28. К.-С. Хуан и X.-Х. Wu, Затухание sin(β − α) хиггсовских взаимодействий и легчайшее рождение бозона Хиггса на гамма-гамма-коллайдерах в MSSM , Phys. Ред.
    D 66 (2002) 075002 [hep-ph/0112356] [INSPIRE].

    ОБЪЯВЛЕНИЕ

    Google ученый

29. М. Карена, С. Гори, Н.Р. Шах и К.Э. Вагнер, Хиггс, подобный СМ, 125 ГэВ в МССМ и γγ скорость , JHEP
    03 (2012) 014 [arXiv:1112.3336] [ВДОХНОВЕНИЕ].

    ОБЪЯВЛЕНИЕ
    Статья

    Google ученый

30. И.Ф. Гинзбург, М. Кравчик и П. Осланд, Потенциал фотонного коллайдера в разрешении сценариев, подобных СМ , Nucl. Инструм. Мет.
    A 472 (2001) 149 [hep-ph/0101229] [INSPIRE].

    ОБЪЯВЛЕНИЕ

    Google ученый

31. А. Архриб, В. Холлик, С. Пенаранда и М. Капдеки Пейранере, Хиггсовские распады в двухдуплетной модели Хиггса: большие квантовые эффекты в режиме развязки , Phys. лат.
    B 579 (2004)361 [ВДОХНОВЕНИЕ].

    ОБЪЯВЛЕНИЕ

    Google ученый

32. Н. Бернал, Д. Лопес-Вал и Дж. Сола, Рождение одиночного бозона Хиггса посредством гамма-гамма-рассеяния в рамках общего 2HDM , Физ. лат.
    B 677 (2009) 39 [arXiv:0903.4978] [ВДОХНОВЕНИЕ].

    ОБЪЯВЛЕНИЕ

    Google ученый

33. P. Posch, Усиление h  → γγ в модели двух дублетов Хиггса Тип I , Phys. лат.
    B 696 (2011)447 [arXiv:1001.1759] [ВДОХНОВЕНИЕ].

    ОБЪЯВЛЕНИЕ

    Google ученый

34. D. Lopez-Val and J. Solà, Рождение одиночного бозона Хиггса на фотон-фотонном коллайдере: общий 2HDM по сравнению с MSSM , Phys. лат.
    B 702 (2011) 246 [arXiv:1106.3226] [ВДОХНОВЕНИЕ].

    ОБЪЯВЛЕНИЕ

    Google ученый

35. P. Ferreira, R. Santos, M. Sher and J.P. Silva, Последствия двухфотонного сигнала LHC для моделей с двумя дублетами Хиггса , arXiv:1112.3277 [INSPIRE].

36. Г. Бурдман, К. Халух и Р. Матеус, Наблюдает ли БАК псевдоскалярное состояние дублетной модели с двумя Хиггсами? , arXiv:1112.3961 [ВДОХНОВЕНИЕ].

37. U. Ellwanger, Усиленный дифотонный сигнал Хиггса в суперсимметричной стандартной модели, близкой к минимальной , Phys. лат.
    B 698 (2011) 293 [arXiv:1012.1201] [ВДОХНОВЕНИЕ].

    ОБЪЯВЛЕНИЕ

    Google ученый

38. С. Моретти и С. Мунир, Дифотонные сигналы Хиггса на БАК в почти минимальной суперсимметричной стандартной модели , Eur. физ. Дж.
    C 47 (2006) 791 [hep-ph/0603085] [INSPIRE].

    ОБЪЯВЛЕНИЕ
    Статья

    Google ученый

39. U. Ellwanger, Бозон Хиггса вблизи 125 ГэВ с усиленным дифотонным сигналом в NMSSM , JHEP
    03 (2012) 044 [arXiv:1112.3548] [ВДОХНОВЕНИЕ].

    ОБЪЯВЛЕНИЕ
    Статья

    Google ученый

40. Т. Хан, Х.Э. Логан, Б. МакЭлрат и Л.-Т. Wang, Петлевые распады малого бозона Хиггса: H  →  гг, γγ, Phys. лат.
    B 563 (2003)191 [ Erratum ibid.
    B 603 (2004) 257-259] [hep-ph/0302188] [INSPIRE].

    ОБЪЯВЛЕНИЕ

    Google ученый

41. L. Wang and J. M. Yang, Дифотонный сигнал Хиггса LHC, предсказанный маленькими моделями Хиггса , Phys. Ред.
    D 84 (2011) 075024 [arXiv:1106.3916] [ВДОХНОВЕНИЕ].

    ОБЪЯВЛЕНИЕ

    Google ученый

42. П. Филевьес Перес, Х. Х. Патель, М. Рэмси-Масольф и К. Ван, Триплетные скаляры и темная материя на LHC , Физ. Ред.
    D 79 (2009) 055024 [arXiv:0811.3957] [ВДОХНОВЕНИЕ].

    ОБЪЯВЛЕНИЕ

    Google ученый

43. К. Ченг и Т.-К. Юань, Может ли наблюдаемый избыток при 124-126 ГэВ быть связан с радионом Рэндалла-Сундрама? , arXiv:1112.4146 [ВДОХНОВЕНИЕ].

44. J.F. Gunion, H.E. Хабер, Г. Л. Кейн и С. Доусон, Охотник за бозоном Хиггса ’ руководство , Фронт. физ.
    80 (2000) 1.

    Google ученый

45. М. Спира, Эффекты КХД в физике Хиггса , Форч. физ.
    46 (1998) 203 [hep-ph/9705337] [INSPIRE].

    ОБЪЯВЛЕНИЕ
    МАТЕМАТИКА
    Статья

    Google ученый

46. А. Джуади, Анатомия нарушения электрослабой симметрии. II. Бозоны Хиггса в минимальной суперсимметричной модели , Физ. Представитель
    459 (2008) 1 [hep-ph/0503173] [INSPIRE].

    ОБЪЯВЛЕНИЕ
    Статья

    Google ученый

47. T. Hahn, Создание диаграмм Фейнмана и амплитуд с помощью FeynArts 3 , Comput. физ. коммун.
    140 (2001) 418 [hep-ph/0012260] [INSPIRE].

    ОБЪЯВЛЕНИЕ
    МАТЕМАТИКА
    Статья

    Google ученый

48. T. Hahn и M. Pérez-Victoria, Автоматизированные одноконтурные вычисления в четырехмерном и D-мерном измерениях , Comput. физ. коммун.
    118 (1999) 153 [hep-ph/9807565] [INSPIRE].

    ОБЪЯВЛЕНИЕ
    Статья

    Google ученый

49. S. Dittmaier et al, Справочник LHC Higgs Cross Sections: 1. Inclusive Observables , (2011).

50. См., например, гл. 3 Б. Де Вита и Дж. Смита, Теория поля в физике элементарных частиц , Vol. 1, (1986).

51. C. Amsler et al, Обзор физики элементарных частиц , Phys. лат.
    Б 667 (2008) 1.

    АДС

    Google ученый

52. Коллаборация D0, В. Абазов и др., Поиск рождения пары двухзарядных бозонов Хиггса в распаде до μ
    ⁺ мк
    ⁺ мк
    ⁻ μ
    ⁻ в коллизиях pp на
    \( \sqrt{s} = 1,96\;ТэВ\), физ. Преподобный Летт.
    93 (2004) 141801 [hep-ex/0404015] [INSPIRE].

    ОБЪЯВЛЕНИЕ
    Статья

    Google ученый

53. Коллаборация D0, В. Абазов и др., Поиск парного рождения двухзарядных бозонов Хиггса в H
    ⁺⁺ Н
    ⁻⁻ → μ
    ⁺ мк
    ⁺ мк
    ⁻ μ
    ⁻ конечное состояние в D0 , Физ. Преподобный Летт.
    101 (2008) 071803 [arXiv:0803.1534] [ВДОХНОВЕНИЕ].

    ОБЪЯВЛЕНИЕ
    Статья

    Google ученый

54. Сотрудничество CDF, D. Acosta et al., Поиск двухзарядных бозонов Хиггса, распадающихся на дилептоны в pp-столкновениях на
    \( \sqrt{s} = 1,96\;ТэВ\), физ. Преподобный Летт.
    93 (2004) 221802 [hep-ex/0406073] [INSPIRE].

    ОБЪЯВЛЕНИЕ
    Статья

    Google ученый

55. Коллаборация CDF, T. Aaltonen et al., Поиск двухзарядных бозонов Хиггса с распадом, нарушающим лептонный вкус, с участием тау-лептонов , Phys. Преподобный Летт.
    101 (2008) 121801 [arXiv:0808.2161] [ВДОХНОВЕНИЕ].

    ОБЪЯВЛЕНИЕ
    Статья

    Google ученый

56. CMS коллаборация, Поиск бозона Хиггса, распадающегося на два фотона, в детекторе CMS , CMS-PAS-HIG-11-010 (2011).

57. Сотрудничество CMS, Инклюзивный поиск двухзарядного бозона Хиггса в лептонных конечных состояниях на
    \( \sqrt{s} = 7\;ТэВ\), PAS-HIG-11-001(2011).

58. Дж. Гарайоа и Т. Шветц, Массовая иерархия нейтрино и майорановские СР-фазы в триплетной модели Хиггса на БАК , JHEP
    03 (2008) 009 [arXiv:0712.1453] [ВДОХНОВЕНИЕ].

    ОБЪЯВЛЕНИЕ
    Статья

    Google ученый

59. М. Кадастик, М. Райдал и Л. Ребане, Прямое определение параметров массы нейтрино на будущих коллайдерах , Физ. Ред.
    D 77 (2008) 115023 [arXiv:0712.3912] [ВДОХНОВЕНИЕ].

    ОБЪЯВЛЕНИЕ

    Google ученый

60. А. Мелфо, М. Немевшек, Ф. Нести, Г. Сеньянович и Ю. Чжан, Качели типа II на LHC: The Roadmap , arXiv:1108.4416 [INSPIRE].

61. Коллаборация L3, P. Achard et al., Поиск заряженных бозонов Хиггса в LEP , Phys. лат.
    B 575 (2003) 208 [hep-ex/0309056] [INSPIRE].

    ОБЪЯВЛЕНИЕ

    Google ученый

62. Сотрудничество DELPHI, J. Abdallah et al., Поиск заряженных бозонов Хиггса на LEP в общем две модели дублетов Хиггса , Eur. физ. Дж.
    C 34 (2004) 399 [hep-ex/0404012] [INSPIRE].

    ОБЪЯВЛЕНИЕ

    Google ученый

63. А. Джуади, Дж. Калиновский и П. Зервас, Двух- и трехчастичные моды распада SUSY-хиггсовских частиц , Z. Phys.
    C 70 (1996) 435 [hep-ph/9511342] [ВДОХНОВЕНИЕ].

    Google ученый

64. Т.Г. Rizzo, Распады тяжелых бозонов Хиггса , Phys. Ред.
    D 22 (1980) 722 [ВДОХНОВЕНИЕ].

    MathSciNet
    ОБЪЯВЛЕНИЯ

    Google ученый

65. В. -Я. Кеунг и У. Дж. Марчиано, скалярных распадов Хиггса: H → W
    ^± + X , Физ. Ред.
    D 30 (1984)248 [ВДОХНОВЕНИЕ].

    ОБЪЯВЛЕНИЕ

    Google ученый

Download references

Author information

Authors and Affiliations

1. Département de Mathématiques, Faculté des Sciences et Techniques, Tanger, Morocco

   A. Arhrib

2. Laboratoire de Physique des Hautes Energies et Astrophysique, Université Cadi-Ayyad, FSSM, Марракеш, Марокко

   A. Arhrib, R. Benbrik, M. Chabab & L. Rahili

3. Faculté Polydisciplinaire, Université Cadi Ayyad, Sidi Bouzid, Safi-Morocco

   R. Benbrik

4. Институт De Fisca debria debria debria deabriac. -Uc), Сантандер, Испания

   Р. Бенбрик

5. Université Montpellier 2, Laboratoire Charles Coulomb Umr 5221, F-34095, Montpellier, France

   г. Ф-34095, Montpellier, France

   G. Moultaka

Авторы

1. A. Arhrib

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Scholar

2. R. Benbrik

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Scholar

3. M. Chabab

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Академия

4. G. Moultaka

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Scholar

5. L. Rahili

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Scholar

Автор, ответственный за корреспонденцию

Г. Моултака.

Права и разрешения

Открытый доступ
Эта статья распространяется на условиях международной лицензии Creative Commons Attribution 2. 0 (
https://creativecommons.org/licenses/by/2.0
), который разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии надлежащего цитирования оригинальной работы.

Перепечатка и разрешения

Об этой статье

И бозон Хиггса сказал: «Да будет свет»

Бозон Хиггса — чрезвычайно редкая частица. На Большом адронном коллайдере (БАК), где пучки протонов сталкиваются со скоростью более 99,9999% скорости света до сорока миллионов раз в секунду, бозон Хиггса возникает примерно раз в секунду. Хиггс живет всего около одной миллионной миллиардной миллиардной доли секунды, прежде чем полностью превратиться во что-то другое. Примерно один раз из пятисот он трансформируется в чистые вспышки света — два фотона.

В этом анализе CMS Collaboration сообщила о своих наиболее полных измерениях свойств бозона Хиггса на сегодняшний день, используя события, в которых бозон Хиггса распадается на два фотона. В результате используются все данные, собранные в ходе эксперимента CMS в период с 2016 по 2018 год, что обеспечивает беспрецедентный уровень точности. Используя сложные методы анализа, становится возможным выделить различные способы образования бозона Хиггса на БАК и, следовательно, составить более подробное описание этой неуловимой частицы.

Открытие бозона Хиггса коллаборациями ATLAS и CMS в 2012 году ознаменовало собой завершение стандартной модели физики элементарных частиц; наша текущая лучшая теория для описания элементарных частиц и их взаимодействий. В стандартной модели механизм Хиггса объясняет, как элементарные частицы достигают своей массы посредством нарушения электрослабой симметрии, и следствием этой теории является предсказание фундаментальной скалярной частицы, бозона Хиггса. Когда оба эксперимента ATLAS и CMS сообщили о значительном избытке событий (то есть процессов, происходящих в детекторе), согласующихся с бозоном Хиггса, это было провозглашено одним из великих триумфов физики элементарных частиц. Однако, несмотря на этот успех, остается много нерешенных вопросов. Вот лишь некоторые из них: почему бозон Хиггса такой неестественно легкий? Каково происхождение темной материи? Какое место в картине занимает гравитация? В стремлении объяснить такие фундаментальные вопросы нам еще предстоит наблюдать какие-либо существенные отклонения от предсказаний стандартной модели.

Отсутствие прямых наблюдений новых частиц на БАК привело к сдвигу парадигмы в сторону точных измерений; альтернативный подход в поисках новой физики. Общая идея состоит в том, что физика за пределами стандартной модели может взаимодействовать и мешать частицам стандартной модели и впоследствии накладывать отпечаток на их свойства. Точно измеряя такие свойства, мы можем увидеть намек на новую физику. Для бозона Хиггса точные измерения его взаимодействий с другими частицами предоставляют уникальный инструмент для исследования сектора нарушения электрослабой симметрии, области, которую многие считают тайником новой физики.

Как упоминалось выше, распад бозона Хиггса на два фотона (H → γγ) является относительно редким процессом, и только около 1 из 500 бозонов Хиггса распадается таким образом. Несмотря на это, эксперимент CMS способен уверенно идентифицировать два фотона и отличить их от фоновых частиц, имитирующих сигнал бозона Хиггса. В результате H→γγ является одним из ключевых каналов для прецизионных измерений свойств бозона Хиггса. Более того, это один из немногих каналов распада, чувствительных ко всем основным модам рождения бозона Хиггса.

В прошлом измерения ограничивались измерениями общего числа бозонов Хиггса, образованных на БАК, или скоростью основных механизмов образования бозонов Хиггса. Благодаря исключительно большому набору данных, собранных в ходе эксперимента CMS, теперь можно выполнять более точные измерения. Упрощенные шаблонные сечения (STXS) были разработаны, чтобы обеспечить согласованную основу для этих измерений на LHC. В этой структуре основные режимы образования бозона Хиггса подразделяются на разные области, или «шаблоны». Эти шаблоны определяются определенными свойствами события, такими как поперечный импульс бозона Хиггса или количество дополнительных брызг. частицы, известные как струи.Полная структура STXS в ее текущем состоянии показана ниже, с разными цветами, соответствующими различным режимам образования бозона Хиггса.

Рис. 1: Схема, показывающая «ячейки» упрощенного каркаса поперечного сечения шаблона. Режимы производства, показанные разными цветами, разбиты на разные шаблоны в соответствии с определенными свойствами событий. Наша цель — измерить поперечное сечение в каждом из этих бинов, чтобы построить более детальную картину бозона Хиггса.

Цель состоит в том, чтобы измерить скорость образования (также известную как поперечное сечение) в каждом из различных шаблонов, чтобы создать максимально подробное описание образования бозона Хиггса. Кроме того, мы можем идентифицировать определенные шаблоны, которые особенно чувствительны к новой, выходящей за рамки стандартной модели физики, например те, в которых бозон Хиггса производится с чрезвычайно высоким поперечным импульсом.

В этом анализе события в детекторе должны иметь два фотона выше определенной энергии, что согласуется с возникновением в результате распада бозона Хиггса. Затем события классифицируются в соответствии с различными механизмами образования бозона Хиггса, требуя подписи дополнительных частиц в событии. Например, когда бозон Хиггса создается с помощью механизма слияния векторных бозонов (VBF), мы ожидаем, что в передних областях детектора возникнут две струи. Следовательно, помечая события этими «прямыми» струями, можно разработать категории анализа, обогащенные событиями слияния векторных бозонов. Аналогичным образом создаются категории для целевого образования, связанного с векторными бозонами (VH), производства, связанного с топ-кварками (ttH/tH), и производства посредством слияния глюонов (ggH).

Комбинация алгоритмов машинного обучения используется для повышения чистоты категорий анализа и исключения как можно большего количества фоновых событий. Впервые мы используем глубокую нейронную сеть в попытке отделить события, в которых бозон Хиггса рождается с одним топ-кварком (tH), от рождения с парой топ-кварков (ttH). Это сложная задача, так как два режима производства в детекторе очень похожи. Более того, рождение одиночного топ-кварка — чрезвычайно редкий процесс, и его еще предстоит наблюдать с какой-либо статистической значимостью на БАК. Тем не менее, измерения скорости образования tH дадут бесценную информацию о природе взаимодействия бозона Хиггса с другими частицами. На изображении ниже показано потенциальное событие рождения одного топ-кварка в детекторе CMS, где бозон Хиггса распадается на два фотона.

Рис. 2. Бозон Хиггса распадается на два фотона, которые выделяют энергию в электромагнитном калориметре. Эти два больших месторождения энергии показаны зелеными блоками. Топ-кварк распадается на W-бозон и b-кварк. Длинная красная линия изображает мюон от распада W, а красный конус изображает струю b-кварка с маркировкой b. Струя другого кварка показана оранжевым конусом.

Категории далее делятся на подкатегории, предназначенные для обогащения событиями из разных шаблонов STXS (см. выше). При этом становится возможным измерить их отдельные поперечные сечения и, следовательно, построить столь желаемое подробное описание бозона Хиггса. Алгоритм ускоренного дерева решений используется для бозонов Хиггса, созданных в результате слияния глюонов, для прогнозирования наиболее вероятного шаблона, к которому принадлежит событие. Для других режимов производства мы просто устанавливаем границы величин, которые мы измеряем в детекторе, чтобы привести их в соответствие с определениями шаблона на рисунке 1. Например, в производстве ttH мы используем измеренный поперечный импульс пары фотонов для разделения категорий. Это позволяет нам провести первое в истории измерение рождения ttH в отдельных шаблонах с различным поперечным импульсом бозона Хиггса.

Благодаря отличным характеристикам электромагнитного калориметра CMS можно очень точно измерять энергию фотонов и впоследствии с большой точностью определять массу фотонной пары. Из-за этого пары фотонов, возникающие в результате распада бозона Хиггса, проявляются в виде четкого пика в распределении масс дифотонов поверх плавно спадающего спектра фоновых событий. Для извлечения сечений строится модель, описывающая форму распределения масс дифотонов для сигнала и остальных фоновых событий в каждой из категорий анализа. На приведенном ниже графике показана модель (выделена красным), соответствующая данным (черные точки) для всех объединенных категорий.

Рисунок 3: Распределение инвариантной массы дифотона для выбранных событий данных (черные точки). Сплошная красная кривая показывает подобранную кривую для моделирования сигнала и фоновых событий, тогда как красная пунктирная линия представляет собой модель только для фоновых событий. Желтая и зеленая полосы на этом графике демонстрируют неопределенность фонового компонента аппроксимации при одном и двух стандартных отклонениях соответственно. События взвешиваются в соответствии с отношением количества сигналов к количеству сигналов и фоновых событий в каждой категории. Наблюдается четкий пик сигнала над плавно спадающим фоновым спектром.

Множество различных измерений может быть выполнено с множеством различных категорий собранных данных. Во-первых, общая скорость образования бозона Хиггса и скорость различных режимов рождения измеряются с использованием так называемых уровней сигнала, µ. Сила сигнала определяется как отношение измеренной производительности к предсказанию стандартной модели, т. е. значение, равное единице, означает, что производительность точно соответствует ожидаемой в стандартной модели. Измеренные значения и их погрешности показаны на графике ниже, где цветные точки соответствуют мощности сигнала для каждого режима производства, а черная точка — это общая мощность сигнала бозона Хиггса. Здесь рождение одиночного топ-кварка (tH) измеряется вместе с рождением пар топ-кварков (ttH) с использованием параметра µ _топ . Хотя наблюдаются некоторые флуктуации, особенно в силе сигнала µ _VH и µ _top , результаты в пределах неопределенностей совместимы со стандартной моделью.

Рис. 4: График, суммирующий измерения уровня сигнала с соответствующими погрешностями. Цветные точки соответствуют мощности сигнала для каждого производственного режима, тогда как черная точка — это общая мощность сигнала. Значение, равное единице, соответствует предсказанию стандартной модели.

Далее измеряются сечения шаблонов в каркасе STXS. На приведенном ниже графике показаны измеренные значения и погрешности двадцати четырех сечений, которые одновременно соответствуют данным. Здесь определенные шаблоны объединяются в измерения, чтобы избежать очень больших неопределенностей в поперечных сечениях. Цветовая схема соответствует рисунку 1: сечения слияния глюонов показаны синим цветом, слияние векторных бозонов и связанное с ними рождение векторных бозонов, где векторный бозон распадается на кварки, оранжевым цветом, связанное с векторным бозоном рождение, где векторный бозон распадается на лептоны (т. электроны, мюоны и нейтрино) зеленым цветом, образование пары топ-кварков розовым цветом и образование одного топ-кварка желтым цветом. Прогноз стандартной модели для каждого поперечного сечения вместе с соответствующими неопределенностями показан заштрихованными прямоугольниками.

Рис. 5: Измеренные значения и погрешности сечений рождения 24 бозонов Хиггса. Цветовая схема выбрана в соответствии со схемой, показанной на рисунке 1. Также заштрихованными прямоугольниками показаны неопределенности в прогнозах стандартной модели для каждого из этих поперечных сечений. Нижняя панель графика показывает отношение измеренных сечений к предсказаниям стандартной модели.

Этот результат соответствует наиболее точному на сегодняшний день измерению рождения одиночного топ-кварка, так что мы можем исключить скорость образования как минимум в 12 раз превышающую предсказание стандартной модели с 95% уверенности. Наблюдаемое поперечное сечение tH примерно в 5 раз превышает значение, предсказанное стандартной моделью, однако оно все еще согласуется в пределах неопределенностей. Более того, это первое в истории измерение образования ttH, разделенного на разные области поперечного импульса бозона Хиггса, что позволяет нам понять сложные детали этого способа образования. В целом, измеренные сечения согласуются с предсказаниями стандартной модели. По мере того, как мы углубляемся в изучение более детальных свойств бозона Хиггса, стандартная модель, похоже, снова торжествует.

Таким образом, этот всесторонний анализ представляет собой наиболее подробное измерение образования бозона Хиггса, выполненное коллаборацией CMS. Результаты согласуются с предсказаниями стандартной модели, так что повышенная точность измеренных величин оставляет меньшее окно, в котором может скрываться любая новая физика. Тем не менее в неопределенности измерений по-прежнему преобладает их статистическая составляющая, поэтому добавление новых данных повысит точность. Следующий запуск БАК, который планируется начать в 2022 году, и БАК высокой яркости, который начнется примерно в 2027 году, приведут к значительному увеличению доступных данных. Кроме того, сочетание этих измерений с измерениями по другим каналам распада бозона Хиггса повысит точность. В поисках новой физики в секторе Хиггса крайне важно не оставлять камня на камне.

Подробнее об этих результатах:

• Резюме физического анализа CMS «Измерения свойств бозона Хиггса в канале дифотонного распада при √s = 13 ТэВ»

• Все брифинги по физике CMS

• Все брифинги по физике CMS для ICHEP2020

• Все предварительные результаты CMS

• Все результаты CMS

Ученые нашли первые свидетельства распада редкого бозона Хиггса

Ученые нашли первое свидетельство редкого типа распада бозона Хиггса. (Изображение предоставлено ЦЕРН)

Ученые обнаружили первое свидетельство распада редкого бозона Хиггса , расширяя наше понимание странной квантовой вселенной.

В 2012 году Нобелевская премия по физике была присуждена за прорывное открытие: обнаружение бозона Хиггса, субатомной частицы, предсказанной Стандартной моделью физики почти 50 лет назад. Бозон Хиггса живет недолго, быстро распадаясь на менее массивные частицы, такие как два фотона (легкие частицы).

Исследователи, использующие ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН в Швейцарии, нашли свидетельство редкого распада бозона Хиггса, при котором субатомная частица распадается на один фотон и два лептона — тип элементарной частицы, которая может быть заряженной или нейтральной. (Электроны и мюоны, аналогичный тип субатомных частиц, являются двумя примерами заряженных лептонов.) В частности, они нашли доказательства того, что бозон Хиггса может распадаться либо на фотон и пару электронов, либо на фотон и пару мюонов с противоположный заряд.

Связанный: Пять главных последствий открытия бозона Хиггса

Space.com Collection: