Коллаборация ATLAS обновила данные по распаду хиггсовского бозона на два фотона и на пару Z-бозонов. Подтверждается самый громкий результат LHC — существенное превышение двухфотонного распада по сравнению со Стандартной моделью. Обнаружились также нестыковки в массе бозона Хиггса, но они объясняются, по-видимому, статистической флуктуацией и вовсе не свидетельствуют о том, что коллайдер «видит» два бозона Хиггса.

Изучение хиггсовского бозона: краткая предыстория

4 июля 2012 года на специальном семинаре в ЦЕРНе было объявлено об открытии хиггсовского бозона на Большом адронном коллайдере.

Эта частица — отголосок нарушения электрослабой симметрии — кардинального преобразования нашей Вселенной, случившегося в эпоху ее «горячей юности» — была предсказана теоретиками еще полвека назад. Но только сейчас, спустя десятилетия поисков в самых разных экспериментах, ее существование было надежно установлено.

С полным правом можно сказать, что в физике частиц завершилась эра поисков бозона Хиггса и началась эпоха его всестороннего изучения.

Рис. 1. Пример события рождения двух фотонов высокой энерии в детекторе ATLAS, которое могло произойти через промежуточное рождение и распад хиггсовского бозона. В центральной части детектора видны следы заряженных частиц небольшой энергии, а два ярких желтых пятна отвечают двум фотонам, зарегистрированным электромагнитным калориметром. Изображение из доклада коллаборации ATLAS.

Изучать хиггсовский бозон нужно для того, чтобы выяснить, из какой именно разновидности хиггсовского механизма он возникает. А это, в свою очередь, должно рассказать о том, каково глубинное устройство нашего мира, какая именно из многочисленных гипотез Новой физики имеет отношение к реальности.

Именно поэтому обнаружение бозона Хиггса является не концом, а только началом научной программы по его исследованию.

Вот основные вопросы, на которые физики хотят получить ответы в экспериментах на Большом адронном коллайдере: сколько существует типов хиггсовского бозона и каковы их характеристики (масса, заряд, спин и т. д.)? на что они распадаются и с какой вероятностью? если LHC видит только один хиггсовский бозон, то отличаются ли его свойства от предсказаний Стандартной модели?

По состоянию на лето 2012 года сложилась такая картина.

Была достоверно обнаружена частица с массой в районе 125–126 ГэВ, свойства которой очень напоминали свойства хиггсовского бозона. Она находится примерно в том диапазоне масс, на который указывали более ранние косвенные данные, и распадается на те самые наборы частиц («каналы распада»), которые ожидаются от более или менее стандартного хиггсовского бозона. По этой причине подавляющее большинство физиков с самого начала было уверено в том, что это именно бозон Хиггса. Дополнительных хиггсовских бозонов пока не видно.

Хиггсовский бозон проявлял себя наиболее четко в двух самых чистых каналах распада: это распад на два фотона и распад на два Z-бозона с их последующим распадом на четыре лептона (электрона или мюона).

Поиски велись еще в трех каналах распада, но из-за больших статистических погрешностей и сильного фона заметить проявления бозона Хиггса в них не удавалось.

Самый громкий результат состоял в том, что измеренная вероятность распада на два фотона оказалась в полтора-два раза больше, чем предсказывалось Стандартной моделью. Это превышение было синхронно замечено в двух главных детекторах, работающих на коллайдере, — CMS и ATLAS. Теоретики сразу же накинулись на этот результат, предлагая десятки разных объяснений в рамках тех или иных моделей Новой физики. Экспериментаторы охлаждали их пыл, терпеливо повторяя, что отличие от Стандартной модели пока не слишком статистически значимо, так что делать выводы пока рано.

В других каналах распада тоже наблюдались интересные эффекты; например, распад на два тау-лептона был попросту не виден. Однако из-за еще больших погрешностей данных каких-то далеко идущих выводов тут пока не делалось.

Наметилось некоторое расхождение между экспериментами ATLAS и CMS относительно общей интенсивности рождения и распада хиггсовского бозона. ATLAS в среднем давал превышение над ожиданиями Стандартной модели, а в данных CMS, наоборот, наблюдалась нехватка хиггсовских бозонов. Опять же, пока статистика невелика, это расхождение не вызывает беспокойства и вполне может быть списано на статистическую флуктуацию.

Дополнительные подробности см. здесь: 1, 2, 3, 4.

Летние результаты были основаны на статистике, накопленной за 2011 год (интегральная светимость примерно 5 fb^–1 на энергии протонных столкновений 7 ТэВ) и за первые месяцы работы 2012 года (примерно 6 fb^–1 на энергии 8 ТэВ). Однако в дальнейшем коллайдер набирал статистику всё более ударными темпами: за лето и осень было накоплено еще примерно 15 fb^–1.

Поэтому ожидалось, что обе коллаборации — CMS и ATLAS — ближе к концу года выступят с обновленными данными. Если в них отклонения от Стандартной модели будут по-прежнему велики, а погрешности уменьшатся, то это будет сильным свидетельством в пользу того, что Новая физика наконец-то найдена.

В ноябре в Японии прошел крупный симпозиум по физике на адронных коллайдерах. Оба эксперимента представили там обновленные данные по хиггсовкому бозону, однако самые интересные каналы распада (два фотона и в случае ATLAS еще и ZZ) обновлены не были. Можно было предположить, что коллаборации либо обнаружили что-то новое и интересное, либо столкнулись с какими-то трудностями. Так или иначе, исследовательские группы решили не торопиться и лишний раз себя перепроверить.

Новые данные ATLAS

13 декабря, после примерно месячного ожидания, были обнародованы новые результаты коллаборации ATLAS на статистике 13 fb^–1 (плюс данные 2011 года). Доклады представителей этого эксперимента прозвучали в рамках Мини-программы по идентификации бозона Хиггса в Институте теоретической физики им. Кавли, а также на традиционном декабрьском семинаре в ЦЕРНе, на котором подводились итоги работы LHC в прошедшем году.

На странице научных результатов ATLAS также появились технические статьи с подробными графиками и описанием.

Рис. 2. Хиггсовский сигнал в двухфотонном канале распада. Слева: распределение событий по инвариатной массе двух фотонов, справа: интенсивность хиггсовского сигнала в данных 2011-го и 2012 годов. Изображения из технического сообщения коллаборации ATLAS.

Новые результаты, касающиеся распада на два фотона (H → γγ), таковы:

• Хиггсовский сигнал проявляется всё четче и четче. На рис. 2, слева, показано распределение двухфотонных пар по инвариантной массе. Отчетливо видно, что на фоне плавного распределения (то есть рождения двух фотонов высокой энергии без участия бозона Хиггса) виден небольшой бугорок в районе 126 ГэВ. Он отвечает тем дополнительным случаям рождения двух фотонов, которые возникли из распада бозона Хиггса. Сравните этот график с аналогичным распределением полугодичной давности (рис. 2, слева, в июльской новости).

• Статистическая значимость этого пика составляет 6,1 стандартных отклонений. Таким образом, даже если бы у нас не было данных по другим каналам распада, один лишь этот канал был бы достаточен для объявлении об открытии бозона Хиггса.
• На радость физикам, интенсивность хиггсовского сигнала остается высокой, существенно превышающей ожидание Стандартной модели. Отношение реальных данных к ожидаемым составляет в этом канале μγγ = 1,8 ± 0,3^+0,29_–0,21 (первая погрешность статистическая, вторая — систематическая). Отличие от единицы (то есть от Стандартной модели) составляет примерно 2 стандартных отклонения. Это, конечно, еще не слишком впечатляющий результат, но хорошо уже то, что по мере накопления данных это число не флуктуирует вокруг единицы, а систематически остается большим (см. график на рис. 2, справа, где эта интенсивность показана по отдельности для данных 2011 года и для первой и второй половины 2012 года).

Рис. 3. Хиггсовский сигнал в распаде на два Z-бозона с последующим их лептонным распадом. Слева: распределение событий по инвариатной массе четырех лептонов, справа: то же, но для конкретного канала распада (четыре мюона). Выделена область 120–130 ГэВ, в которой происходят статистические флуктуации. Изображения из технического сообщения коллаборации ATLAS.

Хиггсовский сигнал в распаде на два Z-бозона (H → ZZ → лептоны) тоже продолжает усиливаться (см. рис. 3). Особенность этого канала в том, что количество событий, прошедших все этапы отбора, очень мало, но зато и фон очень слабый. Если в данных полугодичной давности наблюдалось 13 событий (а должно было бы быть примерно 5, если бы не было хиггсовского бозона), то теперь наблюдается уже 18 событий при бесхиггсовском фоне примерно в 8. Хиггсовский сигнал налицо: его статистическая значимость составляет 4,1 стандартных отклонения. Интенсивность этого сигнала равна примерно μZZ = 1,3^+0,6_–0,4, то есть вполне согласуется со стандартным бозоном Хиггса.

Самый неожиданный результат новых данных принесли измерения массы хиггсовского бозона (по-видимому, тщательной перепроверкой этого результата коллаборация и занималась лишний месяц). Поскольку эта частица нестабильна, ее нельзя «взвесить» напрямую. Однако ее массу можно восстановить по суммарной энергии продуктов ее распада, то есть по положению центра пика на графиках на рис. 2 и 3.

Рис. 4. Измерения масс (по горизонтальной оси) и интенсивностей (по вертикальной оси) хиггсовского бозона. Красным показаны данные, полученные из распада на два фотона, синим — данные ZZ-распада. Черным показаны результаты их статистического объединения. Изображение из технического сообщения коллаборации ATLAS.

Это измерение можно выполнить независимо и для двухфотонного, и для ZZ-канала распада. И вот тут оказалось, что эти два измерения не слишком стыкуются друг с другом. Распад на два Z-бозона дал значение M(H→ZZ) = 123,5 ± 0,9^+0,4_–0,2, а распад на два фотона показывает несколько большую массу, M(H→γγ) = 126,6 ± 0,3 ± 0,7. Обсуждение возможных причин этого расхождения см. ниже.

Наконец, были также представлены новые данные по проверке спина и четности бозона Хиггса. Эти две характеристики рассказывают о том, какого типа частица перед нами. Пускаться в подробные объяснения здесь, вероятно, не стоит; достаточно лишь упомянуть, что

от хиггсовского бозона ожидали только одной комбинации: нулевой спин и положительная четность. Любой альтернативный вариант (ненулевой спин или отрицательная четность) автоматически означал бы, что либо это и не бозон Хиггса вовсе, либо физики наткнулись на какую-то совсем экзотическую его разновидность.

Так же, как и с массой, эти характеристики нестабильной частицы изучаются не напрямую, а через продукты распада. В каждом конкретном событии рождения и распада бозона частицы — продукты распада разлетаются в произвольные стороны. Однако при усреднении по всей накопленной статистике проявляются некие предпочтительные комбинации углов разлета, которые зависят от характеристик исходной частицы. Коллаборация ATLAS изучила их и обнаружила, что

они вполне согласуются с нулевым спином и положительной четностью. Экзотические варианты закрыты на уровне достоверности 99% (отрицательная четность) или свыше 90% (ненулевой спин).

Два бозона Хиггса?

Из всех этих данных особое внимание привлекает, конечно, нестыковка между измерениями массы в двухфотонном и ZZ-каналах распада (рис. 4). Самая радикальная ее интерпретация состоит в том, что физики видят проявления не одного, а по крайней мере двух бозонов Хиггса. Теоретически, такое вполне возможно. Во многих неминимальных вариантах хиггсовского механизма есть несколько бозонов Хиггса. При этом некоторые из них могут оказаться близки друг к другу по массе, но обладать очень разными свойствами. Скажем, один из двух бозонов Хиггса может быть связан с возникновением массы у фермионов, а второй — у бозонов. Тогда первый проявляется только в распаде на два фотона, а у второго в силу каких-то дополнительных причин может быть перекос в сторону ZZ-распада.

Несмотря на эту теоретическую возможность, она пока не является самой естественной гипотезой. Наиболее правдоподобным объяснением расхождения следует считать статистическую флуктуацию, и вот почему.

Распад на два фотона измеряется точнее, чем ZZ-распад.

• Во-первых, там точнее восстанавливается инвариантная масса.
• Во-вторых, в двухфотонном канале имеется уже порядка 200–300 хиггсовских событий, в то время как в распаде на ZZ (с их последующим распадом на лептоны) — всего около десятка (то есть примерно половина от всех отобранных ZZ-событий идут через рождение и распад бозона Хиггса).

По сравнению с данными полугодичной давности двухфотонный расчет стабилен: масса и тогда, и сейчас получилась примерно 126,5 ГэВ. А вот оценка массы по ZZ-каналу пока что сильно скачет. Раньше она была примерно 125 ГэВ, а сейчас снизилась до 123,5 ГэВ. Это и неудивительно: каждое новое событие такого типа может заметно повлиять на среднее значение.

Оказывается, удалось даже проследить, что это изменение произошло за счет всего лишь одного конкретного варианта распада (H → ZZ → 2μ+2μ–). Взгляните на рис. 3, справа, где показан как раз вклад этого канала распада, и в особенности — на область от 120 до 130 ГэВ. В эту область попало 8 событий, но только оказалось, что они распределены неравномерно: 7 событий в интервале 120–125 ГэВ и одно — в интервале от 125 до 130 ГэВ. По сути, это напоминает игру в орла и решку: в серии из восьми подбрасываний монетки, в среднем, будет четыре орла и четыре решки, но в какой-то единичной серии подбрасываний расклад может оказаться и семь к одному (читателю предлагается найти вероятность такого события). Так что даже если бы истинная вероятность для каждого события попасть в эти два интервала была одинаковой (то есть истинная масса бозона Хиггса равнялась бы 125 ГэВ), такой расклад был бы не так уж невероятен.

Стоит еще упомянуть и систематические погрешности. Может ли причина скрываться в том, что какой-то из компонентов детектора был неправильно откалиброван, из-за чего измерения в одном из этих двух каналов распада систематически дают завышенную или заниженную энергию частиц? Конечно, исключить такой ситуации нельзя, но это очень маловероятно.

Рис. 5. Стабильность показаний электромагнитного калориметра детектора ATLAS в течение 2012 года. Изображение из доклада коллаборации ATLAS.

Дело в том, что первые год-два после запуска коллайдера, когда никаких громких результатов еще не было, физики на самом деле выполнили огромный объем скучной, но необходимой работы. Они «переоткрыли» Стандартную модель и тем самым откалибровали все детекторы с высокой точностью. В дальнейшем все характеристики детектора регулярно отслеживались. На рис. 5, например, показана исключительная стабильность работы электромагнитного калориметра, измеряющего энергию фотонов и электронов. Проверка выполнялась сразу по двум независимым процессам; флуктуации в течение года не превышают 0,1% и не видно никакого систематического смещения.

Стандартный бозон Хиггса или нет?

Вопрос, который теперь регулярно задается при обсуждении любых новых данных по бозону Хиггса: есть ли надежные указания на то, что обнаруженная частица является нестандартным бозоном Хиггса? Ответить на этот вопрос физики смогут, лишь тщательно измерив свойства бозона (и в частности, вероятности его распада по разным каналам) и сверив их с предсказаниями Стандартной модели.

Рис. 6. Интенсивность хиггсовского сигнала в пяти каналах распада: отношение реальных данных к ожиданиям Стандартной модели для бозона с массой 125 ГэВ. Изображение из технического сообщения коллаборации ATLAS.

В этом смысле, новые данные ATLAS поддерживают интригу. Двухфотонный распад остается очень большим, и в этом пока состоит главная новость. Остальных каналы распада «топчутся» вокруг единицы (то есть похожи на стандартный бозон Хиггса). Если объединить все пять изучаемых типов распада (рис. 6), то окажется, что, в общем-то, никакого существенного отличия от Стандартной модели не видно, и представители коллаборации подчеркивают этот факт в своих выступлениях. Однако это объединение — несколько противоестественная вещь. Никто не ожидает, что нестандартность бозона Хиггса будет проявляться одинаково во всех каналах распада (на то он и нестандартный!). Скорее, наоборот, с теоретической точки зрения двухфотонный распад стоит особняком, потому что он идет не напрямую, а через петли виртуальных частиц. Поэтому теоретики в целом склоняются к более оптимистичной интерпретации данных ATLAS.

Тут возникает еще такая тонкость в связи с аномально низким значением массы бозона Хиггса по измерениям в ZZ-канале. Когда физики вычисляют интенсивность хиггсовского сигнала, они сравнивают наблюдаемые данные с ожиданиями Стандартной модели. Но сами эти ожидания надо вычислять для какой-то определенной массы бозона Хиггса. Приведенное выше число μZZ ≈ 1,3 сосчитано в предположении, что масса бозона Хиггса именно такая, какую дает это канал (то есть 123,5 ГэВ). Однако если всё же принять, что реальная масса находится в районе 126 ГэВ, то это существенно увеличивает ожидания Стандартной модели, а значит, уменьшает величину μZZ примерно до 0,6–0,7. Для сравнения, коллаборация ATLAS подготовила целую серию графиков, как на рис. 6, для разных «опорных» масс бозона Хиггса от 123,5 до 126,5 ГэВ. Что показывает CMS?

Весь этот разговор будет неполным без упоминания данных CMS — второго ключевого детектора Большого адронного коллайдера. Полгода назад CMS также показал некоторое превышение двухфотонного распада, хотя и не такое сильное, как ATLAS. Ни месяц назад, на симпозиуме по адронным коллайдерам, ни сейчас CMS не представил новых данных по двухфотонному распаду. Сохранится или ослабнет это превышение в новых данных CMS — один из главных вопросов на ближайшие месяцы.

Однако, в отличие от ATLAS, коллаборация CMS уже показывала месяц назад свои обновленные данные по ZZ-каналу распада. Измерения массы бозона в этом канале дали значение MH→ZZ = 126,2 ± 0,6 ± 0,2. Иными словами, аномальное значение массы в ZZ-канале ATLAS не стыкуется не только с γγ-каналом ATLAS, но и с ZZ-данными CMS.

Таким образом, расхождение в результатах измерения массы бозона Хиггса по ZZ- и двухфотонному каналу распада, по-видимому, связано со статистической флуктуацией в ZZ-канале. Оно не дает никаких серьезных оснований считать, что данные ATLAS указывают на два бозона Хиггса. Однако за этим расхождением надо будет пристально следить по мере накопления новых данных. Главным же результатом новой партии данных коллаборации ATLAS является подтверждение сильного распада бозона Хиггса на два фотона.

Автор: Игорь Иванов.