Открыт кандидат на роль бозона Хиггса

На семинаре, организованном Европейской организацией по ядерным исследованиям и предваряющем конференцию ICHEP-2012, было объявлено об открытии нового бозона, претендующего на роль хиггсовской частицы.

Свежие экспериментальные данные представили Джо Инкандела (Joe Incandela) из коллаборации CMS и Фабиола Джанотти (Fabiola Gianotti) из ATLAS. Обе коллаборации, напомним, анализируют результаты столкновений протонов на Большом адронном коллайдере.

Суть презентаций сводится к тому, что физики обнаружили новую тяжёлую частицу в области масс и некоторых других параметров, допустимой для бозона Хиггса из Стандартной модели. По данным CMS, масса найденного бозона составляет 125,3 ± 0,6 ГэВ, а ATLAS даёт чуть более высокую оценку — ≈126,5 ГэВ.

Поиск проводился по нескольким каналам распада, которые теория прогнозирует для хиггсовской частицы. Как мы уже отмечали, наибольший интерес с экспериментальной точки зрения представляют пять таких каналов: распады на пару фотонов γ, W- или Z-бозонов, тау-лептонов τ или пару «b-кварк — b-антикварк». Поскольку продукты распада искомого бозона могут рождаться и в каких-то фоновых процессах, учёным приходится набирать обширную статистику и строить распределения числа зарегистрированных событий по массе. Доминировать в этих распределениях будут фоновые события, но если среди всех пар гамма-гвантов (или Z-бозонов, тау-лептонов и так далее) действительно встречаются те, источником которых был бозон Хиггса, они каждый раз будут давать массы, близкие к одному значению. Тогда на распределении в районе этого значения проявится избыток событий — небольшой пик, сигнал.

Стоит также рассказать о том, что сигнал в современных исследованиях выделяют «слепым методом», намеренно скрывая самый интересный диапазон данных (в нашем случае — область масс в окрестности 126 ГэВ). Иными словами, специалисты, занятые обработкой информации, устанавливают критерии отбора и анализа событий и моделируют фон, ориентируясь лишь на малолюбопытные участки распределений. Скрытая область становится доступной только после утверждения оптимальной методики обработки, вследствие чего практически исключается влияние необъективности экспериментатора и его естественного желания сделать сигнал более «чистым», сработать на результат.

Статистическая значимость сигналов, зарегистрированных CMS (сверху) и ATLAS

Рассматривая упомянутые варианты распадов по отдельности, г-н Инкандела отметил, что в каналах γγ и ZZ наблюдаются явные превышения числа зарегистрированных событий над фоном со статистической значимостью в 4,1 и 3,2 стандартного отклонения. Если данные по этим распадам, наиболее удобным для исследования на Большом адронном коллайдере, объединить, можно получить значимость в 5,0σ, достаточную для объявления об открытии и гарантирующую, что вероятность случайной флуктуации фона, которая имитировала бы настолько сильные сигналы, составляет менее 10–6. В канале WW сигнал не смещается по оси масс, но становится менее заметным (1,5σ), а в каналах «b — анти-b» и ττ выделить что-то существенное уже не удаётся.

В итоге статистическая значимость, рассчитанная по всем каналам, падает до 4,9σ.

Данные ATLAS в целом сходятся с информацией CMS и в случае объединения каналов γγ и ZZ также дают статистическую значимость в 5,0σ. При этом ожидания ATLAS и CMS, что интересно, расходились: различия легко прослеживаются на графиках выше, где экспериментальным данным отвечают сплошные линии, а теоретическому предсказанию для бозона Хиггса из Стандартной модели, которое вычисляется с учётом собранного объёма информации и конкретных методик её обработки, — пунктирные. Хорошо видно, что коллаборации CMS «не повезло», поскольку она рассчитывала на 5,9σ, а получила заметно меньше. ATLAS же, напротив, ожидала всего 4,6σ.

Эти различия отразились на оценках соотношения экспериментального и расчётного сечений рождения хиггсовского бозона. Хотя оба соотношения близки к единице (то есть свидетельствуют в пользу того, что обнаруженная частица представляет собой именно Стандартный хиггсовский бозон), оценка ATLAS — 1,2 ± 0,3 — лежит выше, чем оценка CMS (0,80 ± 0,22).

В ближайшие месяцы физики будут уточнять представленные данные и свойства новой частицы, выясняя, насколько она близка к хиггсовской из Стандартной модели. Уже сейчас можно отметить одно сравнительно серьёзное отклонение от общепринятой теории: сигнал, зарегистрированный ATLAS и CMS в канале γγ, оказался неожиданно сильным.

Упомянутые выше соотношения сечений рождения хиггсовского бозона.
Видно, что ATLAS даёт более высокие оценки, а сигнал в канале γγ выделяется на фоне остальных.

Подготовлено по материалам Европейской организации по ядерным исследованиям.