Как бозон Хиггса дает массу «легким» частицам: детектор ATLAS выловил редчайший распад на мюоны

Открытие бозона Хиггса в 2012 году можно считать финальной точкой в построении Стандартной модели. Но для физиков это, на самом деле, лишь начало долгой и трудной работы. Обнаружить частицу — это полдела. Куда сложнее понять, как именно она взаимодействует с остальной материей.

Долгое время мы знали наверняка лишь одно: поле Хиггса дает массу самым тяжелым частицам. Это третье поколение фермионов — топ-кварки, b-кварки, тау-лептоны. С ними бозон взаимодействует охотно и часто. Но как насчет более легких частиц — тех, из которых состоит обычная материя? До недавнего времени этот вопрос оставался открытым. И вот коллаборация ATLAS представила результаты, которые заполняют этот пробел.

В чем проблема с легкими частицами?

Механизм Хиггса работает по простому правилу: чем сильнее частица взаимодействует с полем, тем она тяжелее. Это означает, что для тяжелых частиц третьего поколения (например, топ-кварка) это взаимодействие, или юкавская связь, очень сильное. Мы легко видим эти процессы в коллайдере.

Но мюон — это второе поколение. Он намного легче. Следовательно, его связь с бозоном Хиггса слабее, а сам процесс распада Хиггса на два мюона происходит крайне редко.

Согласно Стандартной модели, вероятность такого распада составляет 2,17 x 10⁻⁴. Это примерно два случая на каждые десять тысяч рожденных бозонов. Найти эти редкие события на фоне миллиардов других столкновений — задача на грани возможностей современной техники.

Что именно увидел детектор ATLAS?

Физики объединили данные двух периодов работы Большого адронного коллайдера: Run-2 и новейшего Run-3. Последний обеспечил столкновения протонов при рекордной энергии 13,6 ТэВ. Общий объем проанализированных данных огромен — интегральная светимость составила 165 обратных фемтобарн.

Результат анализа — отчетливый избыток событий в районе массы 125 ГэВ. Именно столько весит бозон Хиггса.

Статистическая значимость этого сигнала составила 3,4σ (сигма). Это высокая вероятность того, что увиденный горб на графике — не случайная флуктуация фона, а реальный физический процесс. Значение 3,4σ — это веское доказательство. Хотя до «золотого стандарта» открытия в 5σ еще нужно набрать статистику, полученный результат уже позволяет утверждать: мы видим доказательства распада Хиггса на мюоны.

Как отделить сигнал от шума?

Это главная сложность эксперимента. Процесс рождения пары мюонов может происходить и без участия бозона Хиггса — например, через процесс Дрелла-Яна (рождение через виртуальный фотон или Z-бозон). Этот фоновый шум в тысячи раз превышает искомый сигнал.

Как найти иголку, если стог сена размером с гору?

Команда ATLAS использовала методы машинного обучения. Они применили бустинг деревьев решений и нейронные сети для классификации событий. Алгоритмы обучались на симуляциях, чтобы различать тонкие кинематические отличия между сигналом (распад Хиггса) и фоном.

Нейросеть анализировала десятки параметров: импульсы мюонов, углы их разлета, наличие дополнительных струй частиц. Это позволило выделить категории событий с высоким соотношением сигнала к фону. Например, в категории ttH-High чистота отбора достигает 99%.

Подвохи?

Любой экспериментатор спросит: совпадает ли измеренная сила взаимодействия с теорией?

Параметр силы сигнала (μ), полученный ATLAS, равен 1,4 +- 0,4. Стандартная модель предсказывает ровно 1. Полученное число находится в пределах погрешности от единицы. Это означает, что наши текущие представления о материи верны. Поле Хиггса действительно дает массу частицам второго поколения, и делает это именно так, как предсказывали теоретики полвека назад.

Как это повлияет на будущее физики?

Это исследование — первый прямой зонд взаимодействия Хиггса с фермионами второго поколения. Мы выходим за пределы изучения только самых тяжелых частиц.

Результат ATLAS подтверждает универсальность механизма Хиггса. Он не избирателен, он работает и для тяжелых гигантов, и для легких мюонов. Впереди — накопление еще большей статистики, которое, вероятно, превратит эти доказательства в окончательное наблюдение с точностью выше 5σ.

Но уже сейчас можно сказать: Стандартная модель снова устояла.

Источник: Physical Review Letters