CMS регистрирует пары лептонов с рекордно высокой энергией, проверяя возможность составного бозона Хиггса

Эксперимент CMS недавно использовал полный набор данных протон-протонных столкновений, собранных в ходе второго этапа работы Большого адронного коллайдера, а также за первые два года третьего этапа, то есть в 2022–2023 годах, для поиска признаков того, что бозон Хиггса может состоять из более мелких составляющих. Результаты анализа показывают, что экспериментальные данные соответствуют предсказаниям Стандартной модели, при этом признаков новой физики не обнаружено.

Является ли бозон Хиггса элементарной частицей или составной частицей с более глубокой структурой — давний вопрос физики элементарных частиц. Для проверки этой возможности команда CMS использовала два взаимодополняющих подхода: с одной стороны, прямой поиск новых тяжёлых частиц, которые могут рождаться на Большом адронном коллайдере; с другой стороны, косвенное обнаружение влияния новых частиц с большей массой, которые трудно произвести напрямую, через тонкие отклонения в процессах рождения высокоэнергетических электрон-позитронных пар и пар мюонов.

В данном исследовании анализировались события протон-протонных столкновений при энергии в системе центра масс 13 ТэВ и 13,6 ТэВ, из которых отбирались события, содержащие два высокоэнергетических электрона или два высокоэнергетических мюона, для изучения пар лептонов с массой до нескольких ТэВ. Среди них CMS зарегистрировал событие, состоящее из двух электронов с массой 5,2 ТэВ, — это событие с двумя электронами с наибольшей массой, когда-либо наблюдавшееся в данном эксперименте. Такие высокоэнергетические редкие события предоставляют важное окно для поиска новых частиц и взаимодействий за пределами Стандартной модели.

В исследовании также использовался новый метод моделирования. Этот метод не требует генерации отдельных независимых наборов моделирования для каждой гипотезы новой физики, а вместо этого позволяет прогнозировать эффекты, которые могут возникать в различных сценариях новой физики, путём повторного взвешивания результатов моделирования Стандартной модели, сохраняя при этом теоретическую точность.

Несмотря на отсутствие сигнала отклонения от Стандартной модели, данный анализ позволил получить наиболее строгие на сегодняшний день ограничения CMS на электрослабые наклонные параметры W и Y. Стандартная модель предсказывает, что эти два параметра равны нулю, и они могут использоваться для описания возможного влияния новых тяжёлых частиц способом, менее зависимым от конкретной модели. В сочетании с результатами поиска тяжёлых W′-бозонов в ходе второго этапа работы CMS данное исследование также установило наиболее сильные на сегодняшний день ограничения CMS на ряд моделей составного бозона Хиггса, что дополнительно сузило пространство параметров соответствующих теорий новой физики.

Оливер Карретеро, аспирант CIEMAT в Мадриде, участвовавший в исследовании, отметил, что, хотя доказательств составного бозона Хиггса пока не обнаружено, этот результат показывает, что прецизионные измерения на Большом адронном коллайдере обладают важными возможностями для поиска новой физики; с накоплением большего объёма данных в ходе будущих сеансов работы соответствующие методы позволят ещё больше повысить способность обнаружения косвенных признаков за пределами Стандартной модели.