Эксперимент CMS использует новые данные в поисках пар бозонов Хиггса

Коллаборация CMS недавно представила новые результаты исследования рождения пар бозонов Хиггса. Исследование основано на данных протонных столкновений при энергии в системе центра масс 13,6 ТэВ, зарегистрированных детектором CMS в период с 2022 по 2024 год. Основное внимание уделяется поиску процесса, в котором один бозон Хиггса распадается на пару b-кварк—анти-b-кварк, а другой бозон Хиггса распадается на пару τ-лептон—анти-τ-лептон, то есть каналу HH→bbττ.

С момента открытия бозона Хиггса в 2012 году коллаборации CMS и ATLAS непрерывно измеряют взаимодействия бозона Хиггса с другими частицами Стандартной модели; в целом полученные результаты по-прежнему согласуются с предсказаниями Стандартной модели. В отличие от этого, «самосвязь» между несколькими бозонами Хиггса ещё требует дальнейшей экспериментальной проверки. Процесс рождения пар бозонов Хиггса является важным способом изучения этого вопроса и может также дать ключ к поиску новой физики за пределами Стандартной модели.

На Большом адронном коллайдере пары бозонов Хиггса могут рождаться в основном через два механизма: слияние глюонов и слияние векторных бозонов. Первый механизм способствует изучению самосвязи бозона Хиггса, а второй может быть использован для исследования взаимодействия двух бозонов Хиггса с двумя W- или Z-бозонами. Поскольку эти два процесса дают различные топологии событий в детекторе, исследователи могут различать источники событий и независимо ограничивать соответствующие интенсивности взаимодействий.

Рисунок выше: событие-кандидат HH→bbττ, зарегистрированное экспериментом CMS во время набора данных в 2024 году.

В данном анализе использованы данные объёмом 172 fb⁻¹, собранные в период с 2022 по 2024 год. Результаты показывают, что при доверительном уровне 95% CMS устанавливает верхний предел наблюдаемой скорости рождения пар бозонов Хиггса на уровне 6,6 от предсказанного значения Стандартной модели; верхний предел для рождения пар бозонов Хиггса через слияние векторных бозонов составляет 81 от предсказания Стандартной модели.

Рисунок выше: наблюдаемые и ожидаемые пределы на сечение рождения HH при доверительном уровне 95%.

Исследование также объединило данные объёмом 138 fb⁻¹, собранные в 2016–2018 годах при энергии в системе центра масс 13 ТэВ. Объединённые результаты показывают, что при доверительном уровне 95% верхний предел на полное сечение рождения пар бозонов Хиггса составляет 4,0 от предсказания Стандартной модели; интенсивность самосвязи бозона Хиггса ограничена диапазоном от -2,5 до 9,4, а интенсивность связи двух бозонов Хиггса с двумя векторными бозонами ограничена диапазоном от 0,02 до 2,1.

Поскольку скорость рождения пар бозонов Хиггса примерно в 1000 раз ниже, чем у одиночного бозона Хиггса, такие исследования предъявляют высокие требования к объёму данных и методам анализа. Для повышения чувствительности в данном анализе CMS внедрила более эффективные алгоритмы триггера и новые методы машинного обучения. В дальнейшем, по мере накопления дополнительных данных в 2025 и 2026 годах и проведения статистического комбинирования с другими каналами распада, чувствительность поиска пар бозонов Хиггса, как ожидается, продолжит расти. Планируемый к вводу в эксплуатацию около 2030 года Большой адронный коллайдер высокой светимости также обеспечит условия для регистрации CMS образцов данных большего объёма.