В ЦЕРН обнаружены статистические признаки парного рождения бозонов Хиггса

Физические группы ЦЕРН недавно обнаружили статистические признаки парного рождения бозонов Хиггса при анализе данных Большого адронного коллайдера. Исследователи проанализировали результаты миллионов столкновений за восемь лет работы коллайдера; соответствующие результаты были представлены на конференции ICHEP и оформлены в виде двух препринтов.

На рисунке — схема событий, связанных с рождением двух бозонов Хиггса, наблюдаемых детекторами ATLAS (слева) и CMS (справа)  ЦЕРН

Бозон Хиггса был открыт в 2012 году, и с тех пор физики непрерывно измеряют его взаимодействия с другими элементарными частицами, чтобы проверить объяснение стандартной модели происхождения массы материи. Однако явление взаимодействия бозона Хиггса с самим собой до сих пор не было непосредственно наблюдаемо. Этот процесс самовзаимодействия имеет важное значение для проверки стандартной модели, а также способствует изучению стабильности физического вакуума Вселенной.

Однако парное рождение бозонов Хиггса крайне редко. В протонных столкновениях на каждые примерно 1500 одиночных бозонов Хиггса может появляться лишь одна пара. Поскольку время жизни этих частиц крайне мало, исследователи не могут наблюдать их напрямую в течение длительного времени и вынуждены искать следы по продуктам их распада.

Две международные коллаборации — ATLAS и CMS — сосредоточились на анализе одного класса событий: один бозон Хиггса распадается на нижний кварк и анти-нижний кварк, а другой — на тау-лептон и его античастицу. Поскольку распад тау-лептона порождает трудно обнаруживаемые нейтрино, реконструкция событий затруднена фоновым шумом. Поэтому исследователи применили алгоритмы машинного обучения для выделения возможных целевых сигналов из сложных данных, объединив данные предыдущих этапов работы Большого адронного коллайдера с ранними данными третьего этапа работы (2015–2023 годы).

Результаты показывают увеличение числа событий, подобных парному рождению бозонов Хиггса, по сравнению с предыдущими наблюдениями. Коллаборация ATLAS зафиксировала интенсивность сигнала, превышающую ожидаемый фон на 2,6 стандартных отклонения; коллаборация CMS, в свою очередь, установила более строгие ограничения, исключив возможность того, что скорость парного рождения бозонов Хиггса в четыре раза превышает предсказание стандартной модели.

Исследователи считают, что новые данные дают прямые указания на процесс парного рождения бозонов Хиггса, однако текущая статистическая значимость всё ещё недостаточна для подтверждения наблюдения. В будущем, с переходом Большого адронного коллайдера в режим высокой светимости, ожидается значительное увеличение объёма данных, что позволит дополнительно снизить статистический шум и сделать сигнал этого редкого процесса более чётким.