В августе 2023 года эксперимент ATLAS, который проводится на Большом адронном коллайдере (БАК), опубликовал статьи, подводящие итоги первого и второго сеансов набора экспериментальных данных. В публикациях приводится значения массы бозона Хиггса и эффективного времени жизни B_s⁰ мезона для редкого распада B_s⁰ → μ⁺μ^–. Сотрудники Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» — ПИЯФ принимают активное участие в работе эксперимента ATLAS и являются соавторами научных работ, направленных в печать.

Эксперименты БАК продолжают обработку данных, набранных в ходе второго этапа работы ускорителя. В августе эксперимент ATLAS подвел итоги измерения массы бозона Хиггса (H).

Напомним, что бозон Хиггса является квантом скалярного вакуумного поля, заполняющего нашу Вселенную. Его существование было предсказано еще в 60-х года прошлого века, а сама частица была открыта только в 2012 году в экспериментах ATLAS и CMS на БАК. В Стандартной Модели (СМ) физики частиц, механизм Энглера-Браута-Хиггса дает массу всем элементарным частицам (векторным бозонам, кваркам, заряженным лептонам). При этом, чем массивнее частица, тем интенсивнее бозон Хиггса взаимодействует с ней. Для расчетов важно как можно точнее знать массу бозона хиггса H. Следует особо отметить, что масса хиггсовской частицы сама по себе является параметром СМ, то есть не может быть выведена из других параметров этой теории. Таким образом измерение m_H является измерением одной из фундаментальных констант нашего мира.

Распады бозона Хиггса изучают по пяти каналам: распад на два фотона, на два Z-бозона (с последующими распадами Z на пары лептон-антилептон), на два τ-лептона, на W⁺W^– пару и на пару b-кварков. При этом первые два канала распада позволяют экспериментально зафиксировать все частицы из распада H, а значит точно измерить массу распадающейся частицы.

Недавно эксперимент ATLAS направил в печать (и разместил в электронном архиве препринтов) две работы по это тематике. В первой рассказывается про измерение m_H в распаде H → γγ, выполненного на всей статистике, набранной в ходе второго этапа работы БАК, а во второй — про объединение этих результатов и данных, полученных из канала распада на четыре лептона.

На рисунке 1 представлен сигнал, соответствующий бозону Хиггса, реконструированному по распаду на два фотона. Небольшой вклад сигнала по сравнению с уровнем фона смущать не должен; каждая точка хорошо статистически обеспечена. Анализ этого спектра позволил извлечь m_H.

Рис. 1. Спектр масс системы двух фотонов в районе массы бозона Хиггса. Источник: препринт статьи ALTAS.

Из-за высокой статистики распад H → γγ обладает чуть лучшей чувствительностью к массе этой скалярной частицы, чем канал распада бозона Хиггса на четыре лептона. Однако, разница не велика. Это видно из рисунка 2, где проводится сравнение, а также представленный объединённое значение:

m_H ^ATLAS = 125,11 ± 0,11 ГэВ/c².

Рис. 2. Результаты измерения m_H по отдельным каналам H → γγ и H → ZZ^∗ → 4ℓ и их комбинациям. Приведенные погрешности для каждой точки соответствует статистической и систематической ошибке; желтые горизонтальные полосы представляют вклад статистической составляющей; вертикальная красная линия и серая полоса представляют объединенный результат. Источник: препринт статьи ATLAS.

Пока что в обще неопределенности этого измерения доминирую статистические погрешности, а значит с увеличением статистики можно надеяться на улучшение точности.

Следующей важной задаче является объединение полученных значений с измерениями эксперимента CMS.

Другой интересной работой, выпущенной экспериментом ATLAS в августе, стало измерение эффективного времени жизни B_s⁰ мезона для редкого распада B_s⁰ → μ⁺μ^– (обозначается τ_μμ). Такие измерения являются, еще одним возможным инструментом для косвенного поиска эффектов, выходящих за пределы СМ. Казалось бы, зачем использовать для такого измерения очень редкий канал распада, ведь доступны намного более интенсивные процессы! Дело в том, что собственное состояние по аромату B_s⁰ является смесью двух массовых состояний, для которых определены не только массы, но и времена жизни. В СМ только тяжелое состояние может распадаться на пару μ⁺μ^–, но Новая физика может нарушить этот сценарий. В рамках СМ предсказывается следующее эффективное время жизни:

τ_μμ^СМ = (1,624 ± 0,009) пс.

Рис. 3. Спектр масс системы двух мюонов в районе масс прелестных мезонов. Вклад сигнала от распада B_s⁰ → μ⁺μ^– показан синей пунктирной линией. Полное описание спектра показано черной линией. Внизу разница между измеренным спектром и описывающей его моделью. Источник: препринт статьи ATLAS.

На сегодняшний день τ_μμ измеряли в экспериментах LHCb и CMS, в которых получены значения 2,07 ± 0,29 пс и 1,83_−0,20^+0,23 пс, соответственно. Теперь для этой величины стали доступны и измерения ATLAS. На рисунке 3 показано как выглядит выделенный сигнал исследуемого распада, а на рисунке 4 приведено распределение сигнальных событий по времени жизни. Спектр по времени жизни определяется как величиной τ_μμ, так и аксептансом и эффективностями реконструкции и отбора. Последние можно получить путем Монте-Карло моделирования (MC), а значит извлечь эффективное время жизни.

Рис. 4. Распределение времени жизни для выделенного сигнала событий распада B_s⁰ → μ⁺μ^–. Красная гистограмма соответствует ожидаемому распределению при τ = 0,99 пс. Источник: препринт статьи ATLAS.

Измеренное экспериментом ATLAS эффективное время жизни оказалось немного меньше величин, полученных LHCb и CMS:
τ_μμ= (0,99_−0,07^+0,42_стат. ± 0,17_сист.) пс, однако погрешности измерения все же еще велики. Это еще не окончательное значение эксперимента ATLAS, так как проанализированы только данные 2015–16 гг. Примечательно, что наивное усреднение результатов трех измерений в точности совпадает с предсказаниями СМ.

Источник: Петербургский институт ядерной физики им. Б. П. Константинова Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» (НИЦ «Курчатовский институт» — ПИЯФ).