Физики объединили несколько исследований пар бозонов Хиггса и открыли ключ к разгадке стабильности Вселенной

Помните, как сложно было найти один бозон Хиггса? Попробуйте найти двоих в одном месте одновременно. Этот увлекательный процесс, известный как образование ди-Хиггса, может рассказать ученым о самодействии бозона Хиггса.

Изучая его, физики смогут измерить силу «самосвязи» бозона Хиггса, которая является фундаментальным аспектом Стандартной модели, связывающей механизм Хиггса и стабильность нашей Вселенной.

Поиск продукции ди-Хиггса представляет собой особенно сложную задачу. Это очень редкий процесс, примерно в 1000 раз более редкий, чем образование одного бозона Хиггса. Ожидается, что за весь второй запуск Большого адронного коллайдера (БАК) в ATLAS будет произведено всего несколько тысяч ди-Хиггсовских событий по сравнению с 40 миллионами столкновений, происходящих каждую секунду.

Так как же физики смогут найти эти редкие иголки в стоге сена? Один из способов облегчить поиск продукции ди-Хиггса — это искать ее в нескольких местах. Рассмотрев различные способы распада ди-Хиггса (режимы распада) и соединив их вместе, физики могут максимизировать свои шансы найти и изучить образование ди-Хиггса.

Исследователи из коллаборации ATLAS теперь выпустили самый чувствительный поиск по образованию и самосвязи ди-Хиггса, достигнутый путем объединения пяти исследований ди-Хиггса данных LHC Run 2. Этот новый результат на данный момент является их наиболее полным поиском, охватывающим более половины всех возможных ди-хиггсовских событий в ATLAS. Исследование также опубликовано на сайте arXiv сервер препринтов.

Каждое из пяти отдельных исследований в этой комбинации было сосредоточено на различных режимах распада, каждый из которых имеет свои плюсы и минусы. Например, наиболее вероятный режим распада ди-Хиггса — на четыре нижних кварка. Однако процессы КХД Стандартной модели также могут создавать четыре нижних кварка, что затрудняет отличие ди-хиггсовского события от этого фонового процесса.

Распад ди-Хиггса на два нижних кварка и два тау-лептона имеет умеренное фоновое загрязнение, но встречается в пять раз реже и содержит нейтрино, которые ускользают незамеченными, что усложняет способность физиков реконструировать распад. Распад на несколько лептонов, хотя и не слишком редок, имеет сложные характеристики.

Другие ди-хиггсовские распады еще более редки, например, распад на два нижних кварка и два фотона. Это конечное состояние составляет лишь 0,3% от общего числа ди-хиггсовских распадов, но имеет более четкую сигнатуру и гораздо меньшее фоновое загрязнение.

Объединив результаты поиска каждого из этих распадов, исследователи смогли обнаружить, что вероятность рождения двух бозонов Хиггса исключает значения, более чем в 2,9 раза превышающие предсказания Стандартной модели. Этот результат имеет уровень достоверности 95% с ожидаемой чувствительностью 2,4 (при условии, что этот процесс не существует в природе).

Исследователи также смогли ввести ограничения на силу самосвязи бозона Хиггса, добившись лучшей на данный момент чувствительности этой важной наблюдаемой. Они обнаружили, что величина константы самосвязи Хиггса и сила взаимодействия двух бозонов Хиггса и двух векторных бозонов согласуются с предсказаниями Стандартной модели.

Этот совокупный результат стал важной вехой в изучении образования ди-Хиггса. Теперь исследователи ATLAS сосредоточили свое внимание на данных текущего запуска LHC 3 и предстоящей операции LHC с высокой светимостью. Благодаря этим данным физики, возможно, смогут наконец наблюдать неуловимое рождение пар бозонов Хиггса.