Рис. 1. Статистика событий рождения топ-кварк-антикварковой пары и двух фотонов большой энергии демонстрирует в распределении по инвариантной массе двух фотонов четкий пик на массе бозона Хиггса, что позволяет уверенно говорить о регистрации процесса ttH. Изображение из статьи: ATLAS Collaboration. Observation of Higgs boson production in association with a top quark pair at the LHC with the ATLAS detector

После нескольких лет поисков коллаборации ATLAS и CMS наконец сообщили о надежном открытии процесса рождения хиггсовского бозона в сопровождении топ-кварк-антикварковой пары. Интенсивность рождения в пределах погрешности согласуется с предсказаниями Стандартной модели. Несколько лет назад вокруг этого процесса царил ажиотаж, однако к настоящему моменту все страсти улеглись, и теоретики встретили сообщения CMS и ATLAS очень прохладно.

В физике элементарных частиц, среди огромного многообразия реакций рождения и распада самых разных частиц, существует небольшой, но очень важный класс процессов знаковых, ключевых, краеугольных для дальнейшего развития того или иного раздела физики частиц. Эти процессы стоят особняком и для теоретиков, и для экспериментаторов. Они, как правило, трудны для экспериментальной регистрации; в отдельных случаях физики охотятся за ними десятилетиями. С другой стороны, именно через них можно впервые прощупать новую грань того, как работает Вселенная на уровне микромира. Они исключительно привлекательны и для теоретиков: ведь если в этих процессах обнаружится существенное отклонение от ожиданий Стандартной модели (СМ), это может стать предвестником фейерверка открытий и началом новой эры в физике частиц.

Несколько таких процессов уже было обнаружено на Большом адронном коллайдере. Это, прежде всего, рождение бозона Хиггса, а также некоторые сверхредкие распады B-мезонов. В эту же группу можно отнести еще один процесс с участием бозона Хиггса — его одновременное рождение вместе с топ-кварк-антикварковой парой — рождение системы ttH. На днях, после четырех лет поисков, сюрпризов, надежд и разочарований, этот процесс был наконец объявлен открытым, окончательно и бесповоротно. Оба крупнейших детектора Большого адронного коллайдера, ATLAS и CMS, видят четкое указание на этот процесс на уровне статистической значимости выше 5 сигм, что в физике элементарных частиц считается порогом для заявления об открытии.

Коллаборация CMS сообщила об этом еще в апреле, выпустив препринт, который в начале июня был опубликован в журнале Physical Review Letters. Их результат базировался на статистике 2016 года, объединенной с данными Run 1 (2010–2012 годы), благодаря чему совокупная статистическая значимость сигнала составила 5,2σ. Коллаборация ATLAS завершила свой анализ чуть позднее, опубликовав результаты только в начале июня. Зато она включила и данные 2017 года, доведя полную интегральную светимость до 80 fb–1, а статистическую значимость — до 6,3σ. Эта работа стала одной из самых первых публикаций, в которых наконец-то стала учитываться рекордная по своему объему статистика 2017 года. Интенсивность сигнала — то есть количество зарегистрированных случаев рождения ttH по сравнению с ожиданиями СМ — составила μ(ttH) = (1,26^{+0,31}_{–0,26}) по данным CMS и μ(ttH) = (1,32^{+0,28}_{–0,26}) по данным ATLAS. В обоих случаях результат в пределах погрешностей согласуется со Стандартной моделью.

Рассказ об этих исследованиях появился на сайте ЦЕРНа, в журналах Physics и CERN Courier и на сайтах коллабораций. В заметке New ATLAS result establishes production of Higgs boson in association with top quarks можно найти анимацию того, как по мере накопления данных проступал сигнал рождения системы ttH в детекторе ATLAS. Новость разошлась также по многим СМИ, в очередной раз всколыхнув интерес публики к результатам коллайдера. Но надо отметить, что те штампованные торжественные формулировки, в которых сейчас облекается сообщение об этом открытии, скрывают от читателей самую интересную часть этой истории, длившейся несколько лет и ставшей источником вдохновения для сотен теоретиков. Можно даже сказать так: если три года назад вокруг этого процесса был настоящий ажиотаж, то к настоящему моменту все страсти улеглись, и теоретики сейчас встречают сообщения CMS и ATLAS прохладно, если не равнодушно.

Напомним кратко эту историю, за которой мы начиная с 2015 года следили на странице Комбинация топ-антитоп-хиггс. Первый намек на рождение ttH появился в публикации CMS 2014 года. Уже сам факт того, что в сеансе Run 1 были видны следы этого редкого процесса, вызывали у физиков удивление — по оценкам СМ, статистики Run 1 для этого не должно было хватать. Оценив по данным вероятность этого процесса, коллаборация CMS получила почти трехкратное превышение по сравнению со Стандартной моделью! Теоретики с радостью принялись объяснять эту аномалию в разных моделях Новой физики. Дело в том, что топ-кварк, в силу своей ненормально большой массы и, как следствие, интенсивной связи с бозоном Хиггса, всегда вызывал у теоретиков подозрение. Поэтому отклонение в рождении системы ttH вполне соответствовало ожиданиям, что тут есть место для нестандартных эффектов. Многие тогда ощущали, что физики вот-вот нащупают «болевую точку» Стандартной модели.

Данные ATLAS появились чуть позже и ситуацию не прояснили. В сентябре 2015 года, когда хиггсовские данные двух детекторов были официально объединены, аномалия в ttH-рождении сохранялась и продолжала будоражить воображение. К тому же все ждали первые данные Run 2 — ведь при повышении энергии столкновений до 13 ТэВ этот процесс рождения должен резко, вчетверо усилиться по сравнению с сеансом Run 1. Было ясно, что 2016 год либо принесет большую сенсацию, либо закроет аномалию. К тому же в первой половине 2016 года физики пережили сильнейший за последние десятилетия шок, когда появился из ниоткуда и исчез в никуда двухфотонный всплеск при 750 ГэВ. Едва оправившись от удара, физики говорили, что, по крайней мере, ttH-аномалия пока держится, ибо первые данные 2016 года еще сохраняли какую-то интригу. Однако в течение всего 2017 года надежды неумолимо таяли, и к декабрю стало ясно, что ничего ловить тут, увы, не приходится.

К началу 2018 года статистическая значимость этого сигнала составляла уже 4у. По мере того как крепла надежность свидетельств в его пользу, энтузиазм теоретиков, напротив, улетучивался. Интенсивность взаимодействия бозона Хиггса с топ-кварками получалась совершенно стандартной, и было ясно, что осталось поднажать еще совсем немного, и процесс будет официально открыт. Именно это и произошло на днях. Конечно, это важный процесс, за которым физики охотились столько лет; это своеобразный «чекпойнт» хиггсовской программы коллайдера. Но былого воодушевления у теоретиков он сейчас уже не вызывает.

С точки зрения экспериментального результата важно не только само по себе надежное открытие этого процесса, но и то, что физики научились справляться с такой сложнейшей для анализа системой (рис. 2). Ведь все три рожденные частицы — топ-кварки и бозон Хиггса — распадаются, причем на самые разные конечные состояния. Вдобавок, продукты их распадов могут сильно мешать друг другу и затруднять отбор событий.

Рис. 2. Событие — кандидат в рождение системы ttH с определенным каналом распада. Изображение с сайта home.cern

Собственно, данные 2016 года пришлось обрабатывать так долго именно из-за исключительной запутанности рожденного набора частиц. В 2017 году, демонстрируя на конференциях предварительные противоречащие друг другу результаты по отдельным каналам распада, экспериментаторы честно признавали: видимо, мы пока плохо умеем распутывать такие сложные процессы. Сейчас они с этой задачей справились, а это значит, что теперь можно замахнуться и на другие, еще более сложные реакции рождения.

Источник: elementy.ru