» » Процесс рождения ttH окончательно открыт, но уже не вызывает энтузиазма теоретиков

Процесс рождения ttH окончательно открыт, но уже не вызывает энтузиазма теоретиков


Процесс рождения ttH окончательно открыт, но уже не вызывает энтузиазма теоретиков

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 5,2?. 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 6,3?. 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 u(ttH) = (1,26^{+0,31}_{–0,26}) по данным CMS и u(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 4σ. 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.


Процесс рождения ttH окончательно открыт, но уже не вызывает энтузиазма теоретиков

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.

Источники:
1) CMS Collaboration. Observation of ttH production // Physical Review Letters 120, 231801 (2018). Препринт статьи доступен также как arXiv:1804.02610.
2) ATLAS Collaboration. Observation of Higgs boson production in association with a top quark pair at the LHC with the ATLAS detector // препринт arXiv:1806.00425.

Игорь Иванов


22 июль 2019 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

ICHEP 2018: спиновые корреляции при рождении топ-кварков существенно расходятся с теорией

Большой адронный коллайдер, похоже, наткнулся еще на одну аномалию. Коллаборация ATLAS, изучив процесс рождения топ-кварка и антикварка и измерив корреляцию между их спинами, получила странный

Куда двигаться коллайдерной физике в следующем десятилетии?

Коллайдерная физика элементарных частиц на перепутье. Большой адронный коллайдер будет работать до 2037 года, но никто не может гарантировать, что он откроет долгожданную Новую физику. Уже давно

Загадочное отклонение, обнаруженное CMS в статистике Run 1, не подтвердилось в данных 2016 года

Выполняя рутинный поиск эффектов Новой физики в канале рождения мюонных пар и b-струй, коллаборация CMS обнаружила в данных Run 1 неожиданно сильное отклонение от фона при инвариантной массе мюонной

Эксперимент NOvA получил первые — и неожиданные — результаты с пучком антинейтрино

В начале июня в Гейдельберге прошла крупнейшая конференция в области нейтринной физики. На ней были представлены важные результаты многих нейтринных экспериментов. Одним из главных событий стал

Предложен компромиссный вариант будущего электрон-позитронного коллайдера

У тупиковой ситуации вокруг Международного линейного коллайдера может найтись неожиданно элегантное решение — Международный продолговатый коллайдер, расположенный на Курильских островах. Такая схема

Андронный коллайдер - чудо технологий

Андронный коллайдер - чудо технологийУченые из Европейского центра ядерных исследований (CERN) осуществили в среду первый пробный запуск пучка протонов по кольцу Большого адронного коллайдера,
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
Эффективна ли саентология?«Заливы Каролины»Почему одни нации богатые, а другие — бедные?Люди могут отращивать хрящи, как саламандрыСветодиодные светильники для наружного освещенияРоссийский аппарат к Луне стартует не раньше 2026 годаПочему мы стареем? Новая теория ученыхNASA получило новые снимки Большого красного пятна Юпитера