Эксперимент ATLAS впервые наблюдал распад бозона Хиггса в мюоны и антимюоны.

Новости МирТесен

В результате анализа обширного объема информации, полученной при столкновениях элементарных частиц, ученые впервые получили статистически обоснованные доказательства распада бозона Хиггса в мюон и антимюон. Этот факт указывает на то, что фундаментальный процесс, посредством которого частицы приобретают массу, действует не только в отношении тяжелых частиц, но и в отношении более легких.

Бозон Хиггса был открыт более десяти лет назад, и это открытие позволило понять, как возникает масса во Вселенной. Теория предполагает, что элементарные частицы получают массу, взаимодействуя с особым полем. Степень «застревания» частицы в этом поле и интенсивность взаимодействия с бозоном, его проявлением, определяет её вес.

На данный момент научный мир располагает убедительными доказательствами, подтверждающими взаимосвязь бозона с самыми массивными частицами, входящими в состав материи и относящимися к третьему поколению. В качестве примера можно привести топ-кварки. Обнаружить проявление взаимодействия становится легче по мере увеличения массы. Для более легких частиц второго поколения подобный подход долгое время оставался лишь гипотетическим, поскольку исследователи не имели достаточной чувствительности измерительных приборов и необходимого объема статистических данных.

Мюоны относятся ко второму поколению элементарных частиц. Эти частицы напоминают электроны, однако их масса в 200 раз превышает массу электрона. Превращение бозона Хиггса в мюон и антимюон происходит нечасто – приблизительно в одной из пяти тысяч случаев. Обнаружение подобного события на детекторах представляет собой сложную задачу, поскольку оно теряется среди миллиардов других взаимодействий в коллайдере.

Группа ученых анализировала данные, полученные с детектора ATLAS, расположенного на Большом адронном коллайдере в Европейской организации ядерных исследований (CERN). Для выявления слабого сигнала исследователи объединили информацию, собранную в ходе двух этапов работы ускорителя: Run 2 и недавний Run 3. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Физики исследовали взаимодействия протонов при энергиях, достигших рекордного уровня – 13,6 тераэлектронвольта. В этих условиях возникало огромное количество частиц, которые тут же разрушались. Целью работы было выявление пар, состоящих из мюона и антимюона, образовавшихся непосредственно из бозона Хиггса, а не из других процессов.

Основная трудность состояла в необходимости отделить значимые данные от нерелевантных. Мюонные пары нередко возникают в процессах, не имеющих отношения к Хиггсу. Для устранения этого помехового фона эксперты распределили события по различным категориям, основываясь на их свойствах, и использовали алгоритмы машинного обучения для классификации сигналов. Это дало возможность более точно реконструировать картину происходящего в центральной части детектора.

Объединенные данные, подвергнутые анализу, показали превышение количества событий над фоновым уровнем. Это указывает на то, что детектор зарегистрировал больше пар мюонов, чем генерируется случайными помехами. Уровень статистической значимости полученного результата равен 3,4 стандартного отклонения.

В физике элементарных частиц этот параметр указывает на крайне низкую вероятность случайной ошибки. Полученные данные оказались выше, чем результаты конкурирующего эксперимента CMS, где уровень значимости составил 3,0. Интенсивность сигнала была на 1,4 раза больше прогнозируемого теоретическими расчетами, что соответствует допустимому уровню погрешности.

Экспериментальные исследования подтвердили, что мюоны приобретают массу благодаря хиггсовскому механизму. Этот результат стал первым прямым доказательством взаимодействия бозона с частицами второго поколения. Таким образом, стандартная модель физики элементарных частиц выдержала очередную тщательную проверку.