В результате анализа данных о миллионах столкновений протонов, зарегистрированных на Большом адронном коллайдере за период в восемь лет, ученые выявили статистические признаки возможного образования пар бозонов Хиггса. Подтверждение существования подобного явления позволит установить, как частицы взаимодействуют между собой, и предоставит информацию для оценки устойчивости Вселенной.

Обнаружение бозона Хиггса в 2012 году стало знаменательным событием в истории науки. Последующие исследования позволили детально изучить взаимодействие этой частицы с другими элементарными компонентами. Полученные данные подтвердили теоретические представления о происхождении массы материи. При этом ученые до настоящего времени не регистрировали взаимодействия бозона Хиггса с самим собой.

Данный процесс известен как самодействие и имеет решающее значение для проверки корректности Стандартной модели. Параметры этого взаимодействия могут внести ясность в вопрос о стабильности физического вакуума Вселенной. Однако одновременное образование двух бозонов Хиггса – крайне редкое событие: на каждые 1500 одиночных бозонов приходится лишь одна пара.

Исследователи, работающие в рамках проектов ATLAS и CMS, предприняли попытку обнаружить следы подобного эффекта путем анализа накопленных данных. Результаты проведенного научного исследования представили на конференции ICHEP и в двух препринтах.

Парные бозоны существуют чрезвычайно короткий промежуток времени, поэтому исследователи искали продукты их распада. В ходе анализа ученые сконцентрировались на определенной схеме: один бозон распадается на нижний кварк и антикварк, а второй – на тау-лептон и его античастицу.

Процесс поиска был затруднен из-за наличия фонового шума. Поскольку тау-лептоны при распаде порождают нейтрино, которые практически не взаимодействуют с материей и поэтому остаются незарегистрированными, это создаёт сложности в реконструкции картины взаимодействия частиц. Для отделения полезного сигнала от шума физики использовали методы машинного обучения и объединили данные, полученные на предыдущем этапе эксплуатации Большого адронного коллайдера, с информацией, собранной в период с 2015 по 2023 год (третий сезон).

Проведенный анализ продемонстрировал увеличение числа событий, напоминающих рождение пар бозонов, по сравнению с ранее зарегистрированными. Команда ATLAS зафиксировала превышение сигнала на уровне 2,6 стандартных отклонений от ожидаемого уровня шума. Сотрудники группы CMS провели более строгий расчет и установили верхние границы для вероятности рождения пар бозонов, исключив возможность их появления в шесть раз чаще, чем предсказывает Стандартная модель.

Анализ свежих массивов информации позволил ученым прийти к заключению о том, что парное рождение бозонов Хиггса является реальным явлением. Тем не менее, специалисты отметили ограниченность текущего объема статистических данных, необходимого для детального изучения данного процесса. Для получения окончательных подтверждений требуется проведение большего количества экспериментов и фиксация большего числа столкновений.

В результате проведенной работы физики смогли значительно уменьшить область поиска и установить новые ограничения на параметры самовзаимодействия бозона Хиггса, несмотря на то, что сам эффект пока остается скрытым за статистическими флуктуациями. В дальнейшем повышение интенсивности пучков коллайдера позволит увеличить объем собранных данных примерно в шесть раз, что должно способствовать более четкому выделению сигнала.