В ходе анализа обширного объема информации о столкновениях элементарных частиц ученые впервые получили статистически подтвержденные данные о распаде бозона Хиггса на мюон и антимюон. Этот факт свидетельствует о том, что фундаментальный механизм, отвечающий за придание массы, 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 во Вселенной возникает масса. Согласно теории, элементарные частицы получают массу, взаимодействуя с особым полем. Степень «застревания» частицы в этом поле и её взаимодействие с бозоном, являющимся его проявлением, определяет её вес.
На данный момент наукой получены убедительные свидетельства, подтверждающие связь бозона с самыми массивными частицами, входящими в состав материи и относящимися к третьему поколению. В качестве примера можно привести топ-кварки. Более высокая масса облегчает обнаружение следов взаимодействия. Для более легких объектов второго поколения подобный механизм долгое время оставался чисто теоретической гипотезой из-за недостаточной чувствительности используемых приборов и ограниченного объема накопленных данных.
Мюоны относятся ко второму поколению элементарных частиц. Эти частицы напоминают электроны, однако их масса составляет приблизительно в 200 раз больше. Превращение бозона Хиггса в мюон и антимюон происходит нечасто – примерно в одной из пяти тысяч случаев. Обнаружение подобного события на детекторах представляет собой сложную задачу, так как оно теряется среди миллиардов других взаимодействий, происходящих в коллайдере.
Группа исследователей анализировала данные, полученные с детектора ATLAS, расположенного на Большом адронном коллайдере в европейском центре CERN. Для выявления слабого сигнала авторы объединили информацию, собранную в течение двух этапов эксплуатации ускорителя – сеансов Run 2 и недавнего Run 3. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Физики исследовали столкновения протонов, используя энергию, достигшую рекордного уровня — 13,6 тераэлектронвольта. В процессе этих столкновений возникало огромное количество частиц, которые немедленно распадались. Целью исследования было выявление пар, состоящих из мюона и антимюона, образовавшихся в результате распада бозона Хиггса, а не других процессов.
Основная сложность заключалась в необходимости вычленить значимые данные из нерелевантных. Мюонные пары нередко возникают в процессах, не имеющих отношения к Хиггсу. Для устранения такого фонового воздействия, эксперты распределили события по различным категориям на основе их параметров и использовали алгоритмы машинного обучения для классификации сигналов. Это дало возможность более точно реконструировать картину процессов, протекающих в ядре детектора.
В результате обработки объединенных данных обнаружено 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 составляет 3,4 стандартного отклонения.
В физике элементарных частиц данный параметр указывает на крайне малую вероятность случайной ошибки. Полученные значения оказались выше результатов эксперимента CMS, где уровень значимости составил 3,0. Обнаруженный сигнал был на 1,4 раза сильнее теоретически ожидаемого, однако это отклонение находится в пределах допустимой 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.