Исследование ди-Хиггса: комбинированный поиск

Рождение двух бозонов Хиггса в одном и том же столкновении протонов - это гораздо больше, чем простое совпадение. Изучение этого процесса, известного как образование ди-Хиггса (“di-Higgs” production) или парное рождение бозонов Хиггса, позволяет физикам измерить силу спаривания (“self-coupling”) бозонов Хиггса - фундаментальный аспект Стандартной модели, связывающий механизм Хиггса и стабильность нашей Вселенной.

Однако измерение характеристик парного рождения бозонов Хиггса - особенно сложная задача. Это очень редкий процесс, примерно в 1000 раз более редкий, чем возникновение одного бозона Хиггса. Ожидается, что во время второго запуска LHC (2015-2018 гг.) было произведено всего около 4000 ди-Хиггсовских событий в 40 миллионах столкновений, происходящих каждую секунду.

Чтобы максимально увеличить шансы регистрации пары, исследователи изучают наиболее перспективные варианты превращений ди-Хиггса. Наиболее вероятным из них является испускание четырех боттом-кварков: $\backslash (HH\backslash rightarrow\; bbbb\backslash )$. Однако много других процессов также создают четыре бьюти-кварка при столкновениях, поэтому указанная "сигнатура" с наибольшей вероятностью может быть имитирована другими процессами Стандартной модели ("фоном"). Ди-Хиггсовский распад на два боттом-кварка и два тау-лептона ($\backslash (HH\backslash rightarrow\; bb\backslash tau\backslash tau\backslash )$) имеет умеренные фоновые помехи, но встречается в пять раз реже и сопровождается испусканием нерегестрируемых нейтрино, что усложняет способность физиков полностью реконструировать ди-Хиггсовское превращение. Напротив, ди-Хиггсовский распад на два $\backslash (b\backslash )$-кварка и два фотона ($\backslash (HH\backslash rightarrow\; bb\backslash gamma\backslash gamma\backslash )$) - один из самых редких доступных мод распада, но наличие двух фотонов делает его четко идентифицируемым в детекторе ATLAS. Также необходимо учитывать ди-хиггсовский "суп", когда два бозона Хиггса оставляют в детекторе многолептонный "след". Наконец, еще одна редкая мода распада - это образование двух боттом-кварков, двух лептонов и нейтрино ($\backslash (HH\; \backslash rightarrow\; bbll+ET\_\{miss\}\backslash )$).

У каждого из перечисленных выше вариантов распадов есть свои плюсы и минусы, и все они чувствительны к процессу образования ди-Хиггса. В новом анализе, проведенном коллаборацией ATLAS, физики объединили данные пяти ди-хиггсовских исследований второго запуска LHC. Объединив возможности всех каналов распада, исследователи получили наиболее чувствительный зонд процесса спаривания бозонов. Это дает важнейшую информацию, которая поможет физикам-теоретикам в разработке новых моделей.

Получение такого комбинированного результата потребовало тщательного изучения всех исследований, чтобы убедиться в совместимости статистических моделей и в том, что ни одно из отобранных ATLAS событий не перекрывается между каналами. Хотя физики проекта и раньше проводили комбинацию ди-Хиггсовских исследований в 2021 году, новая комбинация впервые включает мультилептонный канал и канал распада $\backslash (bbll+ET\_\{miss\}\backslash )$, а также улучшает анализы других каналов. Таким образом, новый результат является более основательным и всеобъемлющим, охватывая более половины всех возможных ди-хиггсовских распадов.

Основные результаты приведены в Подробнее.

Анализ исключает значения сечения рождения ди-Хиггса, которые более чем в 2,9 раза превышают предсказание Стандартной модели (рис. 1). Исследователи также ограничили, относительно предсказания Стандартной модели, величину самовзаимодействия Хиггса ($\backslash (\kappa \backslash lambda\backslash )$) и силу взаимодействия двух бозонов Хиггса и двух векторных бозонов ($\backslash (\kappa 2V\backslash )$). Это показано на рисунке 2, где $\backslash (\kappa \backslash lambda\backslash )$ ограничена между $\backslash (-1,2\backslash )$ и $\backslash (7,2\backslash )$, а $\backslash (\kappa 2V\backslash )$ - между $\backslash (0,57\backslash )$ и $\backslash (1,48\backslash )$. Оба измерения согласуются со значением $\backslash (1\backslash )$, которое соответствует предсказаниям Стандартной модели.

Ученые также рассмотрели, как физика за пределами Стандартной модели влияет на производство ди-Хиггса. Используя метод "Теории эффективного поля" (Effective Field Theory), физики предсказали, что в данных появятся результаты новых взаимодействий, а именно взаимодействие между двумя бозонами Хиггса и двумя топ-кварками ($\backslash (ttHH\backslash )$) или двумя глюонами ($\backslash (ggHH\backslash )$). Этот анализ устанавливает самые строгие ограничения на силу этих взаимодействий, как показано на рисунке 3. Наблюдаемые данные находятся в противоречии со Стандартной моделью, а вероятность того, что результаты могли возникнуть случайно (p-value), составляет $\backslash (3,1\backslash )$%.

Представленные результаты стали важной вехой в изучении ди-Хиггса по данным Запуска 2, обеспечив наилучшую на сегодняшний день чувствительность к силе спаривания двух бозонов Хиггса. Теперь исследователи ATLAS нацелились на данные, полученные в ходе третьего запуска LHC и предстоящему запуску LHC с высокой светимостью.