Higgsov bozon izgleda standardno u podacima iz 2016. godine • Igor Ivanov • Znanstvena vijest o "Elementima" • Higgs boson, Traženje nove fizike, fizika elementarne čestice

Higgsov bozon izgleda standardno u podacima iz 2016. godine

Sl. 1. "Staro poznanstvo" u podacima iz 2016. godine: raspodjela dvaju događaja u obliku nepromjenljive mase pri oduzimanju pozadine pokazuje glatki vrh Higgsa s masom od 125 GeV. Grafikon s cms-results.web.cern.ch

Na konferenciji serije Moriond 2017 održanoj u ožujku prvi put su predstavljeni rezultati velikog Hadron Collidera, dobivenog na svim statistikama 2016. godine. Higgs boson tradicionalno je uključen u popis tema kojima je posvećena posebna pažnja. Otvoren prije šest godina, Higgsov boks se okrenuo od samog kraja u istraživanje: pomoću njegove pomoći, fizičari sada pokušavaju naći savjete dugo očekivane fizike izvan Standardnog modela. Međutim, standardni model ponovno je stajao na testu, ovaj put s 2016. Higgsovim podacima.

prapovijest

U 2012, Higgs boson je otkriven na Large Hadron Collider. Cijelo razdoblje pretraživanja, koje je trajalo gotovo pola stoljeća, zamijenilo je novo doba – temeljitu studiju Higgsovog bozona. Ovaj bozon je čestica sasvim drugačije od svega što smo ikada susreli u mikro-svijetu, i stoga se mora proučavati eksperimentalno duž i preko.Mnogi teoretičari ozbiljno vjeruju da Higgsov sektor našega svijeta nije tako jednostavan kao u standardnom modelu, ali mnogo bogatiji. Štoviše, iza ovog bozona mogu se sakriti čitav svijet nepoznatih elementarnih čestica, na koje su drugi eksperimenti bili neosjetljivi i koje sada možemo ispitati s "Higgsovim instrumentom". To sve čuva fizičare u neizvjesnosti i grozničavom traganju za novim načinima proučavanja mikro-svijeta na način na koji prije nismo poznavali.

Sl. 2. Najkraći uvod u Higgs boson. Slika Igora Ivanova

Pogodnost Higgsovog bozona kao alat je da Standardni model nedvosmisleno i sasvim jasno predviđa različite karakteristike: mogućnosti i vjerojatnosti propadanja, presjek svojih procesa rođenja, intenzitet povezanosti s drugim česticama. Sažetak ovih značajki predviđenih u SM-u može se naći na stranici Higgsova bozona s masom od 125 GeV: očekivanja standardnog modela. Za fizičare, postao je poznata, poznata čestica, koja je proizvedena u masenim količinama velikim Hadron Colliderom. Ali budući da eksperimentalna studija Higgsovog bozona tek počinje,možemo se čekati na svaki korak otkrićem – dovoljno je otkriti statistički značajnu razliku od SM predviđanja u bilo kojoj od tih količina.

U početku, 2012-2013, kada su statistike bile još male, ovdje i tamo pojavljuju se nagli neobični pojmovi: pogledajte naše Higgsove vijesti za te godine. Međutim, kako je 1. radnja analizirala podatke, ta odstupanja nestaju. Konačni ATLAS i CMS podaci o svim statistikama Run 1 objavljenim 2016., pokazali su razočaravajuću standardnu ​​sliku Higgsova bozona. Sažetak ovih rezultata u najkompresiranijem obliku prikazan je na slici. 3.

Sl. 3. Svojstva Higgs bozona prema rezultatima LHC Run sesije 1. Slika Igora Ivanova

Kada je LHC zarađivao rekordnu energiju od 13 TeV sudara, stopa zapošljavanja Higgsove statistike povećala se nekoliko puta. Sredinom prošle godine objavljeni su rezultati Run 2 na temelju svjetlosti 12-15 fb, objavljeni na međunarodnoj konferenciji ICHEP 2016.−1 (Vidi pojedinosti o vijestima ICHEP 2016: Higgsov boks je savršeno vidljiv u novim podacima i ICHEP 2016: dodan novi dodir "portretu Higgsove bozone"). Slika u cjelini također je izgledala prilično standardno: sve izmjerene karakteristike, osim ttH-kanala rođenja, unutar pogrešaka podudaraju se s predviđanjima SM-a.Proces ttH pokazao je lagano odstupanje koje, međutim, nije izazvalo previše entuzijazma.

Ipak, uvijek postoji mogućnost da Higgsov bozon uistinu posjeduje sjajna otkrića, ali oni će postati vidljivi tek kad se pogreške smanjuju. Zbog toga je skup statističkih podataka vrlo važan za fiziku Higgsa: što više podataka, točnije možemo mjeriti karakteristike bozona i rjeđe procese s njegovim sudjelovanjem moći ćemo primijetiti. Do sada je prikupljeno ukupno 2 statistika bila 36 fb−1da tri puta premašuje količinu podataka prošlog ljeta i značajno pokriva sve statistike Run 1. Tako su fizičari bili spremni vidjeti ovdje savjete o pojavama koje se nisu vidjele prije.

Izvještaji o svojstvima Higgsovih bozona, napravljenih na Moriond EW i Moriond QCD konferenciji, dvije ključne proljetne konferencije o fizici čestica, međusobno su se nadopunjavale. Pokazali su nove preliminarne rezultate za različite kanale proizvodnje i propadanja bozona i za proučavanje nekih njegovih svojstava. Nisu svi ovi rezultati zasnovani na potpunoj statistici za Run 2; u nekim slučajevima, gdje je analiza još uvijek u tijeku, fizičari su se ograničili na podatke prikupljene tek prošlog proljeća i ljeta, ili čak podatke iz 2015.U nastavku navodimo one točke Higgsovog istraživačkog programa koje je utjecalo na ažuriranje.

Propadanje H → γγ

Prvi put suradnja CMS-a pokazala je rezultate kompletne statistike Run 2 (publikacija CMS-PAS-HIG-17-015), vidi sl. 1. ATLAS se ograničio na ponavljanje rezultata prošlog ljeta (publikacija ATLAS-CONF-2016-067). Oba mjerenja unutar granica pogreške su u skladu s standardnim modelom.

Imajte na umu jednu značajnu suptilnost. Zaključak o tome da li se Higgsov signal razlikuje od CM predviđanja temelji se na složenim izračunima presjeka proizvodnje Higgs bozona u sudaru protona. Sada eksperimenteri uspoređuju svoje podatke s predviđanjima koja se broje u trećem glavnom redu teorije perturbacije (NNNLO), za razliku od druge narudžbe (NNLO), koji je upotrijebljen u Vrijeme trajanja 1. Obično takvi daleki nalozi u raspadanju daju vrlo male dodatke, ali za presjek proizvodnje Higgsova bozona u udubljenju dva gluona iznosili su 10% čvrste. Ovi su izračuni nedavno dovršeni, 2015., i još jednom su pokazali da superkompleks izračuna tisuća dijagrama nije čudo dosadnih teoretičara, nego stvar stvarno potrebna za ispravno tumačenje eksperimentalnih rezultata.

Propadanje H → ZZ * 4 leptona

Atlas također ne otkriva nove podatke za sada i ograničen je na prošlogodišnje rezultate (ATLAS-CONF-2016-079). CMS je pokazao podatke iz 2. kruga za statistiku 35,9 fb−1, Vrh Higgs je savršeno vidljiv na raspodjeli četiri leptona invarijantnom masom (Slika 4); usporedite ovu distribuciju s rezultatima 2013. ili sa prošlogodišnjim podacima (Slika 3 u vijestima ICHEP 2016: Higgsov bozon je jasno vidljiv u novim podacima).

Sl. 4. Distribucija na invarijantnoj masi četiri leptona u CMS Run 2 podataka. bodova – eksperimentalni podaci plavi histogram – doprinos pozadinskih procesa, crveni histogram – doprinos Higgsove bozone. Slika od cms-results.web.cern.ch

Magnituda Higgsovog signala je u odnosu na predviđanja SM-a \ (\ mu_ {ZZ} = 1 {,} 05 ^ {+ 0 {,} 19} _ {- 0 {,} 17} \). Higgsov vrh na ovom kanalu je toliko jasan da je CMS mjeren masom bozona, m = 125,26 ± 0,20 ± 0,08 GeVgdje su statističke i sustavne pogreške posebno označene. Ova nova dimenzija je sama! – Precizno je precizno kombinirani rezultat ATLAS i CMS na svim kanalima u podacima Run 1.

Osim toga, CMS je izvijestio o analizi kutne raspodjele u propadanju Higgs bozona u 4 leptona (CMS-PAS-HIG-17-011). Također, nije u suprotnosti s očekivanjima SM-a, što je omogućilo uspostavljanje ograničenja hipotetskih anomalnih varijanti povezanosti Higgsovog bozona i Z-bosona.Naglašavamo da je kanal propadanja za 4 leptona toliko rijedak da su detektori do sada vidjeli samo nekoliko događaja, i bilo bi malo razborito izgraditi višedimenzionalne distribucije. Sada je broj registriranih događaja oko stotinu, a detaljnije informacije već se mogu izdvojiti iz ove statistike.

Kanal rođenja ttH

Zajedničko rođenje Higgsovog bozona i par vrhunskih anti-kvarkova danas je možda najzanimljiviji proces koji uključuje Higgs boson. Zbog svoje rijetkosti, fizičari nisu očekivali da će taj proces vidjeti u podacima Run 1, međutim, pojavio se u podacima obje suradnje s intenzitetom od 2-3 više od predviđenih SM. Ovo je odstupanje zvano ttH-anomalije i izazvalo veliko zanimanje među teoretičarima. Osim toga, u prijelazu s 8 na 13 TeV vjerojatnost ovog procesa povećava se gotovo četiri puta, a ispostavilo se da prvi rezultati sesije Run 2 nisu zatvorili tu anomaliju. Stoga su istraživači nestrpljivo čekali na presudu LHC-a iz 2016. godine.

Odmah kažemo da konačna presuda još nije: analiza svih varijanti propadanja takvog skupa čestica pokazala se previše napornom. ATLAS, opet, još nije donio nove podatke o tome.No, CMS je pripremio neugodno iznenađenje. Prema rezultatima proučavanja nekih specifičnih kanala propadanja, pokazalo se da proces ttH ne samo da ne prelazi CM, već i ne postiže (CMS-PAS-HIG-17-003). Posebno obeshrabrujuća je mogućnost kada se Higgsov bozan rođen u kanalu ttH propada u b-anti-b kvarkove (CMS-PAS-HIG-16-038). Tamo ovaj proces uopće nije vidljiv – formalna analiza podataka daje negativan rezultat za njegovu vjerojatnost! – iako je trebao doći preko svih računa. To znači da čak i ako se u drugim slučajevima propadanja pojavi neki višak (kao npr. Na multileptonskom kanalu u podacima iste CMS-a, CMS-PAS-HIG-17-004), onda se čini da je kombinirani rezultat neće se mnogo razlikovati od CM.

U sl. Slika 5 prikazuje trenutnu, vrlo zbunjujuću situaciju s rođenjem ttH u različitim kanalima. ATLAS i CMS podaci se razlikuju, podaci o različitim kanalima unutar jedne suradnje također su vrlo različiti. Njihova povezanost "od oka" daje nešto oko sebe i ni na koji način ne potvrđuje izvornu ttH-anomaliju (gore navedeni broj). Možda je jedino što se može reći sigurno na temelju tih i drugih sličnih podataka je da fizičari još uvijek nisu u mogućnosti analizirati procese rađanja vrhunskog kvarkovog para praćenog drugim česticama.Ovdje je puno posla, ali čini se da će još jedna zagonetka sudara biti zatvorena. Međutim, čekat ćemo službene podatke ATLAS-a i CMS-a.

Sl. 5. Intenzitet ttH procesa u usporedbi s predviđanjima Standardnog modela u podacima obje suradnje pri obradi različitih kanala propadanja Higgs bozona. Od Nicole Chanona razgovarajte na konferenciji Moriond QCD.

Rijetki procesi

Osim onih procesa u kojima je jasno vidljiv Higgs boson, fizičari pokušavaju registrirati više rijetkih varijanti njegova rođenja i propadanja. Dakle, ATLAS suradnja predstavila je rezultate dvaju takvih procesa dobivenih na svim statistikama Run 2. Prva je propadanje Higgsova bozona u muone. Ovo je vrlo rijetko propadanje, a njegova rijetkost je posljedica male mase muona: standardni Higgsov bozon propada u fermione s vjerojatnošću proporcionalnim kvadratu mase. Međutim, postoje modeli nove fizike u kojima se takvo propadanje može pojačati. Osim toga, to je jedini primjer procesa u kojem postoji stvarna prilika za mjerenje "adhezije" Higgsovog bozona s fermionima koji nisu treći, već druge generacije. Stoga ga fizičari neprestano traže, unatoč činjenici da sadašnja statistika još nije dovoljna da se registrira – tko zna, iznenada sretan.

Već smo 2014. napisali takvu analizu ATLAS-a nakon rezultata Run 1 (ATLAS traži propadanje Higgsova bozona u muone); tada je utvrđena granica njegove vjerojatnosti, 7 puta veća od predviđanja CM. Sada je ATLAS izvela novu analizu i uspostavila jače ograničenje od gore, samo 3 puta više SM (ATLAS-CONF-2017-014). Moguće je da će do kraja sesije Run 2, fizičari konačno početi osjećati ovo propadanje.

Drugi zanimljiv proces koji je izvijestio ATLAS je rođenje Higgs bozona praćenih česticama tamne materije (ATLAS-CONF-2017-024). Ovaj proces u standardnom modelu je, naravno, nemoguć, jer nema kandidata za čestice tamne tvari, ali se često nalazi u različitim teorijama nove fizike (sl. 6). Čestice detektora tamne materije, naravno, ne mogu uhvatiti. Ali onda će odnijeti poprečni impuls, a detektor će to osjetiti. Stoga je suradnja ATLAS-a odabrala takve događaje gdje su rođeni dva fotona s invarijantnom masom, upravo na masu Higgsovih bozona i bila bi uočena jaka neravnoteža transverzalnog momenta. Jao, ništa neobično je primijetio.

Sl. 6. Dvije mogućnosti za rođenje Higgsove bozone h zajedno s par čestica tamne tvari χ: kroz hipotetički teški analog Z-bozona (na lijevoj strani) i kroz teški "brat" Higgsova bozona H (s desne strane).Slika sa stranice atlas.web.cern.ch

Suradnja CMS-a pokazala je rezultate pretraživanja za još jedan rijedak proces – istovremeni rođenje dvaju Higgs bozona. U okviru SM-a taj je proces još uvijek beznadan za LHC, ali njegovo oštriju poboljšanje u različitim Multihiggsovim modelima nove fizike ostavlja priliku za senzaciju. Do sada se to nije dogodilo. CMS detektor nije vidio ovaj postupak, a gornja granica je ustanovljena zbog njegove vjerojatnosti, što je 28 puta dulje od CM čekanja (CMS-PAS-HIG-17-002). Međutim, to je puno bolje od rezultata Run 1: onda granica od gore je čak 70 puta SM.

rezultati

U tehničkom smislu, Large Hadron Collider radi savršeno i postavlja rekord nakon rekorda. Statistika prikupljena za 2016. više nego prekida sve prethodne godine rada sudara. Ove statistike zahtijevaju pažljivu obradu pa će rezultati na temelju njega biti prikazani više od jedne godine. Analiza podataka također doseže nove visine složenosti i predviđanja. Međutim, znanstvena povratna informacija nije tako ružičasta kako su fizičari sanjali uoči sesije Run 2. Ta mala zbirka Higgsovih rezultata prikazanih na Moriond konferencijama ne daje nikakve naznake bilo kakvih temeljnih razlika u svojstvima Higgsova bozona iz SM predviđanja ,Ipak, deset puta više Higgsovih rezultata pred nama – samo trebamo biti strpljivi.

izvori:
1) Znanstveni program konferencija Moriond 2017 EW i Moriond 2017 QCD.
2) Tablica preliminarnih Higgsovih rezultata suradnje ATLAS i CMS.

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: