Новый метод позволил наложить рекордное ограничение на время жизни хиггсовского бозона

Рис. 1. Нестабильные частицы часто выглядят как резкие всплески на графике зависимости количества событий от энергии. Ширина этого пика по энергии несет важную информацию, поскольку она связана со временем жизни частицы. Эксперименты с хорошим энергетическим разрешением могут измерить форму пика и тем самым — его ширину

Подавляющее большинство элементарных частиц нестабильны: за долю секунды они распадаются на другие частицы. Если это время не слишком мало, частица успевает до распада пролететь какую-то заметную дистанцию. Детектор тогда видит, что точка рождения и точка распада разнесены в пространстве, что позволяет измерить время жизни частицы. Однако большинство адронов распадается так быстро, что, с точки зрения детектора, рождение и распад происходят в одной точке. Тогда напрямую определить время жизни такой частицы не получается.

В этом случае физики пользуются другим методом — соотношением неопределенностей между энергией и временем. Частицы с очень быстрым распадом обычно проявляются на графике количества событий в зависимости от энергии как резкие всплески; см. пример в недавней новости Эксперимент LHCb окончательно доказал реальность экзотического мезона Z(4430). Такие всплески (резонансы) могут быть узкие или широкие (рис. 1). Ширина их на этом графике как раз связана со временем жизни нестабильной частицы — чем шире пик, тем меньше время жизни. Поэтому, когда открывается новая частица-резонанс, физики стараются измерить не только ее массу, но и ширину.

Измерению ширины может помешать погрешность детектора по энергии. Если эта погрешность маленькая, меньше ширины резонанса, то резонанс выглядит как четкий пик правильного профиля. В этой ситуации детектор может измерить ширину и легко отличить узкий пик от широкого (рис. 1).

Однако иногда неопределенность, с которой детектор восстанавливает энергии всех зарегистрированных частиц, бывает больше, чем ширина резонанса. В этом случае детектор не может отличить узкий пик от широкого (рис. 2).

Рис. 2. Если пик очень узкий или погрешность по энергии велика, то весь пик превратится, с точки зрения данных, в одну-единственую экспериментальную точку с большой неопределенностью по энергии. Отличить по одной этой точке узкий резонанс от широкого не получится. Однако можно измерить тот же процесс вдали от пика, и тогда его значение покажет, какому профилю данные отдают предпочтение

В случае хиггсовского бозона ситуация именно такая. Стандартная модель предсказывает для бозона с массой 126 ГэВ очень маленькую ширину, примерно 4 МэВ. А погрешность энергетического измерения на Большом адронном коллайдере в сотни раз больше, порядка 1 ГэВ, и существенно уменьшить ее уже не получится. В результате измерить ширину бозона Хиггса напрямую нереально.

Однако год назад теоретиками был предложен оригинальный метод измерения ширины бозона Хиггса косвенным образом, через рождение очень виртуального бозона Хиггса. Суть идеи показана на том же рис. 2. Если измерять только количество событий прямо на резонансе, как это обычно и делают, то получится, грубо говоря, только одна экспериментальная точка. Эта точка не может отличить совсем узкий пик от умеренно широкого.

Однако можно накапливать данные по рождению и распаду бозона Хиггса при существенно большей энергии — не в окрестности 126 ГэВ, а, скажем, выше 300 ГэВ. Этот процесс будет выглядеть как рождение и распад очень виртуального хиггсовского бозона. Он, конечно, сильно ослаблен по сравнению с основным процессом на пике резонанса, но может быть вполне измеряем. Интенсивность этого процесса вдали от резонанса и позволит отличить большую ширину от маленькой, даже если центральная точка для этих двух случаев одинакова.

На днях коллаборация CMS представила результаты первого такого исследования. Она изучала процесс рождения четырех лептонов (например, комбинации электрон-позитрон-мюон-антимюон) в области больших инвариатных масс. Главная трудность здесь — отличить какие-то проявления хиггсовского бозона от фона, процессов рождения тех же лептонов, идущих без бозона Хиггса. С помощью сложных методов обработки данных было построено распределение событий по некоторой специально введенной величине D_gg (рис. 3). Главное на этом графике то, что фон сильно подавлен, и хиггсовский сигнал ослаблен не так сильно. Пусть он еще надежно не зарегистрирован, так что измерения ширины пока не получено. Но уже по этому графику видно, что бозон Хиггса с шириной 100 МэВ (то есть в 25 раз больше, чем в Стандартной модели) точно исключен.

Рис. 3. Распределение событий по специально построенной величине D_gg, которая резко уменьшает фон (синяя гистограмма) и делает хиггсовский сигнал (красная гистограмма) более явным. Пусть хиггсовский сигнал в этой области зарегистрировать пока не удалось, но, по крайней мере, четко видно, что альтернативный вариант (бозон Хиггса с шириной в 25 раз больше, чем предсказана Стандартной моделью, показанный красной пунктирной линией) точно исключен. Изображение из обсуждаемой статьи

Более того, аккуратный анализ привел к еще более сильному ограничению. Было получено, что ширина бозона Хиггса точно меньше 17 МэВ (что всего лишь в 4 раза больше предсказаний Стандартной модели). Это почти на два порядка превосходит ту точность, которую могут дать измерения прямо на резонансе. Видимо, при дальнейшем накоплении данных точность возрастет настолько, что измерение ширины станет доступным.

У этой истории есть полезный урок. Еще несколько лет назад считалось, что ширину бозона Хиггса экспериментально измерить не удастся — уж слишком она мизерная по сравнению с погрешностью. Однако взаимодействие теоретиков и экспериментаторов привело к новому методу, который, по-видимому, вскоре сможет справиться с этой задачей. Такое совершенствование методов изучения данных прямо по ходу работы — очень характерная черта современных коллайдерных экспериментов.