Вчені колаборації ATLAS побачили сигнал, що вказує на рідкісний розпад бозона Хіггса з утворенням трьох частинок: пари лептонів і фотона. Такі тричасткові розпади можна використовувати для вивчення порушення СР-симетрії. Звіт опублікований на сайті колаборації.
У 2012 році колаборації ATLAS і CMS повідомили про відкриття бозона Хіггса. Це була гучна наукова подія, оскільки довгий час бозон Хіггса залишався єдиною невідкритою частинкою Стандартної моделі. Його існування пояснило наявність маси у елементарних частинок. Однак у Стандартній моделі залишився ряд інших питань без відповіді. Ця теорія не може пояснити асиметрію матерії та антиматерії у Всесвіті, відсутність порушення СР-симетрії в квантовій хромодинаміці та інші явища.
Існують розширення Стандартної моделі і навіть абсолютно нові пояснення, які в сукупності називають Новою фізикою. Деякі концепції Нової фізики передбачають існування інших невідкритих частинок, наприклад, декількох бозонів Хіггса, що відрізняються зарядом і парністю. Щоб окреслити межі Нової фізики, вчені досліджують розпади частинок. З цієї точки зору рідкісні канали розпаду бозона Хіггса особливо цікаві. Відхилення ймовірностей розпадів від передбачень Стандартної моделі можуть свідчити про присутність ще не відкритих бозонів Хіггса.
Вчені колаборації ATLAS виявили в даних другого сезону Великого адронного колайдера рідкісний розпад бозона Хіггса на лептонну пару (електрони або мюони) і фотон.
Є три основні способи здійснення такого розпаду: з утворенням лептонів через проміжний Z-бозон або віртуальний фотон, а також безпосередньо з бозона Хіггса з подальшим випромінюванням фотона одним з лептонів.
У новому аналізі фізики врахували тільки лептонні пари з інваріантною масою менше 30 гігаелектронвольт. У цій області розпад через проміжний віртуальний фотон домінує над іншими, тому внесок інших процесів зневажливо малий.
Маса бозона Хіггса становить приблизно 125 гігаелектронвольт. Вчені проаналізували діапазон інваріантної маси пари лептонів і фотона від 110 до 160 гігаелектронвольт і побачили помітний пік на позначці в 125 гігаелектронвольт, що свідчить про розпад бозона Хіггса.
Цей сигнал має значущість 3,2º, тобто, 3,2 стандартного відхилення. З упевненістю про спостереження нового розпаду можна говорити, коли це значення становить від 5º. Але навіть відхилення від фону 3ºі вище є серйозною вказівкою на присутність сигналу.
Ставлення спостережуваного виходу розпаду до теоретично передбаченого Стандартною моделлю склало 1,5 ^ 0,5. Це означає, що вимірюване значення узгоджується з теоретичними передбаченнями.
Однак спостереження такого розпаду все одно може призвести до вказівок на Нову фізику. У тричастковому розпаді бозона Хіггса очікується порушення CP-симетрії, тобто, симетрії зарядового сполучення і дзеркального відображення. У розширеннях Стандартної моделі бозони Хіггса можуть бути СР-парними і СР-непарними, це робить його важливою часткою для вивчення порушення СР-симетрії. Зараз Стандартна модель може пояснити порушення цієї симетрії в експериментальних даних, але звідки беруться відхилення, достатні для створення асиметрії матерії та антиматерії, залишається загадкою.
Фізики вважають, що пряме спостереження рідкісних розпадів буде можливо після програми з підвищення світності колайдера (HL-LHC). На жаль, через коронавірус початок програми довелося відкласти.
Про всі важливі висновки, зроблені за даними другого сезону Великого адронного коллайдера, можна прочитати у відповідній темі. А тут ми писали про інший рідкісний розпад бозона Хіггса, на два мюони.