Експерименти CMS і ATLAS незалежно один від одного заявили про експериментальне виявлення розпаду бозона Хіггса на два мюони. Аналіз даних щодо протон-протонних зіткнень з енергією 13 тераелектронвольт в системі центру мас показав, що ймовірність цього каналу розпаду в межах похибки збіглася з передбаченнями Стандартної моделі. Це перший зареєстрований вченими розпад бозона Хіггса на частинки другого покоління, що дуже важливо для фундаментальної фізики. Нові дані анонсували на конференції ICHEP, також ATLAS розповідає про свої результати в препринті, а CMS виклав звіт на сайті CERN.
Починаючи з відкриття бозона Хіггса в 2012 році, вчені в ЦЕРНі докладно вивчають його властивості і те, як він взаємодіє з іншими елементарними частинками. Згідно Стандартної моделі - однієї з найточніших і однозначно найпоширенішої теорії у фізиці елементарних частинок - бозон Хіггса має неймовірно короткий час життя близько 10-22 секунди, і відразу після свого народження повинен розпадатися. Канали його розпаду та їх ймовірності суворо передбачені теорією, і будь-яке відхилення від цих передбачень може служити знаком Нової фізики за межами Стандартної моделі. Тому одним з головних завдань експериментів CMS і ATLAS після відкриття знаменитого бозона було накопичення даних про його рідкісні розпади.
Одними з головних каналів розпаду бозона Хіггса є розпади на ферміони - частинки з напівцілим спином. При цьому чим більша маса ферміона, тим більша ймовірність реєстрації розпаду бозона Хіггса з його участю. Вже були виявлені розпади цієї частинки на b-кварк і b-антикварк, а також на два тау-лептона. Ці частинки - одні з найважчих представників свого класу, і відносяться до третього покоління частинок у Стандартній моделі. Але зараз особливо важливим завданням для фізиків є пошук розпадів бозона Хіггса на більш легкі частинки першого і другого покоління, ймовірність яких істотно нижче вже регулярно спостережуваних процесів.
Саме до другого покоління елементарних частинок і відносяться мюони, на які бозон Хіггса розпався у свіжих експериментальних даних CERN. Всього по такому каналу проходить приблизно 1 з 5000 всіляких розпадів бозона Хіггса, що робить його найрідкіснішим з нині зареєстрованих розпадів цієї частинки. Згідно з новими даними, і ATLAS, і CMS в межах похибки потрапили в передбачення Стандартної моделі за ймовірністю зареєстрованого розпаду. Проте в результатах двох експериментів є відмінності в досягнутій статистичній точності докази існування розпаду бозона Хіггса на два мюони: CMS досяг показника вище 3-й, а ATLAS - тільки трохи більше 2-й погляд. Це означає, що у випадку CMS отримані дані можуть виявитися статистичною флуктуацією в одному випадку з 700, в той час як ATLAS може говорити про помилку в одному випадку з 40.
Окрему складність у реєстрації розпаду бозона Хіггса на два мюони становить той факт, що мюонна пара може народитися в сотнях різних реєстрованих подій, у різноманітті яких необхідно знайти єдиний потрібний розпад. Для цього фізики шукали в експериментальних даних такі два мюони, що сума їх мас дорівнює масі бозона Хіггса, яка становить 125 гігаелектронвольт. При цьому такі мюони повинні вилітати з однієї точки простору, що робить необхідним аналіз не тільки їх енергії, але і напрямку їх руху. У вирішенні цього завдання були використані машинне навчання, багатоступеневе моделювання фонових процесів, і багато інших техніки поліпшення чутливості реєстрації шуканого розпаду.
Звичайно, дослідники в CERN не зупиняються на цьому досягненні. З початком роботи оновленого Великого адронного колайдера зі збільшеною світністю вчені продовжать збирати дані щодо цього рідкісного розпаду, тим самим плануючи вийти на статистичну точність у 5-й і з повною впевненістю заявити про відкриття розпаду бозона Хіггса на два мюони. Це також дозволить збільшити точність у визначенні ймовірності даного розпаду, що, в разі збігу нових даних зі Стандартною моделлю, дозволить ще сильніше обмежити Нову фізику.
Детальніше про Стандартну модель, бозон Хіггса та Великий адронний колайдер можна почитати в нашому матеріалі до ювілею цієї легендарної експериментальної установки «З Днем Народження, БАК!». Про те, чому рідкісні розпади елементарних частинок так цікаві фізикам, ми писали в недавній новині про рідкісний розпад К-мезону.