На недавней Международной конференции по физике высоких энергий (ICHEP) 2024 года коллаборация ATLAS представила улучшенные измерения силы взаимодействия бозона Хиггса с тремя самыми тяжёлыми кварками: верхним, нижним и очарованным. Основной целью программы ATLAS по физике Хиггса является измерение с возрастающей точностью силы взаимодействия бозона Хиггса с элементарными фермионами и бозонами.

Согласно теории нарушения электрослабой симметрии, эти взаимодействия ответственны за генерацию масс частиц. Силы взаимодействия могут быть определены путём точного измерения происхождения бозона Хиггса через и распад на соответствующие частицы.

Кандидат на событие, где Z-бозон и бозон Хиггса распадаются на два мюона (красные треки) и два луча с метками очарования (синие конусы). Источник: ATLAS

Новые результаты основаны на повторном анализе данных LHC Run 2, полученных в 2015–2018 годах, с использованием значительно усовершенствованных методов анализа, включая улучшенную маркировку струй. Когда бозон Хиггса распадается на пару кварков, каждый кварк фрагментируется, создавая коллимированный спрей частиц (в основном адронов), который можно наблюдать в детекторе. Цель маркировки струй — определить, какой тип (или «аромат») кварка создал данную струю, путём детального анализа свойств.

С новыми специальными методами струйной (или «ароматической») маркировки для очарованных (c) и b-кварков исследователям ATLAS удалось значительно повысить чувствительность своих анализов. Вместе с другими улучшениями анализа они повысили чувствительность к распадам на 15% и в три раза соответственно.

Обновлённые измерения рождения бозона Хиггса (H) в ассоциации с W- или Z-бозоном и распадами на пару b-кварков или очарованных кварков дали первое наблюдение процесса WH, H→bb со значимостью 5,3σ и измерение ZH, H→bb со значимостью 4,9σ. Распад бозона Хиггса на c-кварки подавлен массовым фактором 20 относительно распада на b-кварки и, таким образом, всё ещё слишком редок, чтобы его можно было наблюдать.

ATLAS устанавливает верхний предел скорости процесса VH, H→cc в 11,3 раза больше предсказания Стандартной модели. Эти результаты являются наиболее точными на сегодняшний день, и они совместимы со Стандартной моделью.

Новое измерение взаимодействия бозона Хиггса с верхним кварком было сосредоточено на образовании бозона Хиггса в ассоциации с двумя верхними кварками и его последующем распаде на пару нижних кварков. Этот сложный процесс характеризуется очень сложным конечным состоянием и страдает от фонов.

Новый анализ, основанный на уточнённом понимании доминирующих фоновых процессов с участием верхних кварков, повысил чувствительность в два раза и измерил силу сигнала для образования бозона Хиггса в ассоциации с двумя верхними кварками (top-quarks), H→bb, составившую 0,81 ± 0,21 относительно прогноза Стандартной модели.

Дальнейшие усовершенствованные методы анализа и новые данные из текущей третьей серии экспериментов на Большом адронном коллайдере (LHC) в ЦЕРНе, Run 3, обещают измерение этих взаимодействий с ещё большей точностью. Эти достижения в поиске H→cc усиливают ожидания для LHC высокой светимости (HL-LHC), где обнаружение этого процесса входит в область осуществимости.

Серия экспериментов Run 3 началась в 2022 году и будут продолжаться до 2025 года. В ходе Run 3 физики будут использовать усовершенствованные детекторы и методы анализа для изучения частиц и сил природы на ещё более высоких энергиях, чем прежде. В частности, Run 3 будет сосредоточен на изучении следующих тем: свойства бозона Хиггса и его взаимодействий с другими частицами; поиск новых частиц и сил, которые могут объяснить некоторые из нерешённых вопросов в физике элементарных частиц; изучение свойств кварков и глюонов, которые являются составными частями адронов. Run 3 включает в себя эксперименты на нескольких детекторах, включая ATLAS, CMS, ALICE и LHCb. Эти эксперименты будут использовать усовершенствованные методы анализа и новые технологии для изучения частиц и сил природы на самых высоких энергиях.