Текущая ситуация
После открытия хиггсовского бозона в 2012 году в физике элементарных частиц началась эра всестороннего его исследования. Главная цель — найти хоть какое-то отличие этой частицы от стандартного бозона Хиггса и тем самым обнаружить намеки на Новую физику.
По состоянию на март 2015 года хиггсовский бозон обладает следующими характеристиками:
| Масса | 125,09 ± 0,24 ГэВ (новое совместное значение массы CMS и ATLAS). Существовавшие раньше расхождения между разными измерениями постепенно сходят на нет. |
| Ширина распада | < 22 МэВ, что всего в 6 раз превышает ширину стандартного бозона Хиггса. Такой результат (в сто раз лучше, чем в 2013 году!) удалось получить с помощью нового метода измерения ширины. |
| Спин, четность | Нулевой спин, положительная четность (0+); частица является истинным скаляром, все прочие варианты исключены. |
| Каналы распада | В пределах погрешностей совпадают или незначительно отличаются от предсказаний Стандартной модели. Подозрительное расхождение между ATLAS и CMS уменьшается. Двухфотонный распад, наделавший много шума в первый год работы коллайдера, теперь стал совершенно стандартным. |
| Отклонения | В новых результатах наблюдаются, впрочем, некоторые отклонения от Стандартной модели. Они вызывают определенный интерес, но пока недостаточны для громкого заявления. Наиболее любопытным пока является сообщение о распаде H → τ+μ– (2,4σ). |
| Связь с частицами | В пределах погрешностей совпадает с ожиданиями Стандартной модели. |
| Механизмы рождения | На LHC имеется четыре основных механизма рождения бозона Хиггса, и все они начинают проступать в данных. Их относительные вероятности не противоречат Стандартной модели, за исключением ttH-канала рождения, который примерно втрое превышает ожидания СМ (статистическая значимость, правда, невелика — 1,8σ). |
Ниже представлены подробные данные: самые последние результаты наверху, ссылки даются либо на статьи, либо на предварительные результаты на сайте коллабораций; когда есть, указывается также ссылка на новости на «Элементах».
Масса хиггсовского бозона
| Дата | Коллаборация | Подробности поиска | Результат | Ссылки |
| март 2015 | ATLAS+CMS | объединение результатов двух экспериментов | 125,09 ± 0,21 ± 0,11 ГэВ | статья; «Элементы» |
| декабрь 2014 | CMS | «статья-наследие» (legacy paper): окончательные результаты всех свойств хиггсовского бозона на статистике LHC Run I | 125,02 ± 0,26 ± 0,14 ГэВ; массы, измеренные в γγ- и ZZ-каналах, различаются несущественно (на 1,5σ) | статья; графики и числа |
| июль 2014 | CMS | распад на два фотона; полная статистика LHC Run I | 124,70 ± 0,34 ГэВ | статья; «Элементы» |
| июнь 2014 | ATLAS | измерение массы по двухфотонному и ZZ каналам распада на полной статистике LHC Run I | 125,36 ± 0,37 ± 0,18 ГэВ; загадочный результат ATLAS 2013 года постепенно исчезает | статья; «Элементы» |
| декабрь 2013 | CMS | распад на ZZ* с последующим их распадом на лептоны; полная статистика LHC Run I | 125,6 ± 0,4 ± 0,2 ГэВ | статья; «Элементы» |
| апрель 2013 | CMS | два канала распада (γγ, ZZ → 4l) на статистике 25 fb–1 | 125,5 ± 0,4 ГэВ | PAS |
| март 2013 | ATLAS | два канала распада (γγ, ZZ → 4l) на статистике 25 fb–1 | результаты измерения заметно отличаются для двух каналов распада: 126,8 ± 0,7 ГэВ (γγ) и 124,3 ± 0,7 ГэВ (ZZ); их номинальное объединение дает 125,5 ± 0,6 ГэВ | графики |
| 1.08.2012 | ATLAS | три канала распада (γγ, ZZ, WW) на статистике 4,8 fb–1 (при 7 ТэВ) и 5,9 fb–1 (при 8 ТэВ), остальные каналы только на статистике 2011 года | 126,0 ± 0,5 ГэВ | статья, «Элементы» |
| 1.08.2012 | CMS | все каналы распада на статистике 5,1 fb–1 (при 7 ТэВ) и 5,3 fb–1 (при 8 ТэВ) | 125,3 ± 0,6 ГэВ | статья, «Элементы» |
| 4.07.2012 | ATLAS | два канала распада (γγ, ZZ → 4l) на статистике 4,8 fb–1 (при 7 ТэВ) и 5,9 fb–1 (при 8 ТэВ) | 126,5 ГэВ, погрешность не приведена, оценки массы слегка отличаются для γγ- и ZZ-каналов | доклад; Note, графики; «Элементы» |
| 4.07.2012 | CMS | два канала распада (γγ, ZZ → 4l) на статистике 5,1 fb–1 (при 7 ТэВ) и 5,3 fb–1 (при 8 ТэВ) | 125,3 ± 0,6 ГэВ | доклад; TWiki; PAS; «Элементы» |
Ширина хиггсовского бозона
В физике элементарных частиц нестабильная частица с очень малым временем жизни обычно характеризуется своей шириной. Ширина — это, грубо говоря, неопределенность массы этой частицы. В рамках Стандартной модели ширина хиггсовского бозона с массой около 126 ГэВ должна составлять всего 4,2 МэВ, что в 30 тысяч раз меньше его массы и в сотни раз меньше точности измерения энергии на LHC. Поэтому какое-то время казалось, что измерить ширину бозона Хиггса на LHC нереально.
Однако затем был придуман хитрый метод косвенного измерения ширины, опирающийся на изучение процессов вдали от хиггсовского резонанса. Он был опробован в 2014 году и сразу же в сотни раз улучшил прежние оценки. Пока что он тоже дает ограничение сверху. Но ожидается, что в будущем он позволит-таки измерить ширину хиггсовского резонанса.
| Дата | Коллаборация | Подробности поиска | Результат | Ссылки |
| март 2015 | ATLAS | использовался метод рождения вне резонанса для WW- и ZZ-пар | ограничение по новому методу: ширина меньше 22,7 МэВ | статья |
| декабрь 2014 | CMS | «статья-наследие»; прямое измерение ширины | ограничение из прямого измерения: ширина меньше 1,7 ГэВ | статья; графики и числа |
| май 2014 | CMS | первая оценка ширины на основе рождения ZZ-пар вне резонанса | ограничение по новому методу: ширина меньше 22 МэВ | статья; «Элементы» |
| декабрь 2013 | CMS | распад на ZZ* с последующим их распадом на лептоны; полная статистика LHC Run I | ограничение из прямого измерения: ширина меньше 3,4 ГэВ | статья; «Элементы» |
Каналы распада
Каналы распада бозона Хиггса и их вероятности исключительно важны для проверки того, что найденная частица действительно является бозоном Хиггса и к какому из вариантов хиггсовского механизма она относится. Для более наглядного сравнения в таблице представлена интенсивность хиггсовского сигнала μ(X) — отношение экспериментально измеренного сечения рождения Хиггса с распадом в какой-то конечный набор частиц X к его значению, предсказанному в Стандартной модели. Статистически значимое отличие этих величин от единицы означает, что свойства хиггсовского бозона отличаются от стандартного.
Ниже представлены сводки этих измерений по пяти каналам распада, в которых бозон Хиггса виден на LHC: на два фотона, на два Z-бозона или на два W-бозона с их последующим распадом на лептоны, на b-кварк-антикварковую пару, а также на два тау-лептона.
| Результаты ATLAS | Результаты CMS |
| Изображение с сайта atlas.web.cern.ch | Изображение с сайта twiki.cern.ch |
Сводка новостей на «Элементах», касавшихся этих измерений:
- ATLAS представил новые результаты по распадам хиггсовского бозона, 12.10.2014.
- Окончательный вердикт ATLAS и CMS: никаких аномалий в двухфотонном распаде хиггсовского бозона не видно, 10.09.2014.
- Распад бозона Хиггса на частицы материи еще сильнее указывает на его стандартность, 09.12.2013.
- Обновлены данные ATLAS и CMS по хиггсовскому бозону, 07.07.2013.
- Новые результаты CMS по хиггсовскому бозону преподнесли неприятный сюрприз, 15.03.2013.
- Обнародованы новые результаты по свойствам хиггсовского бозона, 07.03.2013.
Ранние результаты
| Дата | Коллаборация | Подробности поиска | μ(X) = σ(pp → H → X) / σSM(pp → H → X) | Ссылки |
| март 2013 | ATLAS | три канала распада (γγ, ZZ, WW) на статистике 25 fb–1, два распада (b-анти-b, ττ) на статистике 18 fb–1 | графики | |
| март 2013 | CMS | все каналы распада на статистике вплоть до 25 fb–1 | PAS, TWiki с подробными графиками | |
| 1.08.2012 | ATLAS | три канала распада (γγ, ZZ, WW) на статистике 4,8 fb–1 (при 7 ТэВ) и 5,9 fb–1 (при 8 ТэВ), остальные каналы только на статистике 2011 года | статья, «Элементы» | |
| 1.08.2012 | CMS | все каналы распада на статистике 5,1 fb–1 (при 7 ТэВ) и 5,3 fb–1 (при 8 ТэВ) | статья, «Элементы» | |
| 4.07.2012 | ATLAS | два канала распада (γγ, ZZ → 4l) на статистике 4,8 fb–1 (при 7 ТэВ) и 5,9 fb–1 (при 8 ТэВ), остальные каналы только на статистике 2011 года | доклад; Note, графики; «Элементы» | |
| 4.07.2012 | CMS | все каналы распада на статистике 5,1 fb–1 (при 7 ТэВ) и 5,3 fb–1 (при 8 ТэВ) | доклад; TWiki; PAS; «Элементы» |
Редкие распады
Кроме пяти основных каналов распада, в которых хиггсовский сигнал уже виден, хиггсовский бозон может распадаться и на иные наборы частиц. Эти распады либо очень редки, либо хиггсовский сигнал в них теряется в большом фоне. Так или иначе, по состоянию на 2015 год Большой адронный коллайдер эти распады пока не подтверждает, но активно продолжает их искать. Ниже приведены наиболее любопытные результаты.
| Дата | Коллаборация | Канал распада и ожидаемая вероятность | Результаты | Ссылки |
| февраль 2015 | CMS | распад на μ+τ–— или μ–τ+-пару; в СМ такой распад практически невозможен | Имеется указание на этот распад на уровне значимости 2,4σ и его вероятность оценивается в (0,84 ± 0,3)%. | статья |
| январь 2015 | ATLAS | распады на J/ψ-мезон и Υ-мезон в сопровождении фотона; вероятности в СМ: 2,8·10–6 (J/ψ+γ) и ∼10–9 (Υ+γ) | Ограничение сверху: 0,15% (J/ψ+γ) и 0,45% (Υ+γ). | статья, «Элементы» |
| октябрь 2014 | CMS | распад на μ+μ–— или e+e–-пару; вероятности в СМ: 0,022% и 5·10–9 соответственно | Ограничение сверху: 0,16% для мюонов (в 7,4 раза больше СМ) и 0,19% для электронов. | статья |
| июль 2014 | ATLAS | распад на μ+μ–-пару; вероятность в СМ: 0,022% | Ограничение сверху: 0,15% (в 7 раз больше СМ). | статья, «Элементы» |
| апрель 2014 | CMS | невидимые распады (конечные частицы не оставляют в детекторе заметного следа); в рамках СМ это, например, распад на два Z-бозона с их последующим распадом на нейтрино с вероятностью 0,12% | Ограничение сверху: 58%. | статья, «Элементы» |
| февраль 2014 | ATLAS | невидимые распады | Ограничение сверху: 75%. | статья |
| февраль 2014 | ATLAS | распад на Z-бозон и фотон; вероятность в СМ: 0,16% | Ограничение сверху: 1,7% (в 11 раз больше СМ). | статья |
| июль 2013 | CMS | распад на Z-бозон и фотон; вероятность в СМ: 0,16% | Ограничение сверху: 1,5% (в 9,5 раз больше СМ). | статья, «Элементы» |
Спин и четность
Для подтверждения того, что найденная частица является хиггсовским бозоном, требуется также проверить, что ее спин равен нулю, а четность — положительна (то есть это истинный скаляр). Это можно сделать, вычислив угловые распределения продуктов распада частиц с разными спинами и четностями и затем сравнив их с полученными в эксперименте данными.
| Дата | Коллаборация | Подробности поиска | Результаты | Ссылки |
| ноябрь 2014 | CMS | проверка спина и четности бозона в различных распадах на полной статистике LHC Run I | Данные полностью согласуются с расчетами для спина и четности 0+ (скалярная частица) и существенно отличаются от псевдоскалярной частицы 0–, от тензорной частицы 2+ и от более экзотических вариантов. Все нестандартные варианты исключены с достоверностью выше 99%. | статья |
| июль 2013 | ATLAS | проверка спина бозона в распадах γγ, ZZ и WW; статистика 25 fb–1 | Данные согласуются с предсказаниями для скалярной частицы и кардинально расходятся с другими вариантами. | статья, «Элементы» |
| апрель 2013 | ATLAS | проверка спина бозона в распадах γγ, ZZ и WW; статистика 25 fb–1 | Данные согласуются с предсказаниями для скалярной частицы и расходятся с предсказаниями для тензорной частицы (спин 2); эта гипотеза исключена с достоверностью выше 99,9%. | ATLAS Note, графики |
| март 2013 | CMS | проверка спина и четности бозона в распаде ZZ на статистике 25 fb–1 | Данные согласуются с расчетами для спина и четности 0+ (скалярная частица) и существенно отличаются от псевдоскалярной частицы 0–, от тензорной частицы 2+, и от более экзотических вариантов. Все нестандартные варианты исключены с достоверностью выше 99,4%. | PAS, TWiki с подробными графиками |
| март 2013 | ATLAS | проверка нестандартных вариантов спина и четности в распаде ZZ; статистика 25 fb–1 | Данные согласуются с предсказаниями для скалярной частицы; варианты 0– и 1+ исключены с достоверностью выше 97,8%. | ATLAS Note, графики |
Дополнительные ссылки:
- Новости LHC: Хиггсовский бозон.
- ATLAS Higgs public results и CMS Higgs physics results.