Ученые коллаборации ATLAS впервые наблюдали на Большом адронном коллайдере самый редкий распад бозона Хиггса, сообщает Европейский центр по ядерным исследованиям.
Время жизни бозона Хиггса, по экспериментальным данным, составляет всего 10-24 секунды. Затем бозон распадается. Существует несколько вариантов его распада. Чаще всего, более чем в половине случаев, бозон Хиггса распадается на пару b-кварк-b-антикварк. Существуют и более редкие варианты распада: на два фотона, на две пары лептонов с противоположными зарядами (электрон-позитрон и/или мюон-антимюон), на лептоны с парой нейтрино. При самом редком варианте, известном как распад Далица, возникает одна пара лептонов и фотон. Распад Далица может происходить тремя разными способами. Лептоны могут образовываться через промежуточный Z-бозон или через виртуальный фотон, или бозон Хиггса может распадаться на два лептона, при этом один лептон излучает фотон в конечном состоянии.
Физики ATLAS искали случаи распада через виртуальный фотон. В отличие от обычного фотона, который стабилен, но не обладает массой, виртуальный фотон существует очень недолго, распадаясь на два лептона, и при этом обладает пусть очень малой, но все-таки ненулевой массой. Исследователи проанализировали статистику, полученную во время сеанса работы коллайдера Run 2, в поисках событий с фотонами и двумя лептонами с совокупной массой меньше 30 гигаэлектронвольт, поскольку при таких массах варианты распада через виртуальный фотон преобладают над другими.
«Особенностью этого канала распада является то, что большинство дилептонных пар имеют очень маленькую инвариантную массу и сравнительно высокий поперечный импульс, — пояснили исследователи. — Это означает, что они проходят через детектор по почти идентичным траекториям, только разделенным небольшим углом». «Дифференциация между двумя мюонами не составляет проблемы для внутреннего детектора ATLAS и мюонного спектрометра. Но в случае электронов, которые реконструируются в электромагнитном калориметре, два находящихся рядом электрона могут отдавать свою энергию в пределах нескольких сантиметров друг от друга. Это представляет собой проблему, поскольку типичная энергия, приносимая в калориметр одним электроном, находится внутри радиуса около 10 см. В этом случае сигналы от двух электронов часто накладываются друг на друга, создавая уникальную экспериментальную сигнатуру. Поиск таких электронных пар потребовал специальной техники электронной идентификации, тщательной калибровки энергии и даже специального триггера для выявления этой специальной топологии во время быстрого онлайн-выбора событий», — сообщают исследователи.
Преодолев эти проблемы, ученые смогли выбрать столкновения, содержащие пару лептонов малой массы и фотон. Вероятность того, что наблюдаемый сигнал был вызван колебаниями фона и представляет собой статистическую флуктуацию, составляет 3,2 сигмы — то есть менее 1 из 1000.
