Сотрудничество ATLAS обнаружило доказательства распадов бозона Хиггса на мюоны и повысило чувствительность к распадам бозона Хиггса на Z-бозон и фотон.
Исследования свойств бозона Хиггса на конференции
Исследования свойств бозона Хиггса заняли видное место в программе крупной ежегодной конференции по физике, Европейской конференции физического общества по физике высоких энергий (EPS-HEP), которая прошла на этой неделе в Марселе, Франция. Среди результатов, представленных коллаборацией ATLAS, были два, посвящённых исключительно редким распадам бозона Хиггса.
Первый процесс, изученный коллаборацией, — это распад бозона Хиггса на пару мюонов (H→μμ). Несмотря на его редкость — происходит только в одном из каждых 5000 распадов бозона Хиггса — этот процесс предоставляет наилучшую возможность изучить взаимодействие бозона Хиггса со вторым поколением фермионов и пролить свет на происхождение массы в разных поколениях.
До сих пор взаимодействия бозона Хиггса с частицами материи наблюдались только для частиц третьего, самого тяжёлого поколения: тау-лептона и топ- и нижнего кварков.
Второй процесс, исследованный коллаборацией, — это распад бозона Хиггса на Z-бозон и фотон (H→Zγ), где Z-бозон впоследствии распадается на пары электронов или мюонов. Этот редкий распад особенно интригует, поскольку он происходит через промежуточный «цикл» виртуальных частиц. Если новые, неизвестные частицы вносят вклад в этот цикл, процесс может дать намёки на физику за пределами Стандартной модели.
Идентификация редких распадов
Идентификация этих редких распадов — непростая задача. Для H→μμ исследователи искали небольшой избыток событий, группирующихся вблизи массы пары мюонов в 125 ГэВ (масса бозона Хиггса). Этот сигнал может быть легко скрыт за тысячами пар мюонов, произведённых в результате других процессов («фон»). Распад H→Zγ с последующим распадом Z-бозона на электроны или мюоны ещё сложнее выделить из-за того, что Z-бозон распадается таким образом только примерно в 6% случаев, а фотоны легко имитируются струями частиц.
Эксперимент KATRIN и ограничения на общие взаимодействия нейтрино
Эксперимент KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino) — это крупномасштабное исследование, направленное на точное измерение эффективной массы электронного антинейтрино с помощью передовых инструментов, расположенных в Технологическом институте Карлсруэ (KIT) в Германии.
Исследователи, участвующие в этом эксперименте, недавно опубликовали результаты нового анализа данных второй измерительной кампании в журнале Physical Review Letters, которые устанавливают новые ограничения на взаимодействия, включающие нейтрино, которые могут возникать из-за неизвестной физики, не объяснённой Стандартной моделью, также известные как общие взаимодействия нейтрино.
«Мы знаем, что за пределами Стандартной модели (BSM) физика скрывается в секторе нейтрино, но мы пока не знаем, как она выглядит», — сказала Кэролайн Фенглер, ведущий аналитик этого поиска. «Именно это побудило нас в прошлом искать различные явления физики BSM с помощью KATRIN, такие как лёгкие и тяжёлые стерильные нейтрино и нарушения лоренц-инвариантности».
«Теория, разработанная группой Вернера Родейоханна, дала нам стимул расширить наш поиск любых возможных новых взаимодействий нейтрино, которые могут вносить вклад в слабое взаимодействие бета-распада», — добавила она.
Новые взаимодействия, которые начали искать исследователи, могут указывать на существование различных захватывающих физических явлений за пределами Стандартной модели, но которые широко исследовались теоретиками. Например, они могут указывать на присутствие различных гипотетических частиц, включая правые W-бозоны, заряженные бозоны Хиггса и лептокварки.
«Основная цель эксперимента KATRIN — измерить массу нейтрино», — объяснила Фенглер. «Это делается путём высокоточного измерения энергетического спектра электронов, возникающих в результате бета-распада трития, с использованием высокоактивного источника трития и единственного в своём роде спектрометра электронов».
Форма зарегистрированного бета-спектра содержит информацию о массе нейтрино и других вкладах физики BSM. Примечательно, что общие взаимодействия нейтрино, как ожидается, вызовут характерные деформации формы так называемого бета-спектра, который представляет собой распределение энергий электронов, испускаемых во время бета-распада.
«Используя лишь небольшую часть (5%) окончательного набора данных KATRIN, мы уже смогли установить конкурентоспособные ограничения на некоторые из исследуемых новых взаимодействий нейтрино по сравнению с глобальными ограничениями из других экспериментов с низкой энергией», — сказала Фенглер. «Это показывает, что эксперимент KATRIN чувствителен к этим новым взаимодействиям».
Хотя эксперимент KATRIN ещё не обнаружил признаков общих взаимодействий нейтрино, он установил конкурентоспособные ограничения на силу этих новых и неуловимых взаимодействий, используя новый экспериментальный подход. Коллаборация KATRIN надеется, что эти ограничения будут способствовать будущим поискам физики за пределами Стандартной модели.
«Мы уже работаем над дальнейшим повышением нашей чувствительности к общим взаимодействиям нейтрино с помощью KATRIN, расширяя набор данных и совершенствуя наш подход к анализу», — добавила Фенглер. «С началом предстоящего этапа TRISTAN в KATRIN в 2026 году, который направлен на поиск стерильных нейтрино с энергией в килоэлектронвольтах с помощью модернизированного детектора, мы получим доступ к другому мощному набору данных, который обещает значительно повысить нашу чувствительность в будущем».