Ученые нашли первые свидетельства распада редкого бозона Хиггса

В 2012 году ученые из Большого адронного коллайдера ЦЕРН в Швейцарии получили Нобелевскую премию по физике за прорывное открытие: они обнаружили бозон Хиггса, субатомную частицу, предсказанную Стандартной моделью физики почти пятьдесят лет назад. Бозон Хиггса живет недолго, быстро распадаясь на более мелкие частицы, такие как два фотона (легкие частицы). Теперь исследователи, использующие ATLAS и CMS, нашли доказательства редкого распада бозона Хиггса, при котором субатомная частица распадается на один фотон и два лептона — тип элементарной частицы, которая может быть заряженной или нейтральной. (Электроны и мюоны, аналогичный тип субатомных частиц, являются двумя примерами заряженных лептонов.) В частности, они нашли доказательства того, что бозон Хиггса может распадаться либо на фотон и пару электронов, либо на фотон и пару мюонов с противоположным зарядом.

Используя Стандартную модель, исследователи могут предсказать различные элементарные частицы, на которые может распадаться бозон Хиггса, причем довольно «обычным» распадом являются два фотона. Они также могут оценить, как часто бозон Хиггса распадается на различные комбинации частиц, и особенно редко бозон Хиггса распадается на фотон и два лептона. При этом типе распада после сверхкороткого срока жизни бозон Хиггса быстро превращается в один фотон, который ученые называют «виртуальным фотоном». Этот «виртуальный фотон», также известный как «фотон вне оболочки», затем немедленно превращается в двух лептонов. Также данный «виртуальный фотон» имеет очень маленькую ненулевую массу, в то время как обычные фотоны совершенно безмассовые.

Два лептона попадают калориметр очень близко друг к другу. Калориметр LHC — это инструмент, который предотвращает попадание частиц в результате столкновения частиц. Ученые могут обнаруживать и изучать эти частицы, когда они останавливаются или «поглощаются» инструментом. Хотя они предсказали, что этот тип распада должен существовать с бозоном Хиггса, это новое обнаружение является первым намеком на свидетельство этой очень редкой формы распада бозона Хиггса. Данные, используемые в этом исследовании, были собраны во время прогона 2, второго периода работы коллайдера, который начался в 2015 году и закончился в 2018-ом. Прогон 3 начнется в марте 2022 года.

Изучая такие редкие распады, исследователи могут изучить возможность появления новой физики, которая выходит за рамки Стандартной модели, объясняющей многое о нашей физической вселенной, но не включающей гравитацию или темную материю. Считается, что темная материя, которая не излучает свет и которую нельзя непосредственно наблюдать, составляет около 80% всей материи в известной Вселенной, но ученые еще не знают, что это такое.

Данная работа была представлена ​​на публичном семинаре LHC в ЦЕРНе 1 февраля 2021 года, и опубликована на сайте ЦЕРН. Она представляет собой примечание CONF, которое является предварительным результатом ATLAS.