Рождение бозона Хиггса на LHC
Четыре основных канала рождения хиггсовского бозона на LHC (адаптированные изображения с сайта Physics of and with Leptons) Существует четыре основных канала рождения хиггсовского бозона в столкновении партонов из двух встречных протонов:
- Рождение в слиянии глюонов: gg → H. В ультрарелятивистском протоне глюоны (с нужной кинематикой) преобладают над остальными партонами, поэтому это доминирующий канал рождения. Этот процесс оказался довольно трудным для расчета потому, что поправки высокого порядка оказались не малы, однако после нескольких лет работы они вычислены с хорошей точностью.
- Рождение в слиянии векторных бозонов WW → H или ZZ → H. Виртуальные векторные бозоны, излучаемые и поглощаемые кварками, можно тоже рассматривать как партоны, которых, правда, в протоне чрезвычайно мало. Тем не менее они очень сильно (гораздо сильнее, чем сами кварки) связаны с хиггсовским бозоном, поэтому сечение этого процесса всего в несколько раз меньше, чем слияние глюонов.
- Ассоциативное рождение вместе с W- или Z-бозоном. Этот процесс часто называют также Higgsstrahlung («тормозное излучение бозона Хиггса» — по аналогии с bremsstrahlung, тормозным излучением фотонов).
- Ассоциативное рождение вместе с топ-кварками. Этот процесс можно представить себе как рождение двух топ-кварк–антикварковых пар, причем кварк и антикварк из разных пар затем сливаются, порождая хиггсовский бозон. Сечение этого процесса еще меньше, но он обладает своей специфической сигнатурой (картиной распада в детекторе), которую можно использовать для поиска хиггсовского бозона.
На графике приведены сечения рождения хиггсовского бозона в том или ином канале.
Сечение рождения хиггсовского бозона на LHC в различных партонных подпроцессах (изображение с сайта Группы по поиску бозона Хиггса в эксперименте CMS)
Распады хиггсовского бозона
По своей природе хиггсовский бозон должен быть связан со всеми массивными фундаментальными частицами, причем чем больше масса частиц, тем сильнее он с ними связан. Это значит, что распадаться хиггсовский бозон предпочитает на самые тяжелые пары частица-античастица, которые еще доступны по закону сохранения энергии. Кроме того, за счет петель виртуальных частиц, хиггсовский бозон оказывается связан и с безмассовыми частицами — фотонами и глюонами.
Вероятности распада хиггсовского бозона на различные конечные состояния (изображение с сайта Группы по поиску бозона Хиггса в эксперименте CMS) Напомним массы самых тяжелых из известных частиц: b-кварк — 5 ГэВ, W-бозон — 80 ГэВ, Z-бозон — 91 ГэВ, t-кварк — 170 ГэВ. Это значит, что хиггсовский бозон с массой, например, 120 ГэВ, будет преимущественно распадаться на пары b–анти-b, бозон с массой 250 ГэВ будет в основном распадаться на WW- и на ZZ-пары, более тяжелый бозон будет распадаться на WW-, ZZ- и t–анти-t-пары.
В этой картине любопытно то, что распад на WW-пары начинается задолго до порога. Если бы W-бозоны были стабильными, то распад H → WW был бы возможен, только если бы масса хиггсовского бозона превышала пороговое значение 2MW = 160 ГэВ. Однако из-за того, что W-бозоны нестабильны, этот процесс активно идет и «далеко под порогом», начиная с массы хиггсовского бозона около 130 ГэВ. При этом один из W-бозонов рождается виртуальным и сразу распадается.
Дополнительная литература:
- Ключевые свойства хиггсовского бозона обсуждаются в книге Л. Б. Окуня «Лептоны и кварки».
- Подробную информацию о рождении и распадах хиггсовского бозона в Стандартной модели см. в обзоре A. Djouadi «The Anatomy of Electro-Weak Symmetry Breaking. I: The Higgs boson in the Standard Model» // hep-ph/0503172.
- S. Bolognesi, G. Bozzi, A. Di Simone. «Higgs at the LHC» // arXiv:0804.4401.
