Стратегии поиска хиггсовского бозона на LHC

Общая стратегия

Проверка того, что электрослабая симметрия действительно нарушается за счет хиггсовского механизма, — одна из центральных задач LHC. Эта задача включает в себя три главных этапа:

1) обнаружение частицы, похожей на хиггсовский бозон,

2) проверка, что эта частица обладает свойствами, которые ожидаются от хиггсовского бозона,

3) выяснение, какие из теорий хиггсовского сектора согласуются с экспериментальными данными.

Основные стратегии поиска

Тяжелый бозон Хиггса

Если масса бозона составляет 200 ГэВ или больше, то его удобно искать с помощью лептонных распадов Z-бозонов: H → ZZ → (e⁺e^–)(μ⁺μ^–). Это так называемый «золотой канал» поиска Хиггса. Экспериментаторам потребуется сделать всего одну вещь: выделить (e⁺e^–)(μ⁺μ^–) события, вычислить инвариантные массы e⁺e^– и μ⁺μ^– пар и построить распределение по суммарной инвариантной массе всех четырех лептонов. Хиггсовский бозон будет легко заметным пиком на этом распределении.

Бозон Хиггса в промежуточной области

Хиггсовский бозон с массой 135 < M_H < 200 ГэВ преимущественно распадается на WW-пары (при M_H < 160 ГэВ один из W-бозонов будет виртуальный), детектировать которые труднее, чем ZZ-пары. С одной стороны, у W-бозона есть тоже лептонный канал распада, например eν_e или μν_μ. Однако во всех случаях при этом рождается нейтрино, которое вылетает, унося с собой энергию и импульс и не оставляя следов в детекторе. Это значит, что в распаде H → W^–W⁺ → e^–ν_e μ⁺ν_μ в детекторе будет видна только пара e^–μ⁺. Это позволит догадаться о том, что в промежутке были W-бозоны, но не позволит строить распределения по инвариантной массе.

Легкий бозон Хиггса

Бозон Хиггса с массой меньше 135 ГэВ распадается преимущественно на b–анти-b-пары. В детекторе эти кварки дадут две адронные струи, которые смешаются со всеми остальными адронами. Выделить события с Хиггсом и без него только за счет этих струй будет практически невозможно, поэтому тут потребуются более сложные методики. Вот некоторые из обсуждаемых сейчас стратегий:

• Использование двухфотонного распада. Хиггсовский бозон с массой 100–135 ГэВ изредка, с вероятностью около 0,1%, распадается на два фотона. Регистрировать жесткие фотоны и измерять их энергию довольно просто, а фон в таком канале намного слабее, чем в чисто адронных каналах.
• Ассоциативное рождение хиггсовского бозона, когда в жестком столкновении партонов бозон Хиггса рождается не один, а в паре, например, с Z-бозоном или с кварковыми струями. Такие события имеют в детекторе свою специфическую сигнатуру, и поэтому выделять их из всего потока событий проще.
• Дифракционное рождение хиггсовского бозона. Хиггсовский бозон может родиться не только в жестком столкновении двух партонов, но и в дифракционном процессе, при котором протоны не разрушаются, а по-прежнему летят вперед, потеряв очень незначительную долю своей энергии. Эти протоны потом можно будет поймать специальными форвард-детекторами, которые стоят рядом с пучком на большом удалении от точки столкновения. В центральном детекторе при этом не будет никаких иных частиц, кроме продуктов распада Хиггса. Это очень чистый процесс (достаточно будет горстки событий для открытия бозона Хиггса), но вероятность его очень мала. В настоящее время неизвестно, насколько эффективно он будет идти (теоретические расчеты очень неопределенны), но экспериментаторы уже готовятся к поиску хиггсовского бозона этим методом.

Проверка того, что открытая частица действительно есть бозон Хиггса

Разумеется, факт открытия какой-то частицы в области масс от 100 до 1000 ГэВ еще не означает, что это именно бозон Хиггса. После открытия частицы потребуется внимательное изучение ее свойств. Ключевыми будут следующие измерения:

• Проверка нулевого электрического заряда частицы по суммарному заряду его продуктов распада.
• Проверка спина и четности частицы. В Стандартной модели Хиггс имеет нулевой спин и положительную четность (то есть является истинным скаляром). Спин и четность можно будет проверить по угловому распределению продуктов распада.
• Предыдущие два пункта выполняются для любой нейтральной скалярной частицы. Главная особенность хиггсовского бозона состоит в специфическом характере связи с остальными частицами: чем больше масса фундаментальных частиц, тем сильнее к ним цепляется хиггсовский бозон. Поэтому главным аргументом в пользу обнаружения хиггсовского бозона будет изучение всех доступных каналов распада и сравнение их вероятностей друг с другом, а также с теоретическими расчетами.

Когда найдут хиггсовский бозон?

В ФЭЧ частица считается открытой, если она достаточно сильно выделяется над фоном. Для того чтобы охарактеризовать это «выпирание», вычисляют статистическую значимость сигнала — то есть то, во сколько раз он сильнее типичной случайной флуктуации (на языке физики, стандартного отклонения, σ). Для объявления об открытии частицы требуется, чтобы статистическая значимость превысила пять стандартных отклонений (5σ). Поскольку статистическая значимость пропорциональна квадратному корню из накопленной статистики, для открытия бозона Хиггса потребуется набрать достаточно много событий, причем тем больше, чем сильнее окажутся фоновые процессы.

Время, требуемое для накопления достаточной статистики, зависит от массы хиггсовского бозона. Моделирование показало, что для легкого бозона Хиггса потребуется накопить интегральную светимость порядка 20–30 fb^–1. При текущих планах LHC на это уйдет примерно 2–3 года. Поиск хиггсовского бозона промежуточной массы будет идти гораздо быстрее. Для открытия бозона хватит 1–3 fb^–1, и такая светимость будет накоплена в течение 2009 года. Для тяжелого хиггсовского необходимая светимость составляет примерно 3–5 fb^–1, что тоже будет накоплено к середине 2010 года.

Статистическая значимость хиггсовского сигнала при интегральной светимости 30 fb^–1 На графике показана ожидаемая статистическая значимость сигнала от хиггсовского бозона в эксперименте ATLAS при интегральной светимости 30 fb^–1. Цветные кривые отвечают статистической значимости сигнала в конкретных каналах рождения и распада, а черная кривая — результат объединения поисков во всех каналах. Видно, что черная кривая превышает уровень 5σ во всём диапазоне масс. Это значит, что после обработки данных, накопленных при такой светимости, хиггсовский бозон не только будет открыт (если, конечно, он существует), но и изучен с некоторой степенью точности. График получен по результатам численного моделирования.

Выяснение структуры хиггсовского сектора

Все эти оценки касаются хиггсовского бозона Стандартной модели. В более сложных вариантах устройства хиггсовского сектора эти оценки могут сильно измениться. Более того, во многих моделях существует несколько хиггсовских бозонов с разными свойствами, и вполне возможно их наблюдение на LHC.

Подробнее про неминимальные варианты хиггсовского механизма

Если эксперимент покажет, что открытая частица (или частицы) является скаляром, но не удовлетворяет свойствам минимального хиггсовского бозона, то возникает вопрос: можно ли по этим данным восстановить теорию хиггсовского механизма? Этот вопрос часто называют «обратной задачей LHC». Для ее решения потребуется внимательное сравнение экспериментально обнаруженных свойств с предсказаниями различных моделей. Тут существует два основных варианта развития событий:

• Если окажется, что хиггсовских бозонов несколько или если помимо бозона Хиггса будут найдены другие новые частицы (например, суперсимметричные частицы), то эта задача будет достаточно простой.
• Если же будет открыт только один бозон Хиггса и больше никаких других частиц, то задача будет сложной. Вполне возможно, что LHC не сможет существенно ограничить фантазии теоретиков и дать четкие указания на какую-то конкретную теорию. В этом случае для выяснения вопроса придется ждать новых ускорителей, в частности международного линейного коллайдера ILC.

Дополнительная литература:

• S. Bolognesi, G. Bozzi, A. Di Simone. «Higgs at the LHC» // arXiv:0804.4401.
• ATLAS Higgs Working Group.
• Поиск хиггсовского бозона в эксперименте CMS.