Горизонты научного поиска

Лептонный аромат в распадах бозона Хиггса

Ученые Объединенного института ядерных исследований принимают активное участие в эксперименте CMS. Более 25 лет ОИЯИ играет в нем ведущую роль, начиная с самых ранних стадий разработки концепции эксперимента и предложения физической программы исследований. Основные усилия группы ОИЯИ сконцентрированы на проверке свойств Стандартной модели и поиске новой физики за ее рамками с помощью сигналов, содержащих пары лептонов.

Лептонный аромат - специфическое квантовое число в Стандартной модели взаимодействий элементарных частиц, отличающееся для трех поколений фермионов. Известно, что лептонное число не сохраняется для нейтральных состояний лептонного сектора (нейтрино); теоретически возможно, что это происходит также и для заряженных состояний (лептонов). Коллаборации на LHC, в частности, CMS, куда входят ученые ОИЯИ, активно ведут поиск подобных нарушений.

Термин "аромат" был введен Мюрреем Гелл-Манном и его студентом Гаральдом Фритцшем для описания разных типов кварков, известных на тот момент - верхнего (up), нижнего (down) и странного (strange); сейчас список кварковых ароматов состоит из шести позиций. Термин также был адаптирован для лептонного сектора, содержащего три типа заряженных лептонов: электрон, мюон и тау-лептон. Кроме того, для заряженных лептонов имеются соответствующие им нейтральные партнеры - электронное, мюонное и тау-нейтрино (в самом названии частицы подчеркивается отсутствие у нее заряда). В Стандартной модели (СМ) лептонный аромат всегда сохраняется. Другими словами, любое взаимодействие (обмен передатчиком - калибровочным бозоном), возникающее в СМ, не изменяет ароматы лептонов, вовлеченных в процесс обмена. При этом кварковые ароматы в СМ не сохраняются, и нет объяснения, почему для лептонов это работает по-другому. Эта разница является одной из самых важных нерешенных загадок в физике частиц.

В середине 60-х годов прошлого века наблюдения позволили обнаружить большое несоответствие между величиной потока солнечных нейтрино и тем, что ожидалось в соответствии с солнечной моделью. Коллаборации Супер-Камиоканде и Сэдбери в конце концов разрешили эту проблему (это случилось в 2002 году), когда привлекли для объяснения гипотезу осцилляций (переходов) нейтрино одного аромата в нейтрино другого. Это сразу предполагает, что лептонный аромат не сохраняется, как минимум, в нейтральном секторе. Нейтринные осцилляции послужили для физиков мощной мотивацией исследовать несохранение лептонного аромата и у заряженных лептонов, т.е. нарушение лептонного аромата (Lepton-Flavor Violation, LFV) в общем случае. В таких экспериментах, как MEG и BaBar, предпринимались попытки поиска LFV, исследуя возможные цепочки распадов более тяжелых лептонов на более легкие плюс фотон (распад мюона на электрон и фотон, распад тау-лептона на более легкий лептон 1-го или 2-го поколения и фотон). Поиск подобных процессов не выявил никаких отклонений от СМ, и по сей день не наблюдается никаких эффектов LFV.

В 2012 году в экспериментах CMS и ATLAS была открыта новая частица, названная бозоном Хиггса, которая, предположительно, обеспечивает массой все элементарные частицы. Поскольку свойства бозона Хиггса до сих пор полностью не изучены, для него все еще остается возможность взаимодействовать с какими-то неоткрытыми частицами, например с частицами темной материи. По этой причине распады с участием бозона Хиггса - захватывающее поле для исследований. Некоторые теории допускают, что бозон Хиггса может распадаться с нарушением лептонного аромата (нестандартным образом), так что наблюдение подобного распада явилось бы явным признаком новой физики за рамками СМ. Поэтому так важно исследовать LFV в распадах бозона Хиггса.

Коллаборация CMS осуществила такой поиск, используя данные протон-протонных столкновений, набранные в 2016-2018 годах. В частности, поиск был нацелен на распады бозона Хиггса на мюон и тау-лептон или на электрон и тау-лептон. Поскольку у тау-лептона очень малое время жизни, он распадается непосредственно внутри детектора либо по адронному каналу - на заряженный и нейтральный адроны (преимущественно пионы и каоны), либо по лептонному каналу - на более легкие лептоны плюс нейтрино. Для выделения из общего потока событий именно тау-лептонов, распадающихся на адроны, используются технологии глубинных нейронных сетей, сокращающие вероятность ошибочной идентификации. Применение нейронных сетей помогает, в частности, улучшить соотношение сигнал/фон.

Эксперимент СMS не может детектировать нейтрино, рождающиеся в результате распада тау-лептона. Однако об их присутствии однозначно свидетельствует закон сохранения импульса. Предполагается, что в сигнальных событиях направления движения (импульсы) тау-лептона и нейтрино, рожденного из его распада, практически совпадают. Это связано с тем фактом, что масса тау-лептона намного меньше массы бозона Хиггса, так что тау-лептон рождается в высшей степени релятивистским - обладающим очень высокой скоростью. Иными словами, вся масса бозона Хиггса после его распада на вторичные продукты "расходуется" в основном именно на приобретение скорости этими вторичными продуктами, а их массой можно пренебречь. Далее, с учетом такого большого, как говорят, "буста" (boost) тау-лептона, уже его продукты распада имеют такое же направление. Используя данное предположение, можно реконструировать массу бозона Хиггса, что помогает идентифицировать сигнал. На рисунках 1 и 2 показаны потенциальные события с LFV, где мюон и тау-лептон имеют значение их общей реконструированной инвариантной массы, близкое к значению массы первичного бозона Хиггса в 125 ГэВ. Отличие между рисунками заключается в разных каналах рождения бозона Хиггса - в первом случае он получается в процессе слияния двух глюонов, а во втором - при слиянии двух калибровочных бозонов (одни из основных каналов рождения бозона Хиггса в СМ).

Рисунок 1: Событие, похожее на распад бозона Хиггса с нарушением лептонного аромата, где рождение бозона Хиггса произошло по механизму глюон-глюонного слияния (ggF). Красный трек обозначает мюон, а красный конус с соответствующим энерговыделением в калориметре - тау-лептон, который распадается по адронному каналу.

Рисунок 2: Событие, похожее на распад бозона Хиггса с нарушением лептонного аромата, где рождение бозона Хиггса произошло по механизму слияния векторных бозонов (VBF). Красный трек обозначает мюон, а красный конус с соответствующим энерговыделением в калориметре - тау-лептон. Два желтых конуса соответствуют струям, пространственно расположенным в области больших псевдобыстрот и разлетающимся практически "тыл-в-тыл", под 180 градусов, что позволяет ассоциировать их с продуктами распада векторных бозонов ("метка" канала рождения VBF).

После идентификации сигнала оцениваются вклады от различных фоновых процессов. Доминирующий фон происходит из распада Z бозона СМ на пару тау-лептонов (Z ). Этот фон оценивается из данных, путем замены мюонов на пару тау-лептонов в событиях Z µµ. Другой важный фон возникает из редких событий столкновений, в которых адроны были ошибочно определены как лептоны. Вклад этих событий оценивается непосредственно из независимой выборки данных, обогащенной такими событиями. Еще ряд фоновых процессов связан с рождением лептонной пары при распадах кварков и векторных бозонов; он оценивается с помощью моделирования этих процессов специальными генераторами физических событий.

После того как был хорошо определен сигнал и оценены различные фоновые вклады, для отделения первого от второго используется еще одна технология тренировки нейросетей. Проводится статистический анализ для оценки значения так называемой "мощности сигнала" (отношения значения измеренного сечения сигнального процесса к его ожидаемому значению в СМ) для распада бозона Хиггса с LFV. В этом статистическом анализе учитываются известные экспериментальные и теоретические погрешности. Проведенный CMS анализ не выявил никаких превышений числа событий над ожиданиями СМ (в данном случае - над погрешностями реконструкции сигнала, поскольку сам по себе процесс распада бозона Хиггса с LFV в СМ запрещен). Если бозон Хиггса может распадаться на мюон и тау-лептон, такой процесс может произойти максимум в 15 случаях из 1000. Аналогично, распад бозона Хиггса на электрон и тау-лептон может произойти максимум в 22 случаях из 1000.

В начале 2022 года, после трехлетней технической остановки LHC, эксперимент СMS снова начнет набирать данные. Ожидается, что через 3 года после этого момента объем данных возрастет вдвое относительно доступного в настоящее время. Потом, с 2027 года, последует фаза высокой светимости LHC, к концу которой ожидается уже на порядок больший объем данных. В будущем, со всей этой солидной коллекцией данных, мы сможем изучать гораздо более редкие события нарушения лептонного аромата, нежели доступно нам сейчас. Также, помимо экспериментов на LHC, в настоящее время разрабатываются узкоспециализированные новые эксперименты, наподобие Mu2e, которые предполагают изучение перехода мюона в электрон с использованием объема данных, в 10 тысяч раз превосходящего использованный в аналогичном предыдущем эксперименте. Так что будущее вопроса о лептонном аромате представляется очень захватывающим, и мы надеемся, что скоро решим эту загадку СМ.

По материалам коллаборации CMS