«Процес народження ttH остаточно відкритий, але вже не викликає ентузіазму теоретиків»

Ріс. 1. Статистика подій народження топ-кварк-антикваркової пари і двох фотонів великої енергії демонструє в розподілі за інваріантною масою двох фотонів чіткий пік на масі бозона Хіггса, що дозволяє впевнено говорити про реєстрацію процесу ttH. Зображення зі статті: ATLAS Collaboration. Observation of Higgs boson production in association with a top quark pair at the LHC with the ATLAS detector

Після кількох років пошуків колаборації ATLAS і CMS нарешті повідомили про надійне відкриття процесу народження хіггсовського бозону в супроводі топ—кварк—антикваркової пари. Інтенсивність народження в межах похибки узгоджується з передбаченнями Стандартної моделі. Кілька років тому навколо цього процесу панував ажіотаж, проте до теперішнього моменту всі пристрасті вляглися, і теоретики зустріли повідомлення CMS і ATLAS дуже прохолодно.

У фізиці елементарних частинок, серед величезного різноманіття реакцій народження і розпаду різних частинок, існує невеликий, але дуже важливий клас процесів знакових, ключових, наріжних для подальшого розвитку того чи іншого розділу фізики частинок. Ці процеси стоять окремо і для теоретиків, і для експериментаторів. Вони, як правило, важкі для експериментальної реєстрації; в окремих випадках фізики полюють за ними десятиліттями. З іншого боку, саме через них можна вперше промацати нову межу того, як працює Всесвіт на рівні мікроміру. Вони виключно привабливі і для теоретиків: адже якщо в цих процесах виявиться суттєве відхилення від очікувань Стандартної моделі (СМ), це може стати передвісником феєрверку відкриттів і початком нової ери у фізиці частинок.

Кілька таких процесів вже було виявлено на Великому адронному колайдері. Це, перш за все, народження бозона Хіггса, а також деякі надрідкісні розпади B-мезонів. У цю ж групу можна віднести ще один процес за участю бозона Хіггса — його одночасне народження разом з топ-кварк-антикварковою парою — народження системи ttH. Днями, після чотирьох років пошуків, сюрпризів, надій і розчарувань, цей процес був нарешті оголошений відкритим, остаточно і безповоротно. Обидва найбільші детектори Великого адронного колайдера, ATLAS і CMS, бачать чітку вказівку на цей процес на рівні статистичної значущості вище 5 сигм, що у фізиці елементарних частинок вважається порогом для заяви про відкриття.

Колаборація CMS повідомила про це ще в квітні, випустивши препринт, який на початку червня був опублікований в журналі Physical Review Letters. Їх результат базувався на статистиці 2016 року, об’єднаній з даними Run 1 (2010-2012 роки), завдяки чому сукупна статистична значимість сигналу склала 5,2º. Колаборація ATLAS завершила свій аналіз трохи пізніше, опублікувавши результати тільки на початку червня. Зате вона включила і дані 2017 року, довівши повну інтегральну світність до 80 fb^-1, а статистичну значимість — до 6,3º. Ця робота стала однією з найперших публікацій, в яких нарешті стала враховуватися рекордна за своїм обсягом статистика 2017 року. Інтенсивність сигналу — тобто кількість зареєстрованих випадків народження ttH в порівнянні з очікуваннями СМ — склала   (ttH) =( 1,26 ст.1{ + 0,31} _ {-0,26}) за даними CMS і   (ttH) =( 1,32 ст.1{ + 0,28} _ {-0,26}) за даними ATLAS. В обох випадках результат в межах похибок узгоджується зі Стандартною моделлю.

Розповідь про ці дослідження з’явилася на сайті ЦЕРНу, в журналах Physics і CERN Courier і на сайтах колаборацій. У дописі New ATLAS result establishes production of Higgs boson in association with top quarks можна знайти анімацію того, як у міру накопичення даних проступав сигнал народження системи ttH у детекторі ATLAS. Новина розійшлася також по багатьох ЗМІ, в черговий раз сколихнувши інтерес публіки до результатів коллайдера. Але треба зазначити, що ті штамповані урочисті формулювання, в яких зараз облягається повідомлення про це відкриття, приховують від читачів найцікавішу частину цієї історії, що тривала кілька років і стала джерелом натхнення для сотень теоретиків. Можна навіть сказати так: якщо три роки тому навколо цього процесу був справжній ажіотаж, то до теперішнього моменту всі пристрасті вляглися, і теоретики зараз зустрічають повідомлення CMS і ATLAS прохолодно, якщо не байдужо.

Нагадаємо коротко цю історію, за якою ми починаючи з 2015 року стежили на сторінці Комбінація топ-антитоп-хіггс. Перший натяк на народження ttH з’явився в публікації CMS 2014 року. Вже сам факт того, що в сеансі Run 1 було видно сліди цього рідкісного процесу, викликали у фізиків подив — за оцінками СМ, статистики Run 1 для цього не повинно було вистачати. Оцінивши за даними ймовірність цього процесу, колаборація CMS отримала майже триразове перевищення порівняно зі Стандартною моделлю! Теоретики з радістю почали пояснювати цю аномалію в різних моделях Нової фізики. Справа в тому, що топ-кварк, в силу своєї ненормально великої маси і, як наслідок, інтенсивного зв’язку з бозоном Хіггса, завжди викликав у теоретиків підозру. Тому відхилення в народженні системи ttH цілком відповідало очікуванням, що тут є місце для нестандартних ефектів. Багато хто тоді відчував, що фізики ось-ось намацають «больову точку» Стандартної моделі.

Дані ATLAS з’явилися трохи пізніше і ситуацію не прояснили. У вересні 2015 року, коли хіггсовські дані двох детекторів були офіційно об’єднані, аномалія в ttH-народженні зберігалася і продовжувала розбурхувати уяву. До того ж всі чекали перші дані Run 2 — адже при підвищенні енергії зіткнень до 13 ТЕВ цей процес народження повинен різко, вчетверо посилитися в порівнянні з сеансом Run 1. Було ясно, що 2016 рік або принесе велику сенсацію, або закриє аномалію. До того ж в першій половині 2016 року фізики пережили найсильніший за останні десятиліття шок, коли з’явився з нізвідки і зник в нікуди двофотонний сплеск при 750 ГЕВ. Ледь оговтавшись від удару, фізики говорили, що, принаймні, ttH-аномалія поки тримається, бо перші дані 2016 року ще зберігали якусь інтригу. Однак протягом усього 2017 року надії невблаганно танули, і до грудня стало ясно, що нічого ловити тут, на жаль, не доводиться.

До початку 2018 року статистична значимість цього сигналу становила вже 4º. У міру того як міцніла надійність свідчень на його користь, ентузіазм теоретиків, навпаки, відлетучувався. Інтенсивність взаємодії бозона Хіггса з топ-кварками виходила абсолютно стандартною, і було ясно, що залишилося натиснути ще зовсім небагато, і процес буде офіційно відкритий. Саме це і сталося днями. Звичайно, це важливий процес, за яким фізики полювали стільки років; це своєрідний «чекпойнт» хіггсовської програми колайдера. Але колишньої наснаги у теоретиків він зараз вже не викликає.

З точки зору експериментального результату важливо не тільки саме по собі надійне відкриття цього процесу, але і те, що фізики навчилися справлятися з такою складною для аналізу системою (рис. 2). Адже всі три народжені частинки — топ-кварки і бозон Хіггса — розпадаються, причому на різні кінцеві стани. До того ж, продукти їх розпадів можуть сильно заважати один одному і ускладнювати відбір подій.

Ріс. 2. Подія — кандидат у народження системи ttH з певним каналом розпаду. Зображення з home.cern

Власне, дані 2016 року довелося обробляти так довго саме через виняткову заплутаність народженого набору частинок. У 2017 році, демонструючи на конференціях попередні суперечать один одному результати по окремих каналах розпаду, експериментатори чесно визнавали: мабуть, ми поки погано вміємо розплутувати такі складні процеси. Зараз вони з цим завданням впоралися, а це означає, що тепер можна замахнутися і на інші, ще більш складні реакції народження.

Джерела:

1) CMS Collaboration. Observation of ttH production // Physical Review Letters 120, 231801 (2018). Препринт статті доступний також як arXiv:1804.02610.

2) ATLAS Collaboration. Observation of Higgs boson production in association with a top quark pair at the LHC with the ATLAS detector // препринт arXiv:1806.00425.

Ігор Іванов