Higgs boson ser standard ut i dataene i 2016 • Igor Ivanov • Vitenskapsnyheter om "Elementer" • Higgs boson, Søk etter ny fysikk, Elementær partikkelfysikk

Higgs boson ser standard ut i 2016-dataene

Fig. 1. "Gamle bekjentskap" i 2016-dataene: Fordelingen av tofotonhendelser ved invariant masse ved subtrahering av bakgrunnen viser en jevn Higgs-topp med en masse på 125 GeV. Graf fra cms-results.web.cern.ch

På Moriond 2017 konferanseserien holdt i mars ble resultatene fra Large Hadron Collider, oppnådd på alle 2016 statistikk, presentert for første gang. Higgs boson er tradisjonelt tatt med i listen over emner som spesiell oppmerksomhet ble nittet på. Higgs boson ble åpnet på collider for fem år siden, og i seg selv ble det til et forskningsverktøy: med hjelpen forsøker fysikere å finne hint om etterlengtet fysikk utenfor standardmodellen. Standardmodellen sto imidlertid igjen testen, denne gangen med 2016 Higgs-dataene.

forhistorie

I 2012 ble Higgs boson oppdaget på Large Hadron Collider. Hele epoken med søk, som varte i nesten et halvt århundre, har blitt erstattet av en ny epoke – en grundig studie av Higgs boson. Denne bosonen er en partikkel av en helt annen type enn alt vi noen gang har møtt på microworld, og derfor må det studeres eksperimentelt sammen og over.Mange teoretikere tror på alvor at Higgs-sektoren i vår verden ikke er så enkel som i standardmodellen, men mye rikere. Dessuten, bak denne bosonen, kan hele verdener av ukjente elementære partikler gjemme seg, hvilke andre eksperimenter var ufølsomme og som vi nå kan sonde med "Higgs-instrumentet". Alt dette holder fysikerne i spenning og i feberaktig søken etter nye måter å studere microworld på måter vi ikke visste før.

Fig. 2. Den korteste introduksjonen til Higgs boson. Figur av Igor Ivanov

Higgs bosons bekvemmelighet som et verktøy er at standardmodellen utvetydig og ganske klart forutsier sine forskjellige egenskaper: mulighetene og sannsynlighetene for forfall, tverrsnittet av fødselsprosessene, intensiteten av tilknytningen til andre partikler. Et sammendrag av disse karakteristikaene som er spådd i SM, finnes på Higgs boson-siden med en masse på 125 GeV: forventninger til standardmodellen. For fysikere ble han en kjent, kjent partikkel, som produseres i massekvantiteter av Large Hadron Collider. Men siden den eksperimentelle studien av Higgs boson er bare begynnelsen,vi kan bli ventet på hvert trinn ved oppdagelse – det er nok å oppdage en statistisk signifikant forskjell fra SM-spådommene i noen av disse mengdene.

I begynnelsen, i 2012-2013, da statistikken var fortsatt liten, kom det her og da hint om noe uvanlig dukket opp og forsvant: Se gjennom vårt Higgs-nyhetsfeed for de årene. Men da Run 1 analyserte dataene, forsvant disse avvikene. De endelige ATLAS- og CMS-dataene på alle Run 1-statistikker, publisert i 2016, viste et skuffende standardbilde av Higgs boson. Et sammendrag av disse resultatene i den mest komprimerte form er vist i fig. 3.

Fig. 3. Egenskaper av Higgs boson i henhold til resultatene av LHC Run-sesjonen 1. Figur av Igor Ivanov

Da LHC tjente en rekordenergi på 13 TeV-kollisjoner, økte rekrutteringshastigheten til Higgs-statistikken flere ganger. Midt i fjor ble Run 2-dataene oppnådd på basis av lysstyrke 12-15 fb publisert på ICHEP 2016 internasjonale konferanse.−1 (Se ICHEP 2016 nyhetsdetaljer: Higgs boson er perfekt synlig i de nye dataene og ICHEP 2016: Lagt til nye berøringer til Higgs bosons "portrett"). Bildet som helhet så også ganske standard ut: alle målte egenskaper, med unntak av ttH-kanal av fødsel, inne i feilene sammenfalt med spådommene til SM.TtH-prosessen viste en liten avvik, noe som imidlertid ikke forårsaket for mye entusiasme.

Likevel er det alltid muligheten for at Higgs boson virkelig har lyse funn, men de vil bare bli merkbare når feilene blir redusert. Derfor er et sett med statistikk svært viktig for Higgs-fysikken: Jo flere data, jo mer nøyaktig måler vi karbonens egenskaper og de mer sjeldne prosessene med deltakelse vi vil kunne legge merke til. Den akkumulerte løp 2 statistikken så langt var 36 fb−1som tre ganger overskrider datamengden av den forrige sommeren og dekker betydelig all statistikk fra Run 1. Så fysikerne var klare til å se her hint på fenomen som ikke kunne sees før.

Rapportene om Higgs boson egenskaper, laget ved Moriond EW og Moriond QCD konferanser, to viktige vårekonferanser på partikkelfysikk, komplementert hverandre. De viste nye foreløpige resultater for forskjellige kanaler for bosonproduksjon og forfall og for å studere noen av sine egenskaper. Ikke alle disse resultatene er basert på komplett Run 2-statistikk; I noen tilfeller, hvor analysen fortsatt er i gang, begrenset fysikere seg til data samlet kun i vår og sommer, eller til og med data fra 2015.Nedenfor lister vi de punktene i Higgs-forskningsprogrammet som ble berørt av oppdateringen.

Forfall H → yy

CMS-samarbeidet for første gang viste resultatene av komplett Run 2-statistikk (publisering CMS-PAS-HIG-17-015), se fig. 1. ATLAS har begrenset seg til å gjenta resultatene fra forrige sommer (publisering ATLAS-CONF-2016-067). Begge målingene innenfor feilgrensene er i samsvar med standardmodellen.

Legg merke til en signifikant subtilitet. Konklusjonen om hvorvidt Higgs-signalet er forskjellig fra CM-spådommene, er basert på komplekse beregninger av Higgs bosonproduksjonens tverrsnitt i protonkollisjonen. Eksperimenter sammenligner nå sine data med spådommene talt i den tredje for hovedordenen for forstyrrelsesteorien (NNNLO), i motsetning til den andre rekkefølgen (NNLO), som ble brukt i Kjøretid 1. Vanligvis gir slike lange ordrer i dekomponeringen svært små tilskudd, men for Higgs bosonproduksjonens tverrsnitt i sammenheng av to gluoner utgjorde de en solid 10%. Disse beregningene ble fullført ganske nylig, i 2015, og de viste igjen at den superkomplekse beregningen av tusenvis av diagrammer ikke er et innfall av kjedte teoretikere, men en sak som er nødvendig for riktig tolkning av eksperimentelle resultater.

Forfall av H → ZZ * → 4 leptoner

ATLAS avslører ikke nye data for tiden og er begrenset til fjorårets resultater (ATLAS-CONF-2016-079). CMS viste Run 2-data på statistikk 35,9 fb−1. Higgs-toppen er perfekt synlig på fordelingen av de fire leptonene av den invariante massen (figur 4); sammenlign denne fordeling med resultatet for 2013 eller med forrige års data (figur 3 i ICHEP 2016-nyheten: Higgs boson er tydelig synlig i de nye dataene).

Fig. 4. Fordeling på den invariante massen av fire leptoner i CMS Run 2-data. punkter – eksperimentelle data blå histogram – Bakgrunnsprosessens bidrag, rødt histogram – Higgs bosons bidrag. Bilde fra cms-results.web.cern.ch

Størrelsen på Higgs-signalet var \ {\ mu_ {ZZ} = 1 {,} 05 ^ {+ 0 {,} 19} _ {- 0 {,} 17} \) i forhold til spådommene til SM. Higgs-toppen i denne kanalen er så tydelig at CMS målt bosonmassen ved sin posisjon: m = 125,26 ± 0,20 ± 0,08 GeVder statistiske og systematiske feil angis separat. Denne nye dimensjonen er alene! – Overgikk nøyaktig det kombinerte resultatet av ATLAS og CMS på alle kanaler i Run 1-dataene.

I tillegg rapporterte CMS om analysen av vinkelfordelingen i forfall av Higgs boson i 4 leptoner (CMS-PAS-HIG-17-011). Det er heller ikke i strid med forventningene til SM, som gjorde det mulig å etablere restriksjoner på hypotetiske uregelmessige varianter av forbindelsen mellom Higgs boson og Z-bosons.Vi legger vekt på at forfallskanalen for 4 leptoner er så sjelden at detektorene til nå har sett bare en håndfull hendelser, og det ville være litt fornuftig å bygge på dem flerdimensjonale distribusjoner. Nå er antall registrerte hendelser omtrent hundre, og mer detaljert informasjon kan allerede trekkes ut fra denne statistikken.

Kanalfødsel ttH

Den felles fødsel av Higgs boson og et par topp anti-anti-kvarker er i dag kanskje den mest interessante prosessen som involverer Higgs boson. På grunn av sin sjeldenhet, forventer fysikere ikke å se denne prosessen i Run 1-dataene, men det viste seg i dataene i begge samarbeidene med en intensitet på 2-3 mer enn SM-spådommen. Denne avvikelsen ble kalt ttH-anomalier og vekket stor interesse blant teoretikere. I tillegg, i overgangen fra 8 til 13 TeV, øker sannsynligheten for denne prosessen nesten firefold, og det viste seg at de aller første resultatene av Run 2-sesongen ikke lukk denne uregelmessigheten. Derfor venter forskerne utålmodig på 2016 LHC-dommen.

På en gang sier vi at den endelige dommen ikke er ennå: Analysen av alle varianter av forfallet av et slikt sett av partikler viste seg å være for arbeidskrevende. ATLAS, igjen, har ennå ikke gitt nye data om dette.Men CMS har forberedt en ubehagelig overraskelse. Ifølge resultatene av å studere noen spesifikke forfallskanaler viste det seg at ttH-prosessen ikke bare overstiger CM, men ikke engang når den (CMS-PAS-HIG-17-003). Spesielt motløs er muligheten når Higgs boson født i ttH-kanalen faller inn i b-anti-b quarks (CMS-PAS-HIG-16-038). Der er denne prosessen ikke synlig i det hele tatt – en formell analyse av dataene gir et negativt resultat for sannsynligheten! – Selv om han ved alle regnskap burde ha kommet gjennom. Dette betyr at selv om det i andre tilfeller av forfall vil bli sett noe overskudd (som for eksempel i en multilepton kanal i dataene til samme CMS, CMS-PAS-HIG-17-004), ser det ut til at det samlede resultatet er vil ikke være mye forskjellig fra CM.

På fig. 5 viser den nåværende, forvirrende situasjonen med fødsel av ttH i forskjellige kanaler. ATLAS- og CMS-dataene er forskjellige, dataene på forskjellige kanaler i et samarbeid er også svært forskjellige. Deres forening "av øye" gir noe rundt en og på ingen måte bekrefter den opprinnelige ttH-anomali (tallet som er angitt ovenfor). Kanskje det eneste som kan sies sikkert på grunnlag av disse og andre lignende data er at fysikere fremdeles ikke er i stand til å analysere prosessene for fødsel av et toppkvarkepar ledsaget av andre partikler.Det er mye arbeid å gjøre her, men det ser ut til at en annen gåte på collider er i ferd med å bli stengt. Vi vil imidlertid vente på offisielle data fra ATLAS og CMS.

Fig. 5. Intensiteten av ttH-prosessen sammenlignet med spådommer av standardmodellen i dataene fra begge samarbeidene ved behandling av forskjellige kanaler i Higgs boson-forfallet. Fra Nicolas Chanon snakker på Moriond QCD konferansen.

Sjeldne prosesser

I tillegg til de prosessene der Higgs boson er tydelig synlig, forsøker fysikere å registrere flere sjeldne varianter av fødsel og henfall. Så presenterte ATLAS-samarbeidet resultatene av to slike prosesser oppnådd på alle Run 2-statistikkene. Den første er forfallet av Higgs boson i muoner. Dette er et svært sjeldent forfall, og sjeldenheten skyldes den lille massen av muoner: Den vanlige Higgs bosonen faller inn i fermioner med en sannsynlighet proporsjonal med massen av massen. Det er imidlertid modeller av New Physics der et slikt forfall kan forbedres. I tillegg er dette det eneste eksemplet på en prosess der det er en reell sjanse til å måle Higgs bosonens "adhesjonskraft" med fermioner, ikke den tredje, men andre generasjonen. Derfor er fysikere vedvarende ute etter ham, til tross for at dagens statistikk ikke er nok til å registrere det – hvem vet, plutselig heldig.

Vi skrev allerede i 2014 om en slik analyse av ATLAS etter resultatene av Run 1 (ATLAS leter etter forfall av Higgs boson til muons); da ble det etablert en grense på sannsynligheten, 7 ganger høyere enn prediksjonen til CM. Nå har ATLAS utført en ny analyse og har etablert en sterkere restriksjon fra oven, kun 3 ganger mer SM (ATLAS-CONF-2017-014). Det er mulig at fysikere ved slutten av Run 2-sesjonen endelig vil begynne å føle dette forfallet.

Den andre interessante prosessen som ATLAS rapporterte om, er Higgs bosons fødsel ledsaget av mørke partikkelpartikler (ATLAS-CONF-2017-024). Denne prosessen i standardmodellen er selvsagt umulig, siden det ikke er noen kandidater til partikler av mørkt materiale der, men det finnes ganske ofte i forskjellige teorier om New Physics (figur 6). Partikler av mørk materiell detektor, selvfølgelig, kan ikke fange. Men da vil de bære den transversale impulsen, og detektoren vil føle den. Derfor valgte ATLAS-samarbeidet slike hendelser hvor to fotoner med en invariant masse ble født, akkurat til Higgs bosonmassen, og en sterk ubalanse i tverrgående momentet ble observert. Akk, ikke noe uvanlig ble lagt merke til.

Fig. 6. To alternativer for fødsel av Higgs boson h sammen med et par mørke materiepartikler x: gjennom en hypotetisk tung analog av Z-boson (til venstre) og gjennom den store "broren" til Higgs boson H (til høyre).Bilde fra nettstedet atlas.web.cern.ch

CMS-samarbeidet viste søkeresultatene for en annen sjelden prosess – samtidig fødsel av to Higgs bosoner. Innenfor rammen av SM, er denne prosessen fortsatt håpløs for LHC, men den skarpe forbedringen i de forskjellige Multihiggs-modellene av New Physics gir sjansen til følelser. Så langt har dette ikke skjedd. CMS-detektoren så ikke denne prosessen, og den øvre grensen ble etablert for sannsynligheten, som er 28 ganger lengre enn CM-ventetiden (CMS-PAS-HIG-17-002). Dette er imidlertid mye bedre enn resultatene av Run 1: da er grensen fra over så mye som 70 ganger SM.

resultater

Teknisk sett fungerer Large Hadron Collider perfekt og setter rekord etter rekord. Statistikken samlet for 2016 mer enn forstyrrer alle tidligere år av colliderens arbeid. Disse statistikkene krever omhyggelig behandling, slik at resultatene basert på det vil vises mer enn ett år. Dataanalyse oppnår også nye høyder av kompleksitet og fremsyn. Vitenskapelig tilbakemelding er imidlertid ikke så rosenkritisk som fysikerne drømte om på dagen før Run 2-sesjonen. Den lille samlingen av Higgs-resultater som ble presentert på Moriond-konferanser, indikerer ikke noen grunnleggende forskjeller i Higgs bosonegenskapene fra SM-spådommene .Det er imidlertid dusinvis av ganger flere Higgs-resultater foran oss – vi trenger bare å være tålmodige.

kilder:
1) Det vitenskapelige programmet for konferanser Moriond 2017 EW og Moriond 2017 QCD.
2) Tabell over foreløpige Higgs-resultater fra ATLAS- og CMS-samarbeidene.

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
Legg att eit svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: