Бозон Хиггса открыли более 10 лет назад, и это событие объяснило механизм появления массы во Вселенной. Согласно теории, элементарные частицы приобретают вес при прохождении через особое поле. Чем сильнее частица «вязнет» в этом поле и взаимодействует с его проявлением — бозоном, — тем она тяжелее.
Ранее наука получила твердые доказательства связи бозона с самыми тяжелыми частицами материи, которые физики относят к третьему поколению. Примером служат топ-кварки. Чем больше масса, тем проще заметить след взаимодействия. Для более легких объектов второго поколения такой механизм долгое время оставался лишь теоретическим предположением. Ученым не хватало чувствительности приборов и накопленной статистики.
Мюоны принадлежат именно ко второму поколению материи. Они похожи на электроны, но весят примерно в 200 раз больше. Распад бозона Хиггса на мюон и антимюон случается крайне редко — примерно в одном из 5000 случаев. Поймать такое событие на детекторах очень сложно, оно теряется на фоне миллиардов других процессов в коллайдере.
Группа исследователей работала с данными детектора ATLAS, который установлен на Большом адронном коллайдере в европейском центре CERN. Чтобы «разглядеть» редкий сигнал, авторы объединили информацию, накопленную за два длительных периода работы ускорителя — сеансы Run 2 и недавний Run 3. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Физики изучали протонные столкновения на рекордных энергиях — до 13,6 тераэлектронвольта. В этом хаосе рождались и мгновенно распадались мириады частиц. Задача состояла в поиске пар из мюона и антимюона, которые возникли именно из бозона Хиггса, а не из других источников.
Главная проблема заключалась в отделении «зерна от плевел». Мюонные пары часто рождаются в процессах, не связанных с Хиггсом. Чтобы исключить этот фоновый шум, специалисты разделили события на категории в зависимости от характеристик и применили методы машинного обучения для классификации сигналов. Это позволило точнее восстановить картину происходящего в сердце детектора.
Анализ объединенных данных выявил избыток событий над фоном. Значит, детектор зафиксировал больше пар мюонов, чем создают обычные случайные помехи. Статистическая значимость результата составила 3,4 стандартного отклонения.
В науке о частицах этот показатель говорит о том, что вероятность случайной ошибки ничтожно мала. Он превысил результаты конкурирующего эксперимента CMS, где значимость достигла 3,0. Сила сигнала составила 1,4 от ожидаемой по теории величины, что находится в пределах допустимой погрешности.
Работа экспериментально доказала, что мюоны получают свою массу именно через хиггсовский механизм. Это наблюдение стало первым прямым свидетельством взаимодействия бозона с материей второго поколения. Стандартная модель физики элементарных частиц успешно прошла очередную строгую проверку.