Бозон Хиггса, обнаруженный более десятилетия назад, раскрыл тайну происхождения массы во Вселенной. Согласно теории, элементарные частицы обретают массу, взаимодействуя с особым энергетическим полем. Чем интенсивнее это взаимодействие, тем значительнее масса частицы, словно она "вязнет" в поле, переносчиком которого выступает сам бозон Хиггса.
Проверка для легковесов
Ранее ученые получили весомые доказательства роли бозона Хиггса в формировании массы для самых тяжелых частиц третьего поколения, таких как топ-кварки. Их значительная масса делала следы взаимодействия относительно заметными. Однако для более легких частиц второго поколения связь с Хиггсом долго существовала лишь как гипотеза — инструменты не хватало чувствительности, а статистики событий было недостаточно.
Мюоны – представители как раз этого второго поколения. Хотя они аналогичны электронам, их масса превышает массу электрона примерно в 200 раз. При этом высокая редкость распада бозона Хиггса на мюон и антимюон (примерно один на 5 000 событий!) делала его улавливание архисложной задачей на фоне бесконечного количества процессов внутри коллайдера.
Поиск иголки в стоге сена
Команда исследователей в Европейском центре ядерных исследований CERN приступила к анализу данных уникального детектора ATLAS, работающего на знаменитом Большом адронном коллайдере. Чтобы выявить крайне редкий сигнал распада, ученые объединили гигантские массивы информации, полученные в ходе двух крупнейших сеансов работы ускорителя: Run 2 и эволюционно следующего за ним Run 3.
Физики сосредоточились на изучении протонных столкновений рекордно высоких энергий, достигавших 13,6 тераэлектронвольта. В этой виртуальной "каше" из энергии возникали и мгновенно разрушались бессчётные частицы. Целью был поиск специфических пар мюон-антимюон, явно указывающих на рождение именно от бозона Хиггса, а не от процессов другого происхождения.
Гений анализа: очистка сигнала от шума
Ключевая сложность заключалась в эффективном отсеивании "истинного сигнала" от маскирующих его фоновых процессов. Мюонные пары нередко возникают в происшествиях, не имеющих отношения к Хиггсу. Для точного фильтрования этого "фонового шума" исследователи провели классификацию событий по ключевым характеристикам, активно используя современные алгоритмы машинного обучения. Такой подход позволил невероятно детально и верно реконструировать картину событий в самом сердце детектора ATLAS.
Убедительные результаты прорыва
Кропотливый анализ огромного объединенного массива данных показал наличие явного превышения числа событий над ожидаемым фоном. Детектор зарегистрировал значимо большее количество пар мюонов, чем может создать обычный случайный шум. Статистическая достоверность этого результата достигла впечатляющего уровня в 3,4 сигма.
В физике высоких энергий эта величина однозначно говорит о крайне низкой вероятности случайной флуктуации. Прорывная значимость превзошла результаты аналогичных исследований на конкурирующей установке CMS (3,0 сигма). Сила зарегистрированного сигнала составила 1,4 от предсказанной Стандартной моделью величины, что великолепно согласуется с теорией, укладываясь в рамки допустимых погрешностей.
Триумф Стандартной модели
Проведенная работа впервые предоставила неоспоримые экспериментальные доказательства того, что даже такие относительно легкие частицы, как мюоны второго поколения, обретают свою массу исключительно через хиггсовский механизм. Это наблюдение – первое в науке прямое подтверждение взаимодействия легендарного бозона Хиггса с частицами второго поколения. Знаковое достижение ученых на установке ATLAS в CERN стало еще одной блестящей проверкой надежности и предсказательной силы Стандартной модели физики элементарных частиц.
Источник: naked-science.ru
