ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2020, том 83, № 2, с. 132-139
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ
ИЗУЧЕНИЕ БОЗОНА ХИГГСА СТАНДАРТНОЙ МОДЕЛИ
В ЭКСПЕРИМЕНТАХ ATLAS И CMS НА LHC
© 2020 г. И. И. Цукерман*
НИЦ “Курчатовский институт” — ИТЭФ, Москва, Россия
Поступила в редакцию 28.09.2019 г.; после доработки 28.09.2019 г.; принята к публикации 28.09.2019 г.
Дается краткий обзор последних результатов экспериментов ATLAS и CMS на LHC по рождению
и распаду стандартного бозона Хиггса. Они основаны на данных протон-протонных столкновений
при энергии в системе их центра масс 13 ТэВ, набранных в 2015-2018 гг. Измерены сечения
рождения бозона Хиггса в четырех основных механизмах и относительные вероятности его распада
в наиболее удобных для изучения пяти каналах. В результате объединенного анализа этих каналов
измерены константы связи стандартного бозона Хиггса. Всеэкспериментальные результаты находятся
в согласии с предсказаниями СМ. Обсуждаются также перспективы экспериментов ATLAS и CMS по
изучению стандартного бозона Хиггса.
DOI: 10.31857/S0044002720020294
ВВЕДЕНИЕ
прецизионных электрослабых данных следова-
< 152 ГэВ [7], при
ло ограничение сверху mh
Большой адронный коллайдер (LHC
[1]) в
этом предсказывалось среднее значение массы
CERN сталкивал протоны с суммарной энергией
94+29-24 ГэВ. Поэтому неудивительно, что в середине
в системе их центра масс 7 ТэВ в 2010-2011 гг.
2012 г. эксперименты ATLAS и CMS сообщили
и 8 ТэВ в 2012 г. После модернизации в 2013-
об открытии бозона Хиггса с массой 125 ГэВ [8,
2014 гг. он возобновил работу в 2015 г. уже при
9].1) Интересно отметить, что бозон Хиггса с такой
13 ТэВ. На коллайдере эксплуатируются четыре
массой мог бы быть обнаружен и в России, если бы
крупные экспериментальные установки: ATLAS
проект ускорительно-накопительного комплекса
[2], CMS [3], LHCb [4] и ALICE [5]. На многоце-
(УНК) в Протвино с суммарной энергией протонов
левых детекторах ATLAS и CMS за период 2015-
6 ТэВ [11] был реализован.
2018 гг. была набрана статистика, эквивалентная
Предсказанное сечение рождения h для mh =
интегральной светимости около
150
фбн-1, и
= 125 ГэВ на протон-протонном коллайдере растет
достигнута дифференциальная светимость LHC
с энергией с 20 пбн при 8 ТэВ до 50 пбн при
2×1034 см-2 с-1, что вдвое превышает проектную.
13 ТэВ [12]. При энергиях LHC выделяют четыре
Основными задачами этих детекторов являются
основных механизма рождения h: слияние глюонов
изучение бозона Хиггса (h) и других частиц
(ggF) через петли тяжелых кварков (в основном,
Стандартной модели (СМ) в новом диапазоне
топ-кварков), слияние векторных бозонов (VBF),
энергий и поиск новых частиц за ее пределами.
когда его рождение сопровождается двумя адрон-
Бозон Хиггса в СМ обеспечивает все фундамен-
ными струями, летящими под малыми полярными
тальные частицы, включая себя, массами. Его
углами, совместное рождение с векторным бозоном
масса является единственным свободным пара-
(Vh, где V обозначает W или Z) и слияние топ- и
метром в теории; из требования пертурбативной
антитоп-кварков. При энергии 13 ТэВ доминирую-
унитарности следует, что mh < 1 ТэВ. Ожидается,
щим является механизм ggF, механизмы VBF (Vh,
что квантовые числа бозона Хиггса и вакуума
tth) дают в 10 (в несколько десятков) раз меньший
совпадают; т.е. JP = 0+. Десять лет назад про
вклад в полное сечение рождения h.
массу бозона Хиггса было известно следующее.
В табл. 1 показаны ожидаемые относительные
В экспериментах на электрон-позитронном кол-
вероятности распада (BR) по наиболее удобным
лайдере LEP было получено ограничение снизу
mh > 114.4 ГэВ на 95%-ном уровне достоверности
1)В экспериментах на протон-антипротонном коллайдере
[6]. С другой стороны, из теоретического анализа
Тэватрон в США суммарная статистическая значимость
сигнала от бозона Хиггса составила лишь три стандарт-
*E-mail: zuckerma@cern.ch
ных отклонения [10].
132
ИЗУЧЕНИЕ БОЗОНА ХИГГСА СТАНДАРТНОЙ МОДЕЛИ
133
Таблица 1. Предсказанные в СМ относительные вероятности разных каналов распада бозона Хиггса и ожидаемое
количество событий при интегральной светимости LHC 140 фбн-1 и энергии 13 ТэВ в идеальном детекторе при
условии 100%-ной эффективности
Мода
Относительная
Количество
Экспериментальное наблюдение
распада
вероятность, %
событий
h → bb
57.5 ± 1.9
В основном в процессах Vh и tth
≈100 тыс.
h→WW∗
21.6 ± 0.9
Лептонные распады обоих W∗
≈70 тыс.
h→ττ
6.30 ± 0.36
В основном в механизме VBF
≈40 тыс.
h→ZZ∗
2.67 ± 0.11
Лептонные распады обоих Z∗
≈1 тыс.
h→γγ
0.228 ± 0.011
Нужно хорошее разрешение для γ
≈20 тыс.
h→Zγ
0.155 ± 0.014
Лептонные распады Z
≈1 тыс.
h → μμ
0.022 ± 0.001
Нужно хорошее разрешение для μ
≈2 тыс.
для экспериментальной регистрации модам распа-
как отношение измеренного числа событий к ожи-
да бозона Хиггса с массой 125 ГэВ [12]. Наиболее
даемому, оказалась равной μ = 1.19 ± 0.16. Изме-
вероятен (58%) распад h → bb, для его экспери-
ренное сечение рождения h (σh) в рабочем объеме
ментальной регистрации лучше всего использовать
установки, близком к ее геометрическому захвату,
механизмы рождения Vh и tth. Канал h → W W∗
составило 4.0 ± 0.5 фбн, в согласии с предсказа-
удобнее наблюдать, когда оба W -бозона распа-
нием СМ 3.35 ± 0.15 фбн. σh в различных модах
даются на μν или eν (BR ≈ 1%). Однако из-за
рождения бозона Хиггса, помноженное на BR (h →
наличия двух нейтрино не удается хорошо вос-
→ ZZ∗ → 4l), показано на рис. 2a. Отклонений
становить массу бозона Хиггса. К наиболее “чи-
от СМ не обнаружено. В эксперименте CMS на
стым” модам распада можно отнести h → ZZ∗ →
полной статистике 2016-2018 гг. (137 фбн-1) было
→ 4l (здесь и далее под l понимается электрон или
обнаружено 356 событий с m4l в интервале 117-
мюон) с BR ≈ 1.3 × 10-4, h → γγ c BR ≈ 2.3 × 10-3
130 ГэВ при ожидаемых сигнале и фоне около
и h → μμ c BR ≈ 2.2 × 10-4. В последних двух
230 (110) событий соответственно [14]. Величи-
случаях проблемой является подавление большого
на μ оказалась равной 0.94 ± 0.11. Измеренное
фона. Канал h → ττ экспериментально наблюдаем
сечение в рабочем объеме установки составило
в моде рождения VBF или в случае, если бозон
2.7 ± 0.3 фбн, что согласуется с рассчитанной
Хиггса имеет большой поперечный импульс. Также
величиной 2.76 ± 0.14 фбн. Нормированные на
в табл. 1 показано ожидаемое число событий при
предсказанные СМ σh в различных механизмах
интегральной светимости 140 фбн-1 при 13 ТэВ,
рождения, полученные в эксперименте CMS, по-
если считать, что они регистрируются в идеальном
казаны на рис. 2б. Они хорошо согласуются с
детекторе со 100%-ным захватом.
единицей.
В канале h → γγ среднее отношение сигнала
к фону составляет всего 2% и критическим явля-
ИЗМЕРЕНИЯ БОЗОННЫХ МОД РАСПАДА
ется хорошее разрешение по инвариантной мас-
БОЗОНА ХИГГСА
се фотонов, mγγ. Для повышения статистической
значимости сигнала события подразделяются на
Характерной чертой распада h → ZZ∗ → 4l яв-
категории, учитывающие рассчитанное разрешение
ляется наличие двух пар изолированных лептонов
по mγγ и отношение сигнала к фону. Обработанная
с разным знаком заряда. Распределения по инва-
статистика в эксперименте ATLAS соответствует
риантной массе m4l, измеренные в экспериментах
интегральной светимости 80 фбн-1, а в CMS —
ATLAS и CMS после объединения всех лептонных
комбинаций, показаны на рис. 1. В области 125 ГэВ
36 фбн-1. Измеренные величины μ и сечения в
четко видны максимумы над фоном. На статистике,
рабочем объеме в эксперименте ATLAS составили
1.06 ± 0.13 и 60.4 ± 8.5 фбн [15]. Последняя
эквивалентной 80 фбн-1, в эксперименте ATLAS
величина хорошо согласуется с расчетным сече-
увидели 195 событий в области инвариантных масс
нием 63.5 ± 3.5 фбн. В эксперименте CMS μ
115-130 ГэВ при ожидаемом сигнале от бозона
Хиггса СМ 112 ± 5 событий и оцененном фоне
оказалось равным 1.18+0.17-0.14, а рабочие сечения:
59 ± 4 события [13]. Сила сигнала, определяемая
измеренное — 84 ± 13 фбн и рассчитанное в СМ —
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 83
№2
2020
134
ЦУКЕРМАН
CMS preliminary 2016 + 2017 + 2018
137.1 fb-1 (13 TeV)
240
Data
Data
ATLAS Preliminary
220
Signal (mh = 125 GeV)
H(125)
100
h → ZZ* → 4l
ZZ*
200
qq → ZZ, Zγ*
13 TeV, 24.5-79.8 fb-1
Z+jets, tt, tt+V, VVV
qq → ZZ, Zγ*
180
Z + X
Uncertainty
80
160
140
60
120
100
40
80
a
б
60
20
40
20
0
0
80
90
100 110 120 130 140 150 160 170
80
100
120
140
160
m4l, GeV
m4l, GeV
Рис. 1. Измеренное распределение по инвариантной массе четырех лептонов при 13 ТэВ для восстановления бозона
Хиггса в канале распада h → ZZ∗ → 4l. a — Результат эксперимента ATLAS [13], б — результат эксперимента
CMS [14].
б
CMS preliminary
137.1 fb-1 (13 TeV)
a
h → ZZ → 4l
ATLAS Preliminary
Expected SM
mh profiled
σSM, fb
h → ZZ*
Observed: Stat + Sys
13 TeV, 79.8 fb-1
SM Prediction
+0.11
Stage 0 - |yh|
< 2.5
(σ · B), fb (σ · B)SM, fb
ggh, bbh 0.9
5.55
ggF
1220 ± 185
1170 ± 80
+0.47
VBF 0.62
0.45
VBF
250 ± 85
91.7 ± 2.8
−0.36
VH
50 ± 50
52.4+2.6
+0.90
Vh 1.13
-0.72
0.27
<70
tth
(95% CL)
15.4+1.1
+0.92
tth, th
0.13
−0.13
0.06
Inclusive
1570 ± 175
1330 ± 90
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
(σ · B)/(σ · B)
SM
σ/σSM
Рис. 2. Результаты изучения бозона Хиггса в канале распада h → ZZ∗ → 4l в экспериментах ATLAS и CMS при 13 ТэВ.
a —Измеренные в эксперименте ATLAS сечения в основных механизмах рождения, помноженные на BR(h → ZZ∗ →
→ 4l) [13] , б — измеренные в эксперименте CMS силы сигнала в основных механизмах рождения в единицах СМ [14].
73 ± 4 фбн [16, 17]. Отметим, что новый предва-
прямую измерить массу h в таких событиях нельзя.
рительный результат CMS для констант связи в
Вместо этого меряется так называемая поперечная
механизмах ggF и VBF, полученный на статистике
масса. События разделяют на несколько катего-
77 фбн-1, таков: μ(ggF ) = 1.15 ± 0.15 и μ(VBF) =
рий в зависимости от числа адронных струй (0,
1 или 2) с большим поперечным импульсом. В
= 0.8+0.4-0.3 [18]. На рис. 3 показаны измеренные в
случае их отсутствия или наличия одной струи
экспериментах ATLAS и CMS сечения в различ-
доминирует механизм рождения ggF, в то время
ных механизмах рождения. В обоих экспериментах
как двухструйные события в основном связаны с
не видно отклонений от СМ.
VBF. Результаты обоих экспериментов основаны
Характерной чертой распада h → W W∗ → lvlv
на статистике 36 фбн-1, в случае эксперимента
является наличие двух изолированных лептонов
ATLAS исследовалось только конечное состояние
разного знака заряда и заметная величина недо-
eνμν и механизм рождения Vh не рассматривался.
стающей поперечной энергии EmissT, связанной с
Наблюдаемая (ожидаемая) значимость сигнала в
двумя нерегистрируемыми нейтрино. Поэтому на-
механизме рождения ggF при массе 125 ГэВ соста-
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 83
№2
2020
ИЗУЧЕНИЕ БОЗОНА ХИГГСА СТАНДАРТНОЙ МОДЕЛИ
135
a
б
CMS
35.9 fb-1 (13 TeV)
ATLAS Preliminary
Total
Stat.
Syst.
SM
h → γγ
Combined 68% CL
s = 13 TeV, 79.8 fb-1
Per process 68% CL
Total (Stat. Syst.)
h → γγ, |yh| < 2.5
.20
μ = μSM
+0.10
ggh
1.10±0
ggF
0.97+0.15-0.14
±0.11
-0.08
μcombined = 1.18±0.17
+0.32
+0.29
+0.6
VBF
1.40+0.43-0.37
-0.31
-0.21
VBF
0.8
−0.5
mh profiled
+0.53
+0.26
Vh
1.08+0.59-0.54
-0.49
-0.23
tth
2.2+0.9
+0.43
+0.37
+0.22
Top
1.12
−0.37
-0.33
-0.16
+1.1
Vh
2.4
−1.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
-2
0
2
4
6
8
(σ ⋅ B)/(σ ⋅ B)
SM
ˆ
Рис. 3. Измеренные сечения бозона Хиггса в основных механизмах рождения, помноженные на BR(h → γγ) и
нормированные на предсказания СМ. a — Результат эксперимента ATLAS [15], б — результат эксперимента CMS
[16, 17].
, pb
σVBF · h → WW*
б
a
2.0
CMS
35.9 fb-1 (13 TeV)
68% CL
ATLAS
h → WW
+0.20
95% CL
s = 13 TeV, 36.1 fb-1
σggh/σSM = 1.24
−0.26
1.5
Best fit
SM prediction
SM
+0.74
σVBF/σSM = 0.24
−0.24
|yh| < 2.5
1.0
+1.96
σWh lep./σSM = 1.80
−1.64
0.5
+1.68
σZh lep./σSM = 0.71
−0.71
0
+4.92
σVh had./σSM = 12.88
−4.89
−0.5
-5
0
5
10
15
20
25
10-1
100
101
σ
· h → WW*, pb
σ/σSM
ggF
Рис. 4. Результаты изучения бозона Хиггса в канале h → WW∗ в экспериментах ATLAS и CMS при 13 ТэВ. a —
Корреляция между измеренными в эксперименте ATLAS сечениями рождения в механизмах ggF и VBF [19], б —
нормированные на СМ сечения рождения в различных механизмах в эксперименте CMS [21].
вила 6.0σ (5.3σ) соответственно. Соответствующая
Кроме того, в эксперименте CMS были измерены
величина силы сигнала получилась равной 1.10 ±
сечения в рабочем объеме установки, из которых
± 0.20 [19]. Для механизма VBF соответствующие
были извлечены нормированные на СМ сечения в
величины значимости — 1.9σ и 2.6σ, а величина
различных механизмах рождения (рис. 4б). Замет-
μ = 0.62 ± 0.36. Корреляция между ggF- и VBF-
ных отклонений от СМ не видно.
сечениями показана на рис. 4a. Существенных от-
клонений от СМ не наблюдается. Отметим также,
что новый предварительный результат эксперимен-
ИЗМЕРЕНИЯ ФЕРМИОННЫХ МОД
та ATLAS по Vh-рождению таков: наблюдаемая
РАСПАДА БОЗОНА ХИГГСА
значимость сигнала — 4.1σ при ожидаемой 1.9σ
Характерная черта распада h → ττ — два хоро-
[20]. Объединенная по разным каналам рождения
шо восстановленных тау-лептона с инвариантной
сила сигнала от h → W W∗ в единицах СМ, по-
массой вблизи mh. Они распадаются на заряжен-
лученная в эксперименте CMS, оказалась рав-
ные лептоны или адроны с испусканием нейтрино.
ной 1.28 ± 0.18, при этом μ(ggF ) = 1.38+0.21-0.24, а
Для увеличения значимости сигнала события
μ(VBF) = 0.29+0.66-0.29 [21]. Наблюдаемая значимость
подразделяются на категории с помощью МС-
сигнала от h → W W∗ — 9.1σ при ожидаемой 7.1σ. моделирования; наиболее важные категории —
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 83
№2
2020
136
ЦУКЕРМАН
a
б
77.4 fb-1 (13 TeV)
CMS
ATLAS
s = 13 TeV, 36.1 fb-1
Preliminary
+0.47
τ
hτh
1.48
−0.40
total stat.
SM exp.
Total
(Stat., Syst.)
+0.26
μτ
h
0.43
-0.25
Boosted
+1.54
+0.79
+1.32
4.02
-1.33
-0.78
,
-1.07
+0.36
eτ
h
0.28
-0.38
VBF
+1.61
+0.90
+1.34
3.34
−1.41
-0.85
,
-1.12
eμ
1.39+0.62-0.59
+0.18
Combination
+1.06
+0.60
+0.87
Inclusive
0.75
3.77
,
−0.17
-0.95
-0.59
-0.74
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
σh → ττ, pb
Best fit μx = σx/σSM
Рис. 5. Результаты изучения бозона Хиггса в канале h → ττ в экспериментах ATLAS и CMS при 13 ТэВ. a —
Измеренное в эксперименте ATLAS сечение бозона Хиггса в основных механизмах рождения, помноженное на BR(h →
→ ττ) [22]. б —Измеренные в эксперименте CMS силы сигнала в основных механизмах рождения в единицах СМ [24].
a
б
ATLAS
Vh, h → bb
s = 7 TeV, 8 TeV, and 13 TeV
#5.1 fb-1 (7 TeV) + #19.8 fb-1 (8 TeV) + #77.2 fb-1 (13 TeV)
4.7 fb-1, 20.3 fb-1, and 79.8 fb-1
CMS
Observed
Total
Stat.
±1σ (stat % syst)
h → bb
±1σ (syst)
(Tot.) (Stat., Syst.)
stat
syst
+0.38
+0.24
+0.29
ggF
2.80 ± 2.08 ± 1.30
Wh
1.08
−0.35
-0.23
,
-0.27
VBF
2.53 ± 0.98 ± 1.17
tth
0.85 ± 0.23 ± 0.37
Zh
+0.28
+0.21
+0.19
0.92
-0.27
-0.20
,
-0.17
Wh
1.24 ± 0.29 ± 0.24
Zh
0.88 ± 0.24 ± 0.16
Comb.
+0.22
+0.14
+0.17
0.98
-0.21
-0.14
,
-0.16
Combined
1.04 ± 0.14 ± 0.14
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
μbb
Best fit μ
Рис. 6. Измеренные в экспериментах ATLAS и CMS силы сигнала от h → bb в единицах СМ. a — Результаты
эксперимента ATLAS для рождения бозона Хиггса в механизме рождения Vh при 13 ТэВ [25] до и после их объединения
с более старыми результатами при 7 и 8 ТэВ. б — Результат эксперимента CMS для рождения бозона Хиггса в разных
механизмах при 13 ТэВ [26] после их объединения с более старыми результатами при 7 и 8 ТэВ.
VBF и рождение бозона Хиггса с большим попе-
ют сечениям, предсказанным СМ. Наблюдаемая
речным импульсом. В обоих экспериментах ATLAS
значимость сигнала от h → ττ в эксперименте
и CMS были проанализированы наборы дан-
CMS составляет 4.9σ при ожидаемой 4.7σ [23].
ных, соответствующие интегральной светимости
После объединения результатов, полученных при
36 фбн-1. Наблюдаемая (ожидаемая) значимость
энергии 13 ТэВ, с более старыми результатами
сигнала в эксперименте ATLAS составила 4.4σ
при 7 и 8 ТэВ эти значимости увеличиваются до
(4.1σ) соответственно [20]. Ее величина возрастает
5.9σ каждая. Предварительный результат CMS
до
6.4σ
(5.4σ), если объединить результаты,
на статистике 77 фбн-1 таков: сила сигнала в
полученные при 13 ТэВ, со старыми результатами,
единицах СМ — 0.75 ± 0.18, ее величины для
каждой из мод рождения показаны на рис. 6б [24].
полученными при 7 и 8 ТэВ. Соответствующая
Отклонений от СМ не видно.
величина силы сигнала в единицах СМ получилась
равной 1.09 ± 0.36. Отклонений от СМ не обна-
Характерной особенностью канала распада h →
ружено. На рис. 5a показаны экспериментально
→ bb является наличие двух адронных струй, про-
измеренные сечения на установке ATLAS в упомя-
исходящих из b-кварков, с инвариантной массой
нутых выше категориях событий. Они соответству-
около mh. Вдобавок в механизме Vh имеет смысл
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 83
№2
2020
ИЗУЧЕНИЕ БОЗОНА ХИГГСА СТАНДАРТНОЙ МОДЕЛИ
137
б
5.1 fb-1 (7 TeV) + 19.7 fb-1 (8 TeV) + 35.9 fb-1 (13 TeV)
a
Observed
CMS
±1σ (stat % syst)
±1σ (syst)
±2σ (stat % syst)
ATLAS
Total
Stat.
Syst.
SM
tth(WW*)
s = 13 TeV, 36.1-79.8 fb-1
Total Stat. Syst.
tth(ZZ*)
0.61
0.29
tth (bb)
0.79 ±
0.60
±
0.28
,
± 0.53
tth(γγ)
0.42
0.30
0.30
tth (multilepton)
1.56 ±
±
,
±
0.40
0.29
0.27
tth(τ+τ-)
0.48
0.42
0.23
tth (γγ)
1.39 ±
±
,
±
tth(bb)
0.42
0.38
0.17
7+8 TeV
tth (ZZ)
< 1.77 at 68% CL
13 TeV
0.24
0.21
Combined
1.32 ±
0.23
± 0.18
,
±
0.19
Combined
-1
0
1
2
3
4
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
σtth/σStM
μtth
Рис. 7. Измеренные в экспериментах ATLAS и CMS силы сигнала от tth. a — Результат эксперимента ATLAS,
основанный на статистике 36-80 фбн-1 при 13 ТэВ [27]. б — Результат эксперимента CMS, основанный на статистике
36 фбн-1 при 13 ТэВ [28] до и после их объединения с более старыми результатами при 7 и 8 ТэВ.
отбирать события только с жестким(и) лепто-
использовали многомерный анализ для выделения
ном(ами) или большой EmissT, в зависимости от
сигнала над фоном. Измеренная в эксперимен-
конечного состояния, на которое распадается W
те ATLAS величина μ = 1.32+0.28-0.26 соответствует
или Z. Для выделения сигнала над фоном был про-
наблюдаемой (ожидаемой) значимости сигнала
делан многомерный анализ, который был успешно
5.8σ (4.9σ) соответственно [27]. Эта значимость
протестирован на сходном с сигналом по сигна-
увеличивается до 6.3σ (5.1σ), если объединить
туре процессе (W/Z)Z-рождения с последующим
результаты при 13 ТэВ (основанные на статистике
распадом Z → bb. Статистика, используемая для
36-80 фбн-1) с более старыми результатами при
анализа канала h → bb в обоих экспериментах,
7 и 8 ТэВ. Величины силы сигнала в единицах
соответствует интегральной светимости 80 фбн-1.
СМ, измеренные в эксперименте ATLAS в раз-
Наблюдаемая (ожидаемая) значимость сигнала от
ных конечных состояниях, показаны на рис. 7a.
этого распада в механизме рождения Vh — 4.9σ
Отклонений от СМ не найдено. Наблюдаемая
(4.4σ) соответственно в эксперименте ATLAS [25].
значимость сигнала от tth-рождения в экспери-
После объединения результатов, полученных при
менте CMS в объединенном наборе данных при
13 ТэВ, с более старыми измерениями при 7 и
13 ТэВ (36 фбн-1), 7 ТэВ и 8 ТэВ составляет 5.2σ
8 ТэВ, значимости возрастают до 5.4σ (5.5σ). Соот-
при ожидаемой 4.2σ [28]. Измеренная величина
ветствующая величина μ - 0.98 ± 0.22. На рис. 6a
силы сигнала в единицах СМ — μ = 1.26+0.31-0.26. Она
показаны измеренные величины раздельно для мод
показана на рис. 7б совместно с соответствующими
рождения W h и Zh. Отклонений от СМ не найдено.
величинами для отдельных конечных состояний.
В эксперименте CMS наблюдаемая значимость
Результаты хорошо согласуются с СМ.
сигнала от h → bb в моде рождения Vh составляет
4.8σ при ожидаемой 4.9σ [26]. Они возрастают
КОМБИНАЦИЯ РАЗНЫХ МЕХАНИЗМОВ
до 5.6σ (5.5σ) соответственно, если объединить
РОЖДЕНИЯ И РАСПАДОВ
результаты по всем механизмам рождения. Сила
БОЗОНА ХИГГСА
сигнала в единицах СМ, измеренная для каждого
Результаты, полученные для упомянутых выше
механизма рождения h в обьединенном образце
каналов распада бозона Хиггса, были объединены,
событий при 7, 8 и 13 ТэВ, показана на рис. 6б.
чтобы извлечь силу сигнала при 13 ТэВ в раз-
Результаты согласуются с СМ.
личных механизмах рождения (рис. 8) и распада
(рис. 9). Глобальная сила сигнала в единицах СМ,
ИЗУЧЕНИЕ РОЖДЕНИЯ БОЗОНА ХИГГСА
измеренная в эксперименте ATLAS (CMS) оказа-
В МЕХАНИЗМЕ tth
лась равной 1.13+0.09-0.08 (1.17 ± 0.10), что согласуется
Механизм ассоциативного рождения бозона
с теорией [29, 30]. Все четыре основных механизма
Хиггса с двумя топ-кварками изучался как для
рождения бозона Хиггса видны со значимостью бо-
многолептонного конечного состояния, так и для
лее пяти стандартных отклонений в каждом из экс-
конечных состояний bb и γγ. Оба эксперимента
периментов. Измеренные силы сигнала в каждом
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 83
№2
2020
138
ЦУКЕРМАН
a
б
35.9 fb-1 (13 TeV)
CMS
Observed
ATLAS Preliminary
Total
Stat.
Syst.
SM
±1σ (stat % syst)
±2σ (stat % syst)
s = 13 TeV, 24.5-79.8 fb-1
±1σ (syst)
μggh
mh = 125.09 GeV, |yh| < 2.5
pSM = 76%
Total Stat.
Syst.
μVBF
+0.07
ggF
1.04 ±0.09
±0.07 ,
-0.06
+0.24
+0.18
+0.16
μWh
VBF
1.21
−0.22
-0.17
,
-0.13
+0.40
+0.28
+0.29
μZh
Wh
1.30
,
−0.38
-0.27
-0.27
+0.31
+0.19
Zh
1.05
±0.24
,
-0.29
-0.17
μtth
+0.26
+0.20
tth+th
1.21
−0.24
±0.17
,
-0.18
μ
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
2.0
2.0
2.6
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
Cross-section normalized to SM value
Parameter value
Рис. 8. Измеренные сечения рождения бозона Хиггса в экспериментах ATLAS и CMS при 13 ТэВ в различных
механизмах при допущении того, что вероятности его распадов по разным каналам соответствует СМ. a — Результат
эксперимента ATLAS [29]. б — Результат эксперимента CMS [30].
a
б
35.9 fb-1 (13 TeV)
ATLAS Preliminary
Total
Stat.
Syst.
SM
Observed
CMS
±1σ (stat % syst)
s = 13 TeV, 24.5-79.8 fb-1
±2σ (stat % syst)
mh = 125.09 GeV, |yh| < 2.5
±1σ (syst)
pSM = 74%
μγγ
Total Stat.
Syst.
+0.09
μZZ
Bγγ
1.06 ±0.
12
±0.08 ,
-0.08
+0.15
+0.09
B
ZZ
1.20
-0.14
±0.12
,
-0.08
μWW
+0.17
+0.14
BWW
1.05
±0.09
,
-0.16
-0.13
μττ
+0.28
+0.22
Bττ
1.10
−0.26
±0.18
,
-0.19
μbb
+0.24
+0.19
Bbb
1.17
±0.15
,
−0.23
-0.18
μμμ
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
-2
-1
0
1
2
3
BR normalized to SM value
Parameter value
Рис. 9. Измеренные относительные вероятности распада бозона Хиггса по основным пяти каналам в экспериментах
ATLAS и CMS при допущении того, что сечения его рождения по разным каналам соответствуют СМ. a — Результат
эксперимента ATLAS [29]. б — Результат эксперимента CMS [30].
из механизмов рождения тоже согласуются с ожи-
для их возможности работать при повышенной
даниями при допущении того, что относительные
энергии
14
ТэВ и более высокой светимости
вероятности распадов h соответствуют СМ. Мож-
3 × 1034 см-2 с-1. За
3
года набора данных
но сделать аналогичный вывод и по измеренным
в 2021-2023 гг. при интегральной светимости
BR распадов бозона Хиггса, если предположить,
300 фбн-1 планируется измерить константы связи
что сечения его рождения в различных механизмах
h в пяти основных модах распада с точностью не
такие же, как в СМ. Для уменьшения погрешности
хуже 10-20%, а также обнаружить более редкие
измерения нужно обработать большую статистику
распады h → μμ и h → Zγ. Позднее, в 2024-
данных.
2026 гг. предполагается дальнейшая модернизация
LHC (HL-LHC) и упомянутых экспериментов
ПЕРСПЕКТИВЫ LHC ПО ИЗУЧЕНИЮ
для успешной эксплуатации при светимости 7 ×
СТАНДАРТНОГО БОЗОНА ХИГГСА
× 1034 см-2 с-1. Затем за период 2026-2037 гг.
В 2019-2020 гг. проводится модернизация
планируется набрать интегральную светимость
LHC, а также экспериментов ATLAS и CMS
3000 фбн-1, что позволит измерить константы
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 83
№2
2020
ИЗУЧЕНИЕ БОЗОНА ХИГГСА СТАНДАРТНОЙ МОДЕЛИ
139
связи в распадах h → μμ и h → Zγ с точностью
4.
LHCb Collab., JINST 3, S08005 (2008).
15-30% и попытаться увидеть редкие распады
5.
ALICE Collab., JINST 3, S08002 (2008).
6.
R. Barate et al., Phys. Lett. B 565, 61 (2003).
типа h → J/Ψγ и h → Y γ. При удачном стечении
обстоятельств вероятно даже удастся измерить
7.
8.
ATLAS Collab., Phys. Lett. B 716, 1 (2012).
сечение парного рождения бозонов Хиггса σhh и
9.
CMS Collab., Phys. Lett. B 716, 30 (2012).
оценить константу связи hhh. Более подробная
10.
CDF and D0 Collab., Phys. Rev. Lett. 109, 071804
информация содержится в [31].
(2012).
Что касается более далеких перспектив, то
11.
V. I. Balbekov, Preprint IHEP 93-27 (1993).
CERN планирует увеличить энергию существую-
12.
D. de Florian, C. Grojean, F. Maltoni, C. Mariotti,
щего коллайдера LHC вдвое (до 27 ТэВ, HE-LHC)
A. Nikitenko, M. Pieri, P. Savard, M. Schumacher,
и набрать статистику, эквивалентную интегральной
R. Tanaka, R. Aggleton, M. Ahmad, B. Allanach,
светимости 15000 фбн-1. Это позволит измерить
C. Anastasiou, W. Astill, S. Badger, M. Badziak,
константу связи hhh с точностью ≈15% и увидеть
et al., arXiv: 1610.07922.
исключительно сложный для экспериментального
13.
ATLAS Collab., Preprint ATLAS-CONF-2018-018
наблюдения распад h → cc. Параллельно с этим
(2018).
14.
CMS Collab., Preprint CMS-PAS-HIG-2019-001
в окрестностях Женевы проектируется новый
(2019).
кольцевой коллайдер (FCC) с окружностью около
15.
ATLAS Collab., Preprint ATLAS-CONF-2018-028
100 км. Пока неизвестно, будет ли это электрон-
(2018).
позитронный (ee), электрон-протонный (eh) или
16.
CMS Collab., JHEP 1811, 185 (2018).
протон-протонный (pp) ускоритель. Более подроб-
17.
CMS Collab., JHEP 1901, 189 (2019).
ную информацию можно найти в [32]. Аналогичный
18.
CMS Collab., Preprint CMS-PAS-HIG-18-029
проект (CEPC) существует в Китае [33].
(2019).
19.
ATLAS Collab., Phys. Lett. B 789, 508 (2019).
20.
ATLAS Collab., arXiv:
1903.10052
(accepted to
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Phys. Lett. B).
Используя данные, набранные на LHC при 7-
21.
CMS Collab., Phys. Lett. B 791, 96 (2019).
13 ТэВ, сотрудничества ATLAS и CMS обнаружи-
22.
ATLAS Collab., Phys. Rev. D 99, 072001 (2019).
ли четыре основных механизма рождения и пять
23.
CMS Collab., Phys. Lett. B 779, 283 (2018).
основных мод распада бозона Хиггса. Были изме-
24.
CMS Collab., Preprint CMS-PAS-HIG-18-032
рены их сечения и относительные вероятности. Они
(2019).
все согласуются с СМ. Упомянутые эксперименты
25.
ATLAS Collab., Phys. Lett. B 786, 59 (2018).
планируют улучшения текущих измерений, исполь-
26.
CMS Collab., Phys. Rev. Lett. 121, 121801 (2018).
27.
ATLAS Collab., Phys. Lett. B 784, 173 (2018).
зуя новые данные при 13 ТэВ и, в будущем, при
28.
CMS Collab., Phys. Rev. Lett. 120, 231801 (2018).
14 ТэВ.
29.
ATLAS Collab., Preprint ATLAS-CONF-2019-005
(2019).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
30.
CMS Collab., EPJ C 79, 421 (2019).
31.
ATLAS and CMS Collab., arXiv: 1902.10229, Part 3.
1. L. Evans and P. Bryant, JINST 3, S08001 (2008).
2. ATLAS Collab., JINST 3, S08003 (2008).
32.
3. CMS Collab., JINST 3, S08004 (2008).
33.
CEPC Study Group, arXiv: 1809.00285.
MEASUREMENTS OF THE SM-LIKE HIGGS BOSON
BY ATLAS AND CMS EXPERIMENTS AT THE LHC
I. I. Tsukerman
(ATLAS and CMS Collaborations)
NRC “Kurchatov Institute” — ITEP, Moscow, Russia
Recent results on Higgs boson production and decays in the ATLAS and CMS experiments at the LHC
are reviewed. They are based on the analyses of 13-TeV LHC proton-proton collision data accumulated
during 2015-2018 year exposures. Cross sections in four production channels and branching ratios of
five main decays are measured. These channels are combined to extract the Higgs boson signal strength
and couplings. All experimental results are found to be compatible with the Standard Model predictions.
Perspectives of the ATLAS and CMS experiments on Higgs boson studies are also discussed.
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 83
№2
2020
