22 июня 2008 г.

Новый способ поиска хиггсовского бозона на LHC

На днях в Physical Review Letters появилась статья, в которой предлагается новая стратегия поиска хиггсовского бозона на LHC. Она основана на детальном изучении структуры струй, возникающих в распаде бозона Хиггса на b-кварк-антикварковую пару, и особенно пригодится в самой "трудной" для анализа области масс бозона Хиггса 115-130 ГэВ.

Но сначала -- небольшой отступление про то, как выглядят типичные протон-протонные столкновения при высокой энергии (т.е. то, что будет происходить на LHC).

Протоны -- составные частицы, однако то, из чего именно они состоят, сильно зависит от системы отсчета. Если неподвижный протон хорошо описывается в виде трех кварков, скрепленных глюонными полями, то протон, летящий с околосветовой скоростью, лучше представлять себе как облачко, в котором намешаны самые разнообразные кварки, антикварки и глюоны. Все они вместе называются партонами.

Когда два протона сталкиваются лоб в лоб, то по-настоящему жесткое столкновение испытывают лишь по одному партону из каждого протона, а остальные партоны-наблюдатели просто пролетают мимо. Однако сильное взаимодействие обладает важным свойством -- конфайнментом, который не позволяет отдельному кварку или глюону свободно вылететь из протона. Между улетающим кварком и "останками протона" натягивается глюонная струна, которая рвется в нескольких местах, порождая многочисленные адроны (в основном, это легкие мезоны). Из-за динамики разрыва струны получается так, что эти адроны как бы "прижаты" к направлениям вылета самых энергетических частиц, и в результате возникает примерно такая картина, как на рисунке.



Те адроны, которые вылетают в направлениях, близких к направлению жесткого рассеяния двух партонов, образуют легко заметные адронные струи. На картинке показан типичный двухструйный процесс, но случаются также и многоструйные события.

Теперь перейдем к хиггсовскому бозону на LHC. Поскольку хиггсовский бозон нестабилен, искать его будут по продуктам распада. На какие частицы распадается бозон Хиггса -- зависит от его массы, а она, к сожалению, пока неизвестна. Поэтому экспериментаторам на LHC придется искать хиггсовский бозон сразу "по всем фронтам", в диапазоне масс примерно от 100 до 1000 ГэВ.

Самая главная проблема в поиске хиггсовского бозона на LHC состоит в том, чтобы распознать его среди "обычных" процессов.

Если его масса больше 140 ГэВ, то это можно будет сделать по распадам с электронами или мюонами в конечном состоянии (электроны и мюоны в сильном взаимодействии не участвуют, поэтому вероятность их рождения на LHC мала). Такой хиггсовский бозон можно будет найти довольно быстро, в течение 2009 года.

А вот более легкий хиггсовский бозон распадается преимущественно в b-кварк-антикварковую пару. В детекторе этот распад будет выглядеть как типичное двухструйное событие, и распознать в нем именно последствия распада бозона Хиггса нереально. Вместо этого придется использовать более хитрые методы, и тогда открытие хиггсовского бозона может затянуться на 2-3 года.

В статье J.M. Butterworth et al., Jet Substructure as a New Higgs-Search Channel at the Large Hadron Collider, Phys.Rev.Lett. 100, 242001 (2008), она же препринт arXiv:0802.2470, предлагается новый подход к поиску бозона Хиггса в этой сложной области масс.

Идея состоит в том, чтобы использовать канал рождения HZ или HW и при этом, в отличие от стандартной методики, выискивать только события, где H и W (или H и Z) летят в разные стороны с большим поперечным импульсом. Фоновые процессы в такой кинематической конфигурации резко уменьшаются, и главной задачей тогда является распознание распада H→b-анти-b для ультрарелятивистского бозона Хиггса. Оказывается (и в этом состоит суть работы), это можно сделать с помощью изучения внутренней структуры адронных струй. Собственно, авторы работы -- как раз специалисты по алгоритмам распознания и изучения струй.

Нельзя сказать, что этот метод на порядки лучше предыдущих, но по крайней мере он будет серьезным подспорьем для поиска Хиггса в области масс 115-130 ГэВ. Кроме того, независимо от того, в каком канале хиггс будет открыт, этим методом можно будет измерить его связь с b-кварками.

2 комментария:

  1. Игорь, извините за глупый вопрос, а почему все физики так уперлись в этот самый Х-бозон? А вдруг не найдут его? И что тогда, вся стандартная модель коту под хвост?

    ОтветитьУдалить
  2. Я на Ваш вопрос развернуто ответил в новой записи.

    ОтветитьУдалить