Идентификация бозона Хиггса на LHC

В физике элементарных частиц (как и в большинстве других наук) мы редко занимаемся анализом отдельных событий. Мы смотрим на распределения одних и тех же измерений, сделанных много раз. Выполняя подгонки к этим распределениям, мы можем вывести количество «сигнальных» и «фоновых» событий в нашей выборке.

Сигнал — это интересующий нас процесс. Фон — это все события, которые попадают в образец, но не являются результатом процесса обработки сигнала. Часто самый большой источник фона является комбинаторным: т. е. случайные комбинации частиц, которые в конечном итоге выглядят как сигнал. Другие источники включают такие вещи, как неправильно идентифицированные или неправильно реконструированные процессы.

Если мы посмотрим на распределение инвариантной массы определенного конечного состояния, сигнал часто будет иметь пикообразную форму. Комбинаторные фоны имеют тенденцию следовать плавным широким формам (например, экспоненциальным или простым полиномиальным кривым). Однако статистическая флуктуация фона может привести к пикообразной форме. Важно не путать это с сигналом. Статистическая значимость — это мера того, насколько маловероятно, при нулевой гипотезе, что флуктуация приведет к пику, по крайней мере, столь же большому, как тот, который вы наблюдаете. В физике элементарных частиц, когда вы думаете, что нашли что-то, важно указать значимость измерения. Стандарт для обнаружения$5\sigma$, что соответствует вероятности 1 из 1,7 миллиона.

Важно отметить, что мы никогда не можем точно сказать, какие конкретные события являются сигнальными, а какие фоновыми. Однако вы можете применить критерии выбора , чтобы удалить фоновые события и сохранить большую часть сигнала. Они могут варьироваться от простого сокращения переменных до обучения сложного алгоритма машинного обучения, чтобы отличать сигнал от фона.

Возьмем пример поиска бозона Хиггса, распадающегося на пару фотонов ($H\to\gamma\gamma$). Вы начинаете с выборки записанных событий, содержащих два реконструированных фотона, и применяете некоторые критерии отбора, чтобы отфильтровать фоновые события, которые с наименьшей вероятностью являются распадом бозона Хиггса. Если вы начертите распределение инвариантной массы пар фотонов, вы получите что-то похожее на рисунок ниже:

Мы априори знаем , что комбинаторный фон имеет красивую гладкую форму, поэтому это моделируется как своего рода полиномиальная функция. Сигнал появится в виде выпуклости в распределении с центром в массе бозона Хиггса (125 ГэВ). Это выглядит как раздвоенная функция Гаусса хрустального шара или что-то подобное.

Подгонка находит значительный пик над фоном в массе бозона Хиггса. Исходя из этого, вы можете сказать (с некоторой количественной неопределенностью), сколько$H\to\gamma\gamma$распадается и сколько фон$\gamma\gamma$пары находятся в данных, но не в том, какие события являются реальными бозонами Хиггса или фоновыми событиями.

Я считаю, что «шум» — это просто «мусор» других частиц, возникающий при столкновении частиц с очень высокими энергиями. Как поясняет приведенная ниже ссылка, существует несколько различных предполагаемых «путей распада», которые могли бы привести к бозону Хиггса с массой около 125 ГэВ. Более вероятные из этих распадов, а именно «нижний кварк и антинижний кварк, или пара W-бозонов, или пара тау-частиц», также являются путями распада, которые имеют наибольший «шум» и, следовательно, их труднее всего обнаружить. , даже если они могут быть статистически более вероятными, чем, скажем, 4-лептон.

Все это может звучать очень запутанно, но будет иметь больше смысла, если вы прочитаете всю статью, поскольку цитаты, на которые я ссылаюсь, взяты из самого последнего раздела статьи.

http://newscenter.lbl.gov/2012/06/28/higgs-2012/

Надеюсь, это помогло вам!