Почему поиск Хиггса занял так много времени?

Электрослабая теория подсказала нам, где искать$W$а также$Z$калибровочные бозоны. Для бозона Хиггса его масса — свободный параметр, поэтому мы не знали, где его искать. Как только вы начинаете искать частицу во многих местах, вы также должны учитывать эффект поиска в другом месте, который в основном означает, что чем больше мест вы ищете в поисках частицы, тем выше вероятность того, что вы наблюдаете только статистическую флуктуацию.

LEP

Сегодня мы знаем, что масса бозона Хиггса примерно$125$ГэВ. Коллайдер LEP в ЦЕРНе достиг центра масс энергии$\sqrt{s}$из$209$ГэВ. Этого было бы достаточно, чтобы произвести бозон Хиггса. Но потом,$e^+ e^-$коллайдеры не имеют самого высокого сечения рождения бозона бозона Хиггса. Ваше заявление:

Хиггс также сочетается практически со всем, поэтому его несложно сделать.

не является правильным. Хиггс лишь очень слабо связывается с легкими частицами. Таким образом, вам нужно сначала произвести тяжелые частицы, чтобы иметь хорошие шансы также произвести бозон Хиггса.

В LEP бозон Хиггса, должно быть, был произведен слиянием векторных бозонов, но этого недостаточно, чтобы мы могли четко отличить его от фона:

Попутное производство также мыслимо, но сечение очень мало, т.к.$m_H + m_Z > \sqrt{s}_{LEP}$:

Еще меньше будет$ttH$производство:

Короче говоря, в LEP энергия центра масс была просто недостаточно высока, поскольку недостаточно произвести только бозон Хиггса, нужно сначала произвести тяжелые частицы, которые затем соединятся с бозоном Хиггса.

Теватрон

А как же Теватрон? Несомненно, бозон Хиггса должен был производиться в большом количестве на Тэватроне. Почему они этого не видели? Ответ заключается в том, что они видели это. И CDF, и$D^0$сообщил о превышении. В объединенной публикации они даже сообщили о «свидетельстве присутствия новой частицы, согласующейся со стандартной моделью бозона Хиггса». Комбинация наблюдала глобальное значение$3.1 \sigma$.

Но остается вопрос, почему «только»$3.1 \sigma$превышение, хотя годы сбора данных? Ответ двоякий: во-первых, мгновенная светимость Тэватрона была относительно небольшой, по крайней мере, по сравнению с БАК. Проблема в том, что, хотя использование коллайдера протон-анти-протон помогает увеличить сечения, производство антипротонов, как известно, происходит медленно, и вы не можете легко достичь высоких мгновенных светимостей.

Вторая причина, а также общий ответ на вопрос, почему найти бозон Хиггса было не так просто, заключается в том, как затухает бозон Хиггса:

На этом изображении показаны каналы распада бозона Хиггса для данной массы. В$125$ГэВ, он в основном распадается на$b\bar{b}$пара.$b$кварки адронизируются, и в детекторе вы видите две «струи». Событие с двумя струями не является особенно чистой сигнатурой. В адронном коллайдере ваш опыт подавляющий. Насколько я знаю, даже сегодня наблюдение за$H \to b\bar{b}$сигнал не дошел до$3 \sigma$уровне в любом эксперименте LHC.

Есть два способа обойти это: либо искать бозон Хиггса, созданный другой частицей, либо полагаться на то, что бозон Хиггса распадается на другие частицы. В постановке, связанной с бозоном Хиггса,$b\bar{b}$пару сопровождает$W/Z$бозон и чувствительность намного выше, так как фон намного меньше. Именно это наблюдали эксперименты на Тэватроне.

Хиггс распадается на$ZZ$или к$\gamma\gamma$особенно чистые каналы. Но дробь ветвления$H \to ZZ$является$2.67$%, а также$H \to \gamma\gamma$даже только$0.228$%, поэтому вам нужен большой набор данных, чтобы увидеть эти распады. Такой набор данных не был вовремя доступен на Тэватроне.

Интересно отметить, что если бы бозон Хиггса был бы легче, его бы массово выпускали на ЛЭП, и мы бы его давно нашли. Если бы он был тяжелее, фракция ветвления к$b\bar{b}$был бы значительно меньше, и мы бы наблюдали его на Тэватроне. Масса$125$ГэВ просто оказался сигналом, который было трудно отличить от фона по разным причинам, указанным выше. Вот почему поиск Хиггса занял так много времени.