Новая физика не может сильно изменить ширину бозона Хиггса: анализ ограничений на Большом адронном коллайдере
Бозон Хиггса — ключевая частица Стандартной модели, связанная с механизмом возникновения масс у элементарных частиц. После его открытия на Большом адронном коллайдере (LHC) одной из главных задач физики стало как можно точнее измерить его свойства. Среди наиболее важных параметров — полная ширина распада, которая характеризует «время жизни» частицы и чувствительна к возможным дополнительным каналам распада.
В Стандартной модели полная ширина бозона Хиггса чрезвычайно мала — около 4,1 МэВ, поэтому напрямую измерить её на LHC невозможно: она значительно меньше энергетического разрешения детекторов.
Поэтому наиболее строгие ограничения получают косвенными методами. Один из них основан на сравнении вероятностей процессов рождения и распада в двух разных режимах: когда частица образуется на своей массе (оншелл-процессы, on-shell) и когда аналогичные процессы происходят при значительно более высоких инвариантных энергиях (оффшелл-режим, off-shell).
Такой подход работает потому, что частота оншелл-событий зависит от полной ширины бозона Хиггса, тогда как оффшелл-процессы практически не чувствительны к её величине. Сравнение этих режимов позволяет получить ограничение на ширину частицы.
Однако при таком анализе делается важное теоретическое предположение: что силы взаимодействия Хиггса с другими частицами одинаковы как в оншелл-, так и в оффшелл-режиме.
В новой работе этот вопрос исследовали теоретики DESY (Немецкий центр синхротронных исследований в Гамбурге) и Университета Кипра — Георг Вайглайн (Georg Weiglein) и Панагиотис Стилиану (Panagiotis Stylianou). Они проверили, насколько надёжны существующие ограничения, если это предположение нарушается из-за появления дополнительных скалярных бозонов — гипотетических частиц, которые возникают во многих расширениях Стандартной модели.
Такие частицы могут влиять на процессы рождения и распада бозона Хиггса двумя способами: либо появляться как новые резонансы, либо участвовать в квантовых петлевых диаграммах, изменяя амплитуды процессов, связанных с образованием бозона Хиггса.
В этом случае новая физика потенциально может «маскировать» увеличение полной ширины бозона Хиггса, изменяя только часть наблюдаемых процессов. Например, дополнительные скалярные частицы могут влиять на оффшелл-события, не затрагивая напрямую процессы распада на массе частицы.
Чтобы такое «маскирование» работало, новая частица должна создавать разрушительную интерференцию с вкладом Стандартной модели в оффшелл-процессах (например в реакции gg→H∗→ZZ), уменьшая наблюдаемый сигнал при высоких энергиях.
Авторы рассмотрели широкий набор таких сценариев и сопоставили их с существующими экспериментальными ограничениями — как из измерений самого бозона Хиггса, так и из прямых поисков новых частиц на LHC.
В результате оказалось, что современные данные LHC уже сильно ограничивают такие возможности. Даже при наличии дополнительных скалярных частиц допустимое увеличение ширины бозона Хиггса оказывается небольшим — примерно в 1,5–2 раза по сравнению со значением Стандартной модели, и лишь в узком диапазоне параметров.
Для реализации таких сценариев новая частица должна быть сравнительно лёгкой — с массой менее ~200 ГэВ — и достаточно сильно взаимодействовать с бозоном Хиггса. Однако именно такие частицы активно ищут в экспериментах LHC, что ещё сильнее ограничивает пространство возможных параметров.
Авторы также показывают, что в теории существует явление, когда одновременное изменение нескольких параметров модели может оставить наблюдаемые вероятности процессов почти неизменными (flat direction). Именно такие направления в пространстве параметров могли бы позволить увеличить ширину бозона Хиггса без заметного изменения сигналов. Однако при учёте всех существующих экспериментальных ограничений такие варианты оказываются сильно ограничены.
Таким образом, косвенные методы LHC, основанные на сравнении оншелл- и оффшелл-процессов, остаются надёжным инструментом для контроля свойств бозона Хиггса даже в присутствии возможной новой физики.
Фактически работа показывает, что даже если новые частицы нарушают стандартное предположение о равенстве взаимодействий в разных энергетических режимах, то это может изменить допустимую ширину бозона Хиггса лишь в ограниченной степени.
Будущие коллайдеры с более высокой статистикой и точностью измерений смогут ещё сильнее уточнить эти ограничения и сделать их менее зависимыми от теоретических предположений.