Проверка того, что электрослабая симметрия действительно нарушается за счет хиггсовского механизма, — одна из центральных задач LHC. Эта задача включает в себя три главных этапа:
1) обнаружение частицы, похожей на хиггсовский бозон,
2) проверка, что эта частица обладает свойствами, которые ожидаются от хиггсовского бозона,
3) выяснение, какие из теорий хиггсовского сектора согласуются с экспериментальными данными.
Если масса бозона составляет 200 ГэВ или больше, то его удобно искать с помощью лептонных распадов Z-бозонов: H → ZZ → (e+e–)(μ+μ–). Это так называемый «золотой канал» поиска Хиггса. Экспериментаторам потребуется сделать всего одну вещь: выделить (e+e–)(μ+μ–) события, вычислить инвариантные массы e+e– и μ+μ– пар и построить распределение по суммарной инвариантной массе всех четырех лептонов. Хиггсовский бозон будет легко заметным пиком на этом распределении.
Хиггсовский бозон с массой 135 < MH < 200 ГэВ преимущественно распадается на WW-пары (при MH < 160 ГэВ один из W-бозонов будет виртуальный), детектировать которые труднее, чем ZZ-пары. С одной стороны, у W-бозона есть тоже лептонный канал распада, например eνe или μνμ. Однако во всех случаях при этом рождается нейтрино, которое вылетает, унося с собой энергию и импульс и не оставляя следов в детекторе. Это значит, что в распаде H → W–W+ → e–νe μ+νμ в детекторе будет видна только пара e–μ+. Это позволит догадаться о том, что в промежутке были W-бозоны, но не позволит строить распределения по инвариантной массе.
Бозон Хиггса с массой меньше 135 ГэВ распадается преимущественно на b–анти-b-пары. В детекторе эти кварки дадут две адронные струи, которые смешаются со всеми остальными адронами. Выделить события с Хиггсом и без него только за счет этих струй будет практически невозможно, поэтому тут потребуются более сложные методики. Вот некоторые из обсуждаемых сейчас стратегий:
Разумеется, факт открытия какой-то частицы в области масс от 100 до 1000 ГэВ еще не означает, что это именно бозон Хиггса. После открытия частицы потребуется внимательное изучение ее свойств. Ключевыми будут следующие измерения:
В ФЭЧ частица считается открытой, если она достаточно сильно выделяется над фоном. Для того чтобы охарактеризовать это «выпирание», вычисляют статистическую значимость сигнала — то есть то, во сколько раз он сильнее типичной случайной флуктуации (на языке физики, стандартного отклонения, σ). Для объявления об открытии частицы требуется, чтобы статистическая значимость превысила пять стандартных отклонений (5σ). Поскольку статистическая значимость пропорциональна квадратному корню из накопленной статистики, для открытия бозона Хиггса потребуется набрать достаточно много событий, причем тем больше, чем сильнее окажутся фоновые процессы.
Время, требуемое для накопления достаточной статистики, зависит от массы хиггсовского бозона. Моделирование показало, что для легкого бозона Хиггса потребуется накопить интегральную светимость порядка 20–30 fb–1. При текущих планах LHC на это уйдет примерно 2–3 года. Поиск хиггсовского бозона промежуточной массы будет идти гораздо быстрее. Для открытия бозона хватит 1–3 fb–1, и такая светимость будет накоплена в течение 2009 года. Для тяжелого хиггсовского необходимая светимость составляет примерно 3–5 fb–1, что тоже будет накоплено к середине 2010 года.
На графике показана ожидаемая статистическая значимость сигнала от хиггсовского бозона в эксперименте ATLAS при интегральной светимости 30 fb–1. Цветные кривые отвечают статистической значимости сигнала в конкретных каналах рождения и распада, а черная кривая — результат объединения поисков во всех каналах. Видно, что черная кривая превышает уровень 5σ во всём диапазоне масс. Это значит, что после обработки данных, накопленных при такой светимости, хиггсовский бозон не только будет открыт (если, конечно, он существует), но и изучен с некоторой степенью точности. График получен по результатам численного моделирования.
Все эти оценки касаются хиггсовского бозона Стандартной модели. В более сложных вариантах устройства хиггсовского сектора эти оценки могут сильно измениться. Более того, во многих моделях существует несколько хиггсовских бозонов с разными свойствами, и вполне возможно их наблюдение на LHC.
Подробнее про неминимальные варианты хиггсовского механизма
Если эксперимент покажет, что открытая частица (или частицы) является скаляром, но не удовлетворяет свойствам минимального хиггсовского бозона, то возникает вопрос: можно ли по этим данным восстановить теорию хиггсовского механизма? Этот вопрос часто называют «обратной задачей LHC». Для ее решения потребуется внимательное сравнение экспериментально обнаруженных свойств с предсказаниями различных моделей. Тут существует два основных варианта развития событий: