ПОНИМАНИЕ БОЗОНА ХИГГСА С ПОМОЩЬЮ LheC

ПОНИМАНИЕ БОЗОНА ХИГГСА С ПОМОЩЬЮ LheC

Б.С.Юлдашев1, Э.Э.Дустмуродов1, Б.Р.Турдиев1, Т.Б.Файзиев2

АН РУз eldordustmurodov@mail.ru

Аннотация: Ожидается, что Большой адронный электронный коллайдер (LHeC) в Европейской лаборатории (ЦЕРН) будет сталкивать электроны и протоны с высокой энергией. Исследования, касающиеся возможности наблюдения бозона Хиггса в этой среде, были представлены в докладе о концептуальном проектировании. Здесь исследуется эффект уменьшения энергии электрона при столкновении ер с целью нахождения оптимальной, экономичной энергии электрона для исследования бозона Хиггса в будущем LHeC. Рассматриваются два механизма производства: Процесс производства бозона Хиггса при столкновении ер и фоновый процесс. Энергия электронов варьировалась от 10 ГэВ до 100 ГэВ с шагом 10 ГэВ. Результаты, полученные в этом исследовании, показали, что использование энергии электрона в диапазоне от 40 ГэВ до 60 ГэВ было бы достаточным для измерения свойств бозона Хиггса благополучно для достоверности полученных результатов.

UNDERSTANDING THE HIGGS BOSON WITH LheC

B.S.Yuldashev1, E.E.Dustmurodov1, B.R.Turdiev1, T.B.Fayziev2

RUz eldordustmurodov@mail.ru

Abstract: The Large hadron electron Collider (LHeC) at the European laboratory (CERN) is expected to collide high-energy electrons and protons. Research on the possibility of observing the Higgs boson in this environment was presented in the conceptual design report. Here we study the effect of reducing the energy of an electron during an ер collision in order to find the optimal, economical electron energy for the study of the Higgs boson in the future LHeC. Two production mechanisms are considered: the process of producing the Higgs boson in an ер collision and the background process. The electron energy varied from 10 GeV to 100 GeV in 10 GeV increments. The results obtained in this study showed that the use of electron energy

in the range from 40 GeV to 60 GeV would be sufficient to measure the properties of the Higgs boson safely for the reliability of the results obtained.

Питер Хиггс предложил механизм, который позволил бы существовать фундаментальной частице, бозону Хиггса, почти за полвека (48 лет) до его открытия в LHC ЦЕРН (Большом Адронном Коллайдере), в Швейцарии 4 июля 2012 года [1].

Нынешняя оценка энергии электрона в 60 ГэВ подтверждается наблюдением влияния уменьшения энергии электрона на образование бозона Хиггса при столкновении электрона с протоном. ЦЕРН, Европейская лаборатория, планирует построить LHeC (Большой адронный электронный коллайдер) таким образом, чтобы ускоренные электроны из LHeC могли сталкиваться с ускоренными протонами из БАК. Исследования, касающиеся возможности наблюдения бозона Хиггса в этой среде, были проведены путем генерации событий Монте-Карло (было сгенерировано 50 000 событий) для двух процессов при различных энергиях электронов, отличающихся на 10 ГэВ в интервале [10 ^ 100] ГэВ.

Сигнал, первый изученный процесс, описывается столкновением электрона и протона, в результате которого образуются электронное нейтрино, бозон Хиггса и струя. На рис.1 представлены наиболее вероятные диаграммы Фейнмана самого низкого порядка для единичного образования Хиггса при электрон-протонном столкновении. Фоновый процесс описывается электрон-протонным столкновением, в результате которого образуются электронное нейтрино, нижний кварк, Нижний антиквар и струя. На рис.2 представлены четыре диаграммы Фейнмана самого низкого порядка для рассмотренных фоновых столкновений.

Рисунок 1. Две диаграммы Фейнмана самого низкого порядка для единичного образования Хиггса при столкновении электрона и протона.

Рисунок 2. Рассмотрены четыре диаграммы Фейнмана низшего порядка

В стандартной модели калибровочные бозоны опосредуют силы и связаны с симметриями группы 8и(3)сыоиг х 8и(2)ь х Би(\\)г. Глюонная сила сильных взаимодействий описывается фактором 8и(3)со!оиг, в то время как унифицированные электрослабые взаимодействия описываются факторами

Инвариантность факторов SU(2)L x SU(1)y разбивается на подгруппу, обозначаемую U(1)em (непрерывная калибровочная инвариантность подгруппы электромагнетизма). В результате образуются четыре калибровочных бозона, а именно W-, W+, Z и у (фотон).

Эта симметрия не обязательно нарушается явным взаимодействием субатомных частиц, но скорее они нарушаются асимметрией состояния с наименьшей энергией. В квантовой теории поля структура спонтанного нарушения симметрии и симметрии состояния с наименьшей энергией известна как вакуум.

фоновых столкновений.

SU(2)l x SU(1)y .

Каждый раз, когда спонтанно нарушенное направление (которое порождает бозон Голдстоуна) соответствует калибровочной симметрии, связанный бозон Голдстоуна и безмассовый калибровочный бозон объединяются, образуя массивный калибровочный бозон. Это явление известно как механизм Хиггса. Это тот же самый механизм, который был предложен Питером Хиггсом в 1960-х годах, который предполагает, что должна существовать какая-то "решетка", заполняющая вселенную. Эта решетка формально известна как поле Хиггса.

Поле Хиггса определяется как "гипотетическое физическое поле, которое наделяет элементарные частицы массой и которое опосредуется бозоном Хиггса". Существует много аналогий для поля Хиггса, но наиболее популярной является знаменитая личность, входящая в комнату, которая относительно плотно занята людьми. Когда знаменитый человек входит в комнату, люди, находящиеся ближе всего к входу, тянутся к нему. Знаменитый человек привлекает людей, которые находятся рядом, когда он / она движется по комнате. Скопление на каждом из шагов известного человека можно рассматривать как увеличение сопротивления движению, т. е. знаменитый человек набрал массу. Если бы нормальный (не известный) человек вошел в комнату, никто бы не притягивался к нему, и они не набрали бы никакой массы. В этом же отношении не все частицы влияют на поле (они безмассовые). Частица с массой будет испытывать большее "сопротивление" изменению в присутствии поля Хиггса и потребует энергии, чтобы начать движение, как только она будет остановлена.

Одним из оптимальных условий для исследования бозона Хиггса является минимизация фона, обнаруживаемого в той же области детектора, что и обнаружение сигнала. В настоящем концептуальном докладе исследуется влияние на следующие прогнозируемые свойства рассматриваемых процессов: поперечное сечение (мера площади в процессе столкновения), скорость (мера скорости движения в индуцированном электромагнитном поле), поперечный импульс (измерение импульса вдоль оси пучка), расстояние в плоскости скорость-фи (расстояние между интересующими частицами) и инвариантная масса (измерение массы в инвариантном базисе). Изучение этих предсказанных свойств позволит глубже понять поведение системы процессов в зависимости от энергии электронов [2].

Результаты.

При формировании данных для двух процессов электрон-протонного столкновения (постоянная энергия протона 7000 ГэВ и переменная энергия электрона) было получено в общей сложности 300 кинематических распределений. Эти данные были обработаны [3] и электронная зависимость среднего; поперечного сечения, скорости, поперечного импульса, расстояния в

плоскости (быстрота, ф) и инвариантной массы, проиллюстрирована на рисунках 3-6.

Рисунок 3. Среднее поперечное сечение как функция энергии электрона для процесса производства бозона Хиггса и фонового процесса, слева и справа

соответственно

* "-О 1

НЗШММШ

«■ = 099» .1 »

♦ ♦ ♦ ♦ ♦

Т>Ш1Пги>|>]0Ш

«■=0.9916

♦ струя ■ Хиггс

Г&ШФИШ «&&099»

♦ струя

■ нижний кварк нижний антнкварк

-9—Ш—

-1 В1«099в)

»&¡19ЙЦФ2Ш УОЙЙ

Энергия электрона (ГэВ)

Энергия электрона (ГэВ) Энергия электрона (ГэВ)

Рисунок 4. Средний поперечный импульс как функция энергии электрона для процесса получения бозона Хиггса (слева) и фонового процесса (справа)

Энергия электрона (ГэВ)

Рисунок 5. Средняя инвариантная масса в зависимости от энергии электрона

для процесса получения бозона Хиггса

Рисунок 6. Средняя инвариантная масса в зависимости от энергии электрона

для фонового процесса

Заключение.

Связь между поперечным сечением и энергией электронов, как в сигнале, так и в фоновом режиме, лучше всего описывается линейным ростом [см. рис.3]. Физическая интерпретация этого такова: в столкновении происходит больше энергии и, следовательно, больше частиц, то есть с увеличением энергии электрона получается большее поперечное сечение. Отмечается разница в градиенте между сигналом и фоном, что отражает характерное поведение двух систем. Изучение зависимости скорости от электрона показывает, что при уменьшении энергии электрона скорость Хиггса уменьшается (становясь более сопоставимой со скоростью струи на заднем плане) [см. рис.4]. Ожидается, что скорость Хиггса будет неотличима от фоновой скорости для энергий электронного пучка ниже 40 ГэВ. Это физически оправдано характерными свойствами скорости процесса производства бозона Хиггса; струя в процессе Хиггса имеет более низкую скорость, чем скорость бозона Хиггса, находясь в фоновом режиме; рассеянные кварки имеют меньшую скорость, чем струя. Скорость Хиггса больше, чем скорость струи в фоновом режиме, однако система Хиггса маскируется фоном, так как берется нижний предел энергии электронного пучка. Соображения быстроты привели к размещению нижней границы энергии электронного пучка - 40 ГэВ. Рассмотрение поперечного импульса, расстояния в плоскости и инвариантной массы выявило слабую зависимость энергии электронного пучка [см. рис.5,6].

Использованная литература