Рождение двух бозонов Хиггса в одном и том же столкновении протонов - это гораздо больше, чем простое совпадение. Изучение этого процесса, известного как образование ди-Хиггса (“di-Higgs” production) или парное рождение бозонов Хиггса, позволяет физикам измерить силу спаривания (“self-coupling”) бозонов Хиггса - фундаментальный аспект Стандартной модели, связывающий механизм Хиггса и стабильность нашей Вселенной.

Однако измерение характеристик парного рождения бозонов Хиггса - особенно сложная задача. Это очень редкий процесс, примерно в 1000 раз более редкий, чем возникновение одного бозона Хиггса. Ожидается, что во время второго запуска LHC (2015-2018 гг.) было произведено всего около 4000 ди-Хиггсовских событий в 40 миллионах столкновений, происходящих каждую секунду.

Чтобы максимально увеличить шансы регистрации пары, исследователи изучают наиболее перспективные варианты превращений ди-Хиггса. Наиболее вероятным из них является испускание четырех боттом-кварков: . Однако много других процессов также создают четыре бьюти-кварка при столкновениях, поэтому указанная "сигнатура" с наибольшей вероятностью может быть имитирована другими процессами Стандартной модели ("фоном"). Ди-Хиггсовский распад на два боттом-кварка и два тау-лептона () имеет умеренные фоновые помехи, но встречается в пять раз реже и сопровождается испусканием нерегестрируемых нейтрино, что усложняет способность физиков полностью реконструировать ди-Хиггсовское превращение. Напротив, ди-Хиггсовский распад на два -кварка и два фотона () - один из самых редких доступных мод распада, но наличие двух фотонов делает его четко идентифицируемым в детекторе ATLAS. Также необходимо учитывать ди-хиггсовский "суп", когда два бозона Хиггса оставляют в детекторе многолептонный "след". Наконец, еще одна редкая мода распада - это образование двух боттом-кварков, двух лептонов и нейтрино ().

У каждого из перечисленных выше вариантов распадов есть свои плюсы и минусы, и все они чувствительны к процессу образования ди-Хиггса. В новом анализе, проведенном коллаборацией ATLAS, физики объединили данные пяти ди-хиггсовских исследований второго запуска LHC. Объединив возможности всех каналов распада, исследователи получили наиболее чувствительный зонд процесса спаривания бозонов. Это дает важнейшую информацию, которая поможет физикам-теоретикам в разработке новых моделей.

Получение такого комбинированного результата потребовало тщательного изучения всех исследований, чтобы убедиться в совместимости статистических моделей и в том, что ни одно из отобранных ATLAS событий не перекрывается между каналами. Хотя физики проекта и раньше проводили комбинацию ди-Хиггсовских исследований в 2021 году, новая комбинация впервые включает мультилептонный канал и канал распада , а также улучшает анализы других каналов. Таким образом, новый результат является более основательным и всеобъемлющим, охватывая более половины всех возможных ди-хиггсовских распадов.

Основные результаты приведены в Подробнее.