Распадающийся хиггс

Физики из коллаборации CMS в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРНе) представили свидетельства распадов бозона Хиггса в фермионные пары частица-античастица. Как следует из работы ученых, опубликованной в журнале Nature, им удалось наблюдать прямые распады бозонов Хиггса на пары третьего поколений лептонов и кварков таон-антитаон и боттом-антиботтом, соответственно. «Лента.ру» решила подробнее осветить исследование ученых и его значение для физики элементарных частиц.

Бозон Хиггса, открытый к 2012 году в серии экспериментов на Большом адронном коллайдере (БАК), представляет собой последнюю экспериментально обнаруженную частицу, существование которой предсказывается Стандартной моделью. Частица имеет все свойства, которые ей предсказывает теория, и исследования ученых из ЦЕРНа подтверждают это: открытый бозон является самым «стандартным» — до сих пор никаких аномальных свойств, говорящих о проявлении «новой физики», эта частица не обнаружила.

Введение скалярного поля, квантом которого является бозон Хиггса, позволяет сгенерировать массу в электрослабом секторе Стандартной модели. До появления такого скалярного поля электрослабая симметрия в природе, как считается, приводила к существованию безмассовых электрослабых заряженных W^± и нейтрального Z⁰ бозонов и фотонов. Поле Хиггса H нарушило симметрию (так называемое спонтанное нарушение симметрии) и привело к появлению массовых состояний частиц; безмассовыми остались только фотоны и глюоны.

Предсказуемость свойств бозона Хиггса Стандартной моделью подтверждает ее адекватность для описания физики на масштабах энергий до примерно одного тераэлектронвольта. Однако, отсутствие в настоящее время сигналов для расширений теории (например, суперсимметричных, или наличия нескольких бозонов) несколько огорчает физиков. Не значит ли это, что дальше бозона Хиггса ничего нет? По крайней мере, эксперименты в ЦЕРНе только набирают свою силу, и в 2015 году БАК заработает с удвоенной энергией до, примерно, 14 тераэлектронвольт.

В ходе экспериментов физики сталкивали партоны — так называют пространственную совокупность разогнанных до релятивистских скоростей (энергий) протонов, которые удобно рассматривать не как отдельные протоны, а как объединение кварков (и их античастиц — антикварков) и глюонов. В таких условиях протоны претерпевают процессы множественного рождения и распада и образуют другие элементарные частицы. Протон состоит из трех кварков — частиц материи (всего в природе существуют шесть кварков), тогда как глюоны переносят сильное (ядерное) взаимодействие между ними. Всего в природе существуют восемь типов глюонов. В отличие от бозона Хиггса, они являются векторными частицами, кроме того, эти частицы несут цветовой заряд (аналог электрического заряда, только зарядов — не два, а три) и сами участвуют в сильном взаимодействии.

Кроме глюонов, векторными бозонами являются и калибровочные фотоны (переносчики электромагнитного взаимодействия) и три промежуточных бозона электрослабой теории Глешоу-Вайнберга-Салама. В отличие от фермионов (к которым относятся частицы материи — кварки и лептоны), бозоны имеют целое значение спина. Спин скалярного бозона Хиггса равен нулю, всех остальных — единице. Спины фундаментальных фермионов (лептонов и кварков) в два раза меньше.

Разогнанные протоны сталкивали в системе центра масс; в продуктах реакций ученым удалось извлечь статистически значимые (достоверные) следы распада бозонов Хиггса с массой около 125 гигаэлектронвольт на пары таон-антитаон и боттом-антиботтом. В 2011 году частицы сталкивали на энергиях до семи тераэлектронвольт, в 2012 году энергию увеличили на один тераэлектронвольт. Поскольку время жизни бозона Хиггса достаточно мало (порядка 10^-22 секунды), ученые в состоянии только наблюдать продукты распада этой частицы.

Детекторы CMS изучали каналы распада бозона Хиггса, и наряду с фоновыми, выделяли сигналы распада в пары таон-антитаон и боттом-антиботтом. Экспериментаторы после анализа результатов измерений пришли к выводам, что им удалось зафиксировать такие прямые распады с наблюдаемым значением стандартного отклонения в 3,8 , хотя ученые ожидали получить их при значении отклонения, равном 4,4. Значение отклонения, наблюдаемого учеными, вполне достаточно для того, чтобы считать их результаты открытием.

CMS (Compact Muon Solenoid) — одна из систем детектирования, установленная на БАК (компактный мюонный соленоид) и название одноименной коллаборации ученых из ЦЕРНа. В коллаборации принимают участие более трех тысяч физиков из около 40 стран мира. Россию в CMS представляют, главным образом, ученые таких крупных институтов, как Объдиненный институт ядерных исследований в Дубне и Институт теоретической и экспериментальной физики, а также Российской академии наук.

Открытие ученые распадов бозона Хиггса, согласующихся со Стандартной моделью, позволяет исследовать значение констант взаимодействия этих частиц с третьим поколением лептонов и кварков, а также получить возможные ограничения на ряд параметров теории и ее расширений, которые следуют из таких взаимодействий.

Андрей Борисов