Коллектив Авторов - Цифровой журнал «Компьютерра» № 149

Опубликовано 30 ноября 2012 года

- Что такое бозон Хиггса? Зачем его придумали и так долго искали?

- Все знают, что тела и элементарные частицы имеют массы. А как возникают массы? Казалось бы, что можно просто принять существование масс как факт и на этом успокоиться. Однако возникла проблема. Теоретики нашли очень плодотворный путь построения теории взаимодействия элементарных частиц. Достаточно найти симметрию в конкретном взаимодействии и потребовать инвариантности относительно поворотов в соответствующем пространстве, как автоматически получаются поля-переносчики данного взаимодействия. Такой подход лежит в основе Стандартной модели, описывающей электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия.

Переносчиками этих взаимодействий являются соответственно фотон, W- и Z- бозоны и глюоны. В этой теории обязательно требуется, чтобы частицы-переносчики взаимодействия были безмассовыми. Фотоны и глюоны действительно имеют нулевые массы, а вот массы W- и Z- бозонов оказались очень большими, примерно в сто раз больше массы протона.

Косвенные данные, полученные на коллайдере LEP в ЦЕРНе, сузили этот диапазон масс до 115-170 ГэВ. Дальнейший поиск проводился на протон-антипротонном коллайдере Tevatron в лаборатории Ферми в США, а затем в ЦЕРНе на Большом адронном коллайдере (LHC). В июле 2012 года физики, работающие на LHC, объявили об обнаружении частицы с массой 126 ГэВ, очень похожей на хиггсовский бозон.

-Учёные нашли бозон Хиггса. Почему они так уверены в том, что это именно он? Какова процедура подтверждения открытия новой частицы?

- Если масса хиггсовского бозона известна, то теория предсказывает, сколько их должно родиться и на что они должны распадаться. Так, например, вероятность распада на пару лептонов пропорциональна квадрату массы этих лептонов. Это следует прямо из того, что масса пропорциональна константе взаимодействия. Это и требуется проверить, чтобы окончательно удостовериться, что найденная частица является хиггсовским бозоном. Следует заметить, что есть простейшая модель, а есть её разновидности. Например, теория суперсимметрии предсказывается три нейтральных и два заряженных хиггсовских бозона. Какая модель реализуется в природе, покажет эксперимент. Данные, полученные на LHC, довольно близки к ожидаемым, но есть некоторые отличия. Для более уверенных выводов требуется большая статистика.

- При каких параметрах работы LHC рождается бозон Хиггса? Почему понадобилось так много времени на его обнаружение?

- Количество рождённых хиггсовских бозонов зависит от энергии пучков и интеграла светимости (пропорционального количеству столкновений протонов). За время работы до лета 2012 года на LHC произошло примерно 1015 столкновений протонов при энергии 2E=7-8 ГэВ, при этом родилось всего около 103 хиггсовских бозонов, один на триллион столкновений. Выделение сигнала хиггсовского бозона при таком фоне является очень сложной задачей. Набранных до сих данных хватило только для того, чтобы заявить о статистически значимом обнаружении хиггсовского бозона (на уровне 5 сигм).

- Известны ли уже какие-то свойства бозона Хиггса? Какое у него время жизни, масса и так далее?

- Главное, что хиггсовский бозон обнаружен и наконец стала известна его масса. Время жизни ещё не измерено, но поскольку сечение рождения наблюдаемой частицы близко к ожидаемому, то можно предположить и время жизни такой частицы близко к ожидаемому. Ожидаемая ширина хиггсовского бозона при массе 126 ГэВ составляет около Г≈4 МэВ и соответствующее время жизни 1.5•10-22 с. Электрический заряд равен нулю. Другие важнейшие характеристики, такие, как спин (ожидается ноль) и бранчинги (вероятности) распадов по различным каналам, ещё предстоит измерить. На этот счёт имеются предсказания для различных моделей. Очень важна точность измерения этих параметров, поскольку именно небольшие отличия позволят разобраться, какая модель соответствует реальности.

- Как будут измеряться его характеристики? Всё ли можно сделать на LHC, или нужны другие эксперименты?

- На LHC сталкиваются протоны, а хиггсовский бозон рождается, в основном, при взаимодействии глюонов, содержащихся в протонах. Затем хиггсовский бозон распадается на пары WW*, ZZ* бозонов, пары тяжёлых кварков-антикварков , пары лептонов, в пару фотонов и другие моды. Конечные частицы регистрируются в детекторе, и по их энергии и углам рассчитывается масса распавшейся частицы. Например, строится распределение по инвариантной массе двух фотонов. Их рождается очень много, и подавляющее большинство не имеет никакого отношения к хиггсовскому бозону, поэтому они дают некоторое плавное распределение по инвариантной массе.

Фотоны же от распада хиггсовского бозона дают пик в этом распределении при массе хиггсовского бозона. На LHC этот «пик» составляет всего пару процентов от подложки. Именно из-за наличия фоновых процессов так трудно выделить события хиггсовского бозона. Некоторые каналы распада вообще невозможно выделить из-за фоновых процессов. Это является большим недостатком протонных коллайдеров. На них легче, чем на электрон-позитронных коллайдерах, достичь высокой энергии (поскольку они мало излучают при движении в кольце), но труднее выделить редкий процесс, поскольку протоны имеют довольно большие размеры, часто сталкиваются, разваливаются, создавая фоны.

Для детального изучения нужен электрон-позитронный коллайдер. Для рождения хиггсовского бозона достаточно суммарной энергии 240 ГэВ. Хиггсовский бозон будет рождаться в процессе. Фоны будут очень незначительными, можно будет легко измерить вероятности распада Хиггса в различные состояния. Можно даже изменить вероятность распада в невидимые состояния, регистрируя Z бозон и вычисляя недостающую массу.

Сейчас рассматриваются два варианта электрон-позитронного коллайдера: линейный и кольцевой. Преимущество линейного коллайдера в том, что на нём можно достигнуть существенно более высокой энергии, примерно до 3000 ГэВ. На кольцевом же коллайдере продвинуться выше 300 ГэВ практически невозможно из-за больших потерь энергии на синхротронное излучение. На какую энергию строить электрон-позитронный коллайдер, зависит от того, что обнаружат на LHC. Для этого нужно подождать ещё несколько лет, пока на LHC наберут достаточно статистики на максимальной энергии 2E=14 ТэВ.

- Рассчитывают ли учёные на какую-то новую физику от изучения свойств бозона Хиггса? Совпадают ли свойства бозона Хиггса с теми, что прогнозировались Стандартной моделью?

- Набранных данных пока достаточно только для открытия этой частицы, что это не статистическая флуктуация. Тем не менее можно сказать, что количество обнаруженных частиц и вероятности распада по зарегистрированным каналам близки к предсказаниям самого простого варианта модели хиггсовского бозона, хотя есть некоторые отличия.

Требуется большая точность (больше данных), чтобы делать выводы о том, согласуются ли свойства Хиггса с предсказанными. Любые отклонения будут свидетельствовать о новой физике, будут подсказкой, в каком направлении двигаться дальше.

- Что будет, если все ожидания подтвердились и исследовать здесь больше нечего? Куда будет двигаться физика элементарных частиц? Как будут искать физику за пределами Стандартной модели?

- Вообще-то, хиггсовский бозон — это далеко не конец физики частиц. Это, конечно, хорошо, что нашли недостающее звено Стандартной модели. Однако есть задача ещё более захватывающая. Совсем недавно удалось определить среднюю плотность Вселенной и её состав.

Получилось, что все известные виды материи составляют только около 5 процентов плотности Вселенной. В основном, это барионы (протоны, нейтроны, ядра), а также электроны, фотоны, нейтрино. Около 25 процентов — это «тёмная материя», какие-то неизвестные частицы, которые так же, как и обычная материя, сконцентрированы в галактиках. Это весьма твёрдо установленный факт. Для того чтобы удержать звёзды во вращающихся галактиках (включая наш Млечный Путь), необходима примерно в 5-6 раз большая масса, чем та, что наблюдается в галактиках (звёзды и межзвёздный газ).

Оставшиеся 70 процентов плотности Вселенной составляет «тёмная энергия», некая равномерно распределённая по Вселенной субстанция (возможно, вакуум), вызывающая антигравитацию на больших масштабах и ускоренное расширение Вселенной. Так что и искать новую физику не надо, она есть налицо, а не какие-то малые отклонения от Стандартной модели. Можно считать, что природа просто бросила вызов физикам!