02.09.2018

Распад бозона Хиггса – подтверждение Стандартной теории

Бозон Хиггса получил название в честь шотландского физика Питера Хиггса, опубликовавшего в 1964 году статью «Нарушение симметрии и массы калибровочных бозонов». В ней Хиггс предлагал объяснение того, как бозоны – частицы-носители взаимодействий получают массу. Напомним, что физики насчитывают четыре фундаментальных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное. Осуществляются эти взаимодействия между частицами с помощью обмена бозонами – частицами, спин которых равен целому числу. Электромагнитное взаимодействие переносят фотоны, слабое – W- и Z-бозоны, сильное – глюоны, гравитационное – гравитоны (которые пока не обнаружены). Нарушение симметрии, о котором писал Хиггс, состоит в том, что бозоны теоретически не должны иметь массы. Фотоны и глюоны соответствуют этому постулату. А вот участвующие в слабых взаимодействиях W- и Z-бозоны массу имеют, причем они довольно тяжелые по меркам мира элементарных частиц. Масса W-бозона 80,4 ГэВ/c2, а Z-бозона – 91,2 ГэВ/c2. То есть они примерно в сто раз тяжелее протона и весят примерно как атомы рубидия и технеция, соответственно. Хиггс для объяснения массы бозонов предположил существование особого поля, которое, взаимодействуя с бозонами, наделяет их массой. Квант этого поля – это и есть та самая частица, которую назвали «бозоном Хиггса».

Хиггс не рассчитывал дожить до экспериментального подтверждения своей гипотезы. Но ему это удалось. 4 июля 2012 года на пресс-конференции ЦЕРН обнаружение бозона было подтверждено. Его наличие зафиксировали с достаточной статистической надежностью в результатах экспериментов ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере. В 2013 году Питер Хиггс и бельгийский физик Франсуа Англер, независимо от Хиггса предложивший аналогичную теорию, получили Нобелевскую премию по физике.

Физики предсказали, а затем обнаружили четыре основных пути образования бозона Хиггса. Хиггсовские бозоны рождаются при столкновении частиц (чаще всего протонов) с высокими энергиями, которые достигаются в ускорителе. Но каждое такое событие происходит с очень низкой вероятностью. В Большом адронном коллайдере на 10 миллиардов столкновений частиц рождается всего один бозон Хиггса.

Чаще всего бозон Хиггса возникает, если сталкивающиеся частицы относятся к адронам (например, протоны или антипротоны). В этом случае может произойти слияние двух глюонов, связывающих кварки в протоне. Бозоны Хиггса рождаются в результате слияния глюонов в десять раз чаще, чем остальными способами. Второй по частоте способ – слияние двух бозонов (W и W-бозона или Z и Z-бозона). Это происходит, когда сталкиваются два фермиона, которые обмениваются виртуальными бозонами. Третий путь называют Higgsstrahlung («тормозное излучение бозона Хиггса»). Он возможен при столкновении фермиона с антифермионом, например, кварка и антикварка или электрона с позитроном. Они могут слиться с образованием виртуального W или Z-бозона, который, при наличии достаточной энергии, может затем испускать бозона Хиггса. Наконец, самый редкий способ – рождение вместе с топ-кварками. При взаимодействии двух глюонов, каждый из них распадается на пару топ-кварк и антикварк, причем кварк и антикварк из разных пар затем сливаются, порождая бозон Хиггса.

Оценили физики и возможные варианты распада бозона Хиггса. Распад его наступает неминуемо и очень быстро, предполагаемое среднее время его существования составляет около 1,6 × 10^–22 секунды. Каждый из вариантов распада имеет некоторую вероятность. Один из способов – это расщепление на пару фермион - антифермион (то есть кварк – антикварк, электрон – позитрон, мюон – антимюон, тау-лептон – анти-тау-мюон). Как правило, бозон Хиггса с большей вероятностью распадается на тяжелые фермионы, чем на легкие, потому что масса фермиона пропорциональна силе его взаимодействия с бозоном Хиггса.

Ожидается, что примерно в 58 % случаев бозон Хиггса должен распадаться на b-кварк и b-антикварк (b в названии типа кварка расшифровывают как beauty или как bottom, в русской литературе b-кварки называют также «прелестными кварками»). Но обнаружить этот распад непросто, так как в ходе экспериментов в коллайдере возникает довольно много W и Z-бозонов, которые сами по себе распадаются на b-кварки. Задачей ученых было с достаточной статистической достоверностью обнаружить “избыток” b-кварков, то есть те из них, что порождены в ходе распада бозонов Хиггса.

Раннее об обнаружении таких b-кварков уже объявлялось в 2017 году на конференции по физике высоких энергий, которую проводило в Венеции Европейское физическое общество. Но статистическая достоверность была не столь высока (в эксперименте ATLAS 3,6σ и 1,5σ в эксперименте CMS). Говорить об окончательном успехе это не позволяло, но ученые могли надеяться, что, собрав больше данных, они получат достаточно надежные результаты.

Теперь это произошло. Точно эксперимента сейчас достигла определяющего значения в 5σ, так что можно говорить об окончательном успехе. С одной стороны это радует, с другой – исчезла надежда, что результат окажется другим, отличающимся от вариантов, предсказанных в рамках Стандартной модели. Если бы такое случилось, сенсация была бы куда большей. Но достигнутый сейчас результат не означает конца исследований бозона Хиггса. В ближайшей перспективе ученые должны оценить реальные доли разных вариантов распада бозона Хиггса. Если в совокупности они составят 100 %, теоретические предсказания опять подтвердятся. Если же нет, это будет означает пока еще неизвестный вариант судьбы хиггсовских бозонов, например, взаимодействие их с темной материей.

Максим Руссо

Источники:

1. polit.ru