Бозон Хиггса. Краткая история поиска

Бозон Хиггса. Автор скульптуры — Duco de Klonia.

Не прошло и полувека, как учёные получили в своё распоряжение оборудование, способное подтвердить или опровергнуть теоретические предсказания, касающиеся последней ненайденной элементарной частицы Стандартной модели. Вот как это было.

1964

В октябре английский физик Питер Хиггс публикует статью, в которой предсказывает частицу, получившую впоследствии его имя. Но ещё до него, в августе, бельгийцы Роберт Браут и Франсуа Энглер показывают, как может работать механизм образования массы. В ноябре независимо от всех ещё одна группа, которую составили американцы Дик Хаген, Джеральд Гуральник и британец Том Киббл, выступает с аналогичными идеями.

Поскольку Нобелевскую премию разрешается разделить только между тремя лауреатами, перед наградным комитетом встаёт трудная задача.

1995

Хотя бозон Хиггса ещё не обнаружен, есть доказательства работы соответствующего механизма в рамках Стандартной модели, что позволяет сделать ряд успешных предсказаний, в том числе относительно самой тяжёлой из известных частиц — t-кварка. С помощью «Теватрона» Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (США) его удаётся обнаружить в районе 176 ГэВ — как и было предсказано.

2001

До Большого адронного коллайдера (БАК) у Европейской организации по ядерным исследованиям (CERN) был Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP), который пять лет искал бозон Хиггса с массой около 80 ГэВ, пока не закрылся в 2000 году. Анализ результатов, опубликованный в 2001-м, показал, что масса частицы превышает 115 ГэВ.

2004

В промежутке между закрытием LEP и включением БАК бозон Хиггса могли обнаружить в Чикаго. Данные «Теватрона» поместили бозон Хиггса выше 117 ГэВ (чуть выше досягаемости LEP) с верхним пределом 251 ГэВ.

2007

Эксперименты снижают верхний предел до 153 ГэВ. Поскольку БАК способен сталкивать частицы на более высоких энергиях, чем любой предыдущий ускоритель, он мог вывести из борьбы «Теватрон», но более лёгкий бозон увеличивает шансы Чикаго.

2008

В Большом адронном коллайдере наконец-то начинают циркулировать пучки протонов. В жёлтой прессе — истерия по поводу того, что БАК приведёт к созданию чёрной дыры. После долгого перерыва CERN снова включается в погоню за «частицей Бога», но вскоре утечка газа вынуждает учёных отключить ускоритель до следующего года.

2009

До ноября БАК стоит, тогда как «Теватрон» продолжает работу. Чикаго выступает с заявлением о 50-процентных шансах найти бозон до конца 2010 года.

2010

Блогеры взволнованы слухами о сигнале, полученном на «Теватроне». Но они оказываются ложными.

2011

В апреле слухи вспыхивают с новой силой из-за попадания в Интернет ещё не проанализированных результатов исследования на Большом адронном коллайдере. В сентябре «Теватрон» выключается, не сумев найти бозон Хиггса. В конце года анализ экспериментов ATLAS и CMS намекает на то, что бозон находится где-то в районе 125 ГэВ. Напряжение нарастает.

2012

В феврале БАК увеличивает энергию столкновений с семи до восьми тераэлектронвольт, повышая вероятность обнаружения бозона на 30–40%. В марте данные последнего вздоха «Теватрона» помещают бозон между 115 и 152 ГэВ…

Схема эксперимента ATLAS на Большом адронном коллайдере, который намекнул на бозон Хиггса (изображение Weizmann Institute).

4 июля 2012 года, в Женеве состоялся научный семинар, который подытожила следующая за ним пресс-конференция. Руководство ЦЕРНа огласило обобщенные результаты поиска бозона Хиггса, полученные в ходе обработки экспериментальных данных за 2011-2012 годы. С очень большой вероятностью неуловимая частица найдена. О том, как происходили поиски бозона Хиггса, и в чем заключается важность открытия, рассказали сотрудники ФИАН, участвующие в двух главных экспериментах Большого Адронного Коллайдера (БАК) – CMS и ATLAS.

Важность открытия бозона Хиггса определяется тем, что это – единственная из еще не найденных частиц в так называемой Стандартной модели, описывающей взаимодействия всех известных частиц во Вселенной. Более того, она играет специальную роль, определяя массы всех других частиц, движущихся в хиггсовом поле. Существование бозона Хиггса может объяснить загадку столь различных масс элементарных частиц, начиная от нейтрино и заканчивая топ-кварком. Но доказать его существование не так уж просто.

В результате столкновения протонов во встречных пучках Большого Адронного Коллайдера рождается множество вторичных частиц. Среди них есть относительно долгоживущие частицы, которые могут пролететь сантиметры и метры, а есть короткоживущие, которые, практически не успев отойти от точки своего рождения, распадаются на другие частицы. Бозон Хиггса – крайне короткоживущая частица, она живет ничтожно короткое время и очень быстро распадается. Вариантов распада, или как их называют специалисты, каналов распада, довольно много. Например, в одном случае "частица Бога” может распасться на два Z-бозона (которые в дальнейшем распадаются на 4 лептона), в другом – на два гамма-кванта. Это вероятностный процесс, поэтому предсказать заранее, на какие частицы в каждом конкретном случае распадется искомый бозон нельзя.

Бозон Хиггса и Большой взрыв

"Детекторы на БАКе не могут зарегистрировать бозон Хиггса напрямую, но продукты его распада, которые живут достаточно долго для того, чтобы быть зарегистрированными, могут. Например, лептоны, на которые распадаются Z-бозоны. Однако, и в этом заключается одна из основных проблем, те же самые частицы, на которые распадается Хиггс, могут быть рождены и в результате совершенно других процессов, которые к Хиггс-бозону никакого отношения не имеют. И таких процессов гораздо больше, чем процессов с рождением и распадом бозона Хиггса”, – рассказывает участник эксперимента ATLAS, старший научный сотрудник ФИАН, кандидат физ.-мат.наук Владимир Тихомиров.

Однако когда на руках у археологов имеются найденные спустя много лет кусочки древней вазы или другой диковинной вещи, они могут восстановить ее внешний вид. Так и здесь, имея в арсенале массы и энергии частиц – продуктов распада, ученые могут восстановить массы родительских частиц, в результате распада которых они образовались. Но тут вновь загвоздка. Дело в том, что теория, в рамках которой предсказывается существование бозона Хиггса, – Стандартная Модель, – массу этого бозона не предсказывает.

"”Масса бозона Хиггса в Стандартной модели – это свободный параметр, она может быть любой. Поэтому, в каком диапазоне масс его искать, изначально известно не было”.

", – комментирует участник коллаборации CMS, главный научный сотрудник ФИАН, доктор физ.-мат.наук Игорь Дремин.

Решение этой проблемы следующее. Ученые строят распределение масс частиц, то есть число событий, в которых рождаются частицы с определенными массами, восстановленными по характеристикам возможных продуктов распада, например, пары гамма-квантов. Большинство событий в этом распределении являются фоновыми, поскольку бо́льшая часть регистрируемых пар никакого отношения к бозону Хиггса не имеет. Но если среди всех этих пар гамма-квантов действительно есть те, которые являются результатом распада искомого бозона, то эти пары, с точностью до аккуратности измерений, будут каждый раз давать одну и ту же массу. Тогда на фоновом распределении, составленном из случайных событий, в районе массы искомой частицы будет наблюдаться некий избыток событий в виде дополнительного пика.

Такое же распределение можно построить и для других возможных каналов распада Хиггс-бозона. И если на нем обнаружится пик с тем же значением массы, что и на предыдущем, то это будет свидетельствовать в пользу явной закономерности, за которой, вполне вероятно, кроется бозон Хиггса. Для того, чтобы определить, насколько вероятно, что мы действительно имеем дело с продуктами распада бозона Хиггса, а не со статистическими флуктуациями, привлекают теорию вероятности. Для определения степени достоверности результата ученые должны определить, с какой вероятностью можно случайным образом получить такой же избыток событий в виде дополнительного пика, выходящего за рамки фонового распределения.

Питер Хиггс

Степень статистической достоверности результата принято указывать в количестве так называемых сигма, которые характеризуют размах распределения вероятностей. Чем больше сигм, тем меньше вероятность того, что событие уйдет за пределы распределения случайным образом. Например, для 3 сигма такая вероятность составляет примерно 0.3%, то есть случайно такое возможно примерно в трех случаях из тысячи. Результатом, достойным доверия, в научном сообществе договорились считать только тот результат, который соответствует 5 сигма и больше. Что касается бозона Хиггса, то согласно представленным совместным результатам экспериментов CMS и ATLAS, вероятность того, что избыток событий в одной и той же области масс будет случайным образом получен в результате обработки данных о распаде как на два Z-бозона, так и на два гамма-кванта, меньше 10−6, что соответствует 5 сигма. При этом наиболее вероятное значение массы бозона Хиггса равно примерно 126,5 ГэВ – согласно данным коллаборации ATLAS, и 125,3±0,6 ГэВ – согласно данным CMS.

Слайд из презентации представителя коллаборации CMS Джо Инкандела

Слайд из презентации представителя коллаборации ATLAS Фабиолы Джанотти

Что дальше?

В 2013 году Большой Адронный Коллайдер приостановит свою работу примерно на полтора года. Во время этого длительного перерыва будет происходить подготовка гигантской машины к переходу на полную энергию – 14 ТэВ на два пучка – (в 2011 году было 7 ТэВ, а в 2012 – 8 ТэВ) и полную светимость. Последующий запуск коллайдера на полную мощность позволит детально изучить свойства найденной частицы, в частности, уточнить ее массу и определить вероятности распада по различным каналам. Огромный интерес также представляет и поиск других, не входящих в Стандартную Модель, гипотетических частиц, предсказываемых некоторыми теориями. Так что не исключено, что обнаружение бозона Хиггса – это лишь первый шаг в череде фундаментальных открытий, которые принесут эксперименты на БАК.

Источник МодКос