Содержание
Бозон Хиггса
Поиск динамики, ответственной за нарушение электрослабой симметрии является M2 H± Большая энергия LHC позволит продвинуться в новую кинематическую область по Бозон Хиггса в Стандартной модели Для моделирования в детекторе ATLAS рождение бозон Хиггса в Стандартной Таблица 1. Вероятности различных каналов распада бозона Хиггса рассчитывались программой
В анализе использовались следующие каналы распада бозона Хиггса:
Распад |
Из требований стабильности электрослабого вакуума и того, что
Это особенно существенно для массы самого легкого СР-четного
Они основаны на
На рис.14.1.1а приведены вероятности распада бозона Хиггса и сечения
Используются возможности детектора для регистрации таких фотонов.| Рис.14.1.2 Распределение эффективных масс двух фотонов для распада бозона Хиггса с массой 120 ГэВ при учете дополнительного вещества в детекторе. Темная область соответствует вкладу фотонов с конверсией в детекторе. |
Если попытаться провести поиск бозона Хиггса в инклюзивном анализе, построив
распределение эффективных масс двух фотонов, результат будет малоинформативным.
Слишком велик оказывается вклад фоновых событий. Такое распределение показано на
рис.14.1.3 при порогах поперечного импульса фотонов 40 ГэВ для лидирующего и 25
ГэВ для следующего за лидирующим.
| Рис.14.1.3.Инклюзивный анализ эффективных масс пар фотонов при отборе лидирующего фотона с поперечным импульсом выше 40 ГэВ и выше 25 ГэВ для следующего за лидирующим. |
Здесь фоновые события с двумя реальными
фотонами обозначены как неуменьшаемый фон (irreducible bkg), а события с, по
крайней мере, одним ложным (fake) фотоном обозначаются как сокращаемый фон
(reducible bkg). Доля второго фона составляет 39% от полного сечения фоновых
событий. Для бозона Хиггса с массой 120 ГэВ в массовом окне, определяемом по
ширине ± 1,4σ вокруг центрального значения, содержится 26% сигнальных событий
распада. Сечения различных механизмов генерации бозона Хиггса с массой 120 ГэВ и
сечения различных фоновых событий в этом массовом окне приведены в таблице
14.1.2. Наложение других событий не учитывалось.
Таблица 14.1.2.
Ситуация значительно улучшается, если выбрать события с одной или двумя
адронными струями.
На рис.14.1.4 показано распределение эффективных масс двух
фотонов для событий с дополнительным рождением двух струй, в которых выполнялись
следующие условия отбора: два фотона имеют |η|< 2,7; их поперечные импульсы выше
50 ГэВ и 25 ГэВ для лидирующего и следующего за ним; в событии присутствуют, по
крайней мере, две адронные струи с |η|< 5 и поперечными импульсами выше 40 и 20
ГэВ для лидирующей и следующей за ней, эти струи находятся в разных полусферах
по η и интервал между ними по псевдобыстроте Δη > 3,6. Фотоны должны находиться
в промежутке между струями, а эффективная масса двух струй должна быть больше
500 ГэВ. События, имеющие третью струю с рт
> 20 ГэВ и |η|< 3,2, исключались из анализа. В отобранных таким образом событиях
сигнал от распада бозона Хиггса виден значительно лучше. Ожидаемое сечение
образования бозона Хиггса с массой 120 ГэВ для окна по массе шириной ±2 ГэВ
составляет 1,28 фб.
| Рис.  14.1.4. Спектр эффективных масс пар фотонов в событиях, имеющихдополнительно две адронные струи. Параметры отбора событий приведены в тексте. |
Если использовать в качестве объектов сопровождения для двухфотонного распада
бозона Хиггса сигнал недостающей поперечной энергии Ет
нед и лептон, то относительная доля сигнальных событий станет ещё выше. В этих
событиях преобладает образование бозона Хиггса через состояния WH→lνγγ
и tt̃Н. Результаты такого анализа показаны на рис 14.1.5.
Из-за недостатка статистики результаты приводятся лишь для раздельного
использования сопровождающих объектов на отдельных рисунках (а) и (б). Для
отбора событий используются пороги поперечных импульсов лидирующего и более
мягкого фотонов 60 и 30 ГэВ, поперечный импульс лептона, мюона или электрона, и
недостающей поперечной массы выше 30 ГэВ. В случае реконструированного электрона
исключаются события, когда эффективная масса электрона и одного из отобранных
фотонов близка к массе
Z-бозона (находится между 80 и 100 ГэВ).
Сечение отобранных сигнальных
событий образования бозона Хиггса с массой 120 ГэВ в окне по массе 110-150 ГэВ
составляет 0,12 фб (последний критерий для Z-бозона не применялся).
Оценка сечения фоновых событий составляет 0,067 фб. Однако, фоновые условия
выделения таких событий могут быть недооценены.
| Рис.14.1.5(а). Сигнал и фон для реконструкции бозона Хиггса массой 120 ГэВ при распаде на два фотона в сопровождении лептона с большим поперечным импульсом. |
| Рис.14.1.5(б). Сигнал и фон для реконструкции бозона Хиггса массой 120 ГэВ при распаде на два фотона в сопровождении большой недостающей поперечной массы. |
Кроме анализа на основе критериев отбора, для выделения сигнала бозона Хиггса
используется метод максимума правдоподобия.
При этом, кроме эффективной массы
двух фотонов, учитывается поперечный импульс бозона Хиггса и угол вылета фотона
в его системе покоя относительно направления движения бозона Хиггса в
лабораторной системе. Этот анализ улучшает условия выделения сигнала.
Значимость выделения сигнала бозона Хиггса с массой 120 ГэВ при распаде на
два фотона для интегральной светимости 10 фб-1
при суммировании всех методов составляет величину 3,3 – 3,6. Второе значение
обеспечивает применение метода максимума правдоподобия.
Поиск бозона Хиггса по распаду
H→ZZ*
→ 4l
Наиболее четкий сигнал бозона Хиггса в Стандартной модели ожидается от его
распада на четыре лептона, мюона или электрона, H→ZZ
→ 4l.
Хорошее разрешение в измерении энергии лептонов и линейность реконструкции
обеспечивает появление узкого резонансного пика над гладким фоном. Основной фон
происходит от канала распада двух Z-бозонов:
ZZ
→ 4l.
Наиболее благоприятным для поиска является диапазон масс между 120 и 150
ГэВ, где один из Z-бозонов находится вне массовой поверхности,
образуя при распаде лептоны с более низкими значениями поперечного импульса.
Важны также фоны от событий Zbb̃ → 4l и tt̃→4l.
Для их подавления применяется условие изолированности лептонов.
Набор моделированных событий распада бозона Хиггса H→4l перекрывал область масс от 120 до 600 ГэВ. Анализ этих событий чувствителен
к неопределенностям в учете распределения материала в детекторе ATLAS,
неоднородности магнитного поля детектора, точности знания пространственного
положения Внутреннего детектора и Мюонного Спектрометра. События моделировались
как для процессов лидирующего порядка LO, так и NLO.
На рисунке 14.1.6 приведены полученные распределения реконструированных масс
распадов бозона Хиггса на 4 лептона при разных значениях массы Н-бозона. Видно,
что распределения сигнальных и фоновых событий существенно меняются в
зависимости от массы Н-бозона. Ожидаемая значимость при регистрации бозона
Хиггса на четыре лептона в зависимости от его массы для разных наблюдаемых
лептонов показана на рис.14.1.7 для интегральной светимости 30 фб-1.
Её величина превышает 10 для части значений масс. На ранней стадии эксперимента
важно экспериментально определить вклад фоновых событий
Zbb̃ → 4l и tt̃→4l.
Поиск бозона Хиггса в распадах Н→ττ
Как следует из рис.14.1.1, в области
малых масс вероятность распада Н-бозона на два фотона существенно превышается
более вероятными модами распада на два τ-лептона или два b-кварка. Последние,
несмотря на большое сечение благодаря механизму глюонного слияния и высокой
вероятности распада, достаточно трудно наблюдать из-за большого фона процессов
квантовой хромодинамики. Более результативным может быть поиск бозона Хиггса в
распадах на два τ-лептона, особенно в случае, когда Н-бозон рождается в
сопровождении двух адронных струй с большими поперечными импульсами. Такие
состояния образуются в основном через механизм слияния векторных бозонов VBF. С
другой стороны, в MSSM вероятность распада Н→γγ подавлена и это также делает
актуальным измерение распадов Н→ττ.
Для изучения возможности наблюдать
распад Н→τ+τ—
на начальной стадии эксперимента было выполнено моделирование в полном объеме
распадов с двумя лептонами (ll
), лептоном и адроном (lh) и двумя адронами (hh) для VBF
механизма образования Н. Вследствие малого сечения сигнала идентификация
наблюдаемых частиц в этом анализе очень важна. Кроме того, важен триггер на
лептоны с малым поперечным импульсом и специальный триггер на τ-лептон.
| Рис.14.1.6. Распределения эффективных масс для сигнала бозона Хиггса при распаде на четыре лептона и фона при интегральной светимости 30 фб-1 для разных масс бозона Хиггса: 130 ГэВ (слева вверху), 150 ГэВ (справа вверху), 180 ГэВ (слева внизу) и 300 ГэВ (слева внизу). |
| Рис.  14.1.7. Ожидаемая значимость при регистрации бозона Хиггса на четырелептона в зависимости от его массы для разных наблюдаемых лептонов для интегральной светимости 30 фб-1. |
Для выбора состояний с двумя лептонами (ll) и лептоном и адроном (lh)
использовался простейший триггер на изолированный электрон с рт
≥ 22 ГэВ и изолированных мюон с рт
≥ 20 ГэВ, хотя в детекторе ATLAS существуют возможноcти использования более
сложных конфигураций триггера.
Механизм VBF обеспечивает
специфические свойства струй, многие из которых позволяют эффективно выделять
события сигнала и подавлять фоновые события. Наиболее важной особенностью этого
механизма служит присутствие двух кварковых струй, «меченых» струй, с большими
поперечными импульсами в передней области, разделенных большим интервалом по
псевдобыстроте. Такие события уже рассматривались выше при отборе событий с
распадом на два фотона в сопровождении двух струй.
В таком электрослабом
механизме из-за цветовой когерентности между «мечеными» струями КХД излучение
подавлено и может применяться вето на активность в центральной области. На
рис.14.1.8а показано распределение по псевдобыстроте η струи с максимальным рт
(слева) и второй по величине рт
струи (справа) для сигнала VBF рождения бозона Хиггса с массой 120 ГэВ и его
распада на два мюона(сплошная линия) и фоновых событий. Видно, что струи в
событиях сигнала и фона имеют разное распределении. Для фоновых событий струи
находятся в основном в центральной области, для сигнальных событий – при больших
η. Промежуток по псевдобыстроте между струями для сигнальных событий оказывается
больше, как это демонстрирует рис.14.1.8б. Распределения по эффективной массе
этих же струй показаны на том же рисунке. Видно, что ограничивая величину
эффективной массы струй, можно отсечь большую часть фоновых событий.
| Рис.  14.1.8а. Распределение попсевдобыстроте η струи с максимальным рт (слева) и второй по величине рт струи (справа) для сигнала (сплошная линия) и фоновых событий. |
| Рис.14.1.8б. Распределение по величин интервала псевдобыстроты Δη (слева) между струями с максимальными рт и по эффективной массе этих двух струй (справа) для тех же событий. |
При выделении распадов Н→ττ большое значение имеет также ограничение на
величину поперечной недостающей энергии, так как при распаде τ-лептонов часть
энергии уносят нейтрино.
Для выделения событий Н→ττ, где оба
лептона распадаются по лептонному каналу, критерии выделения сигнала таковы.
После триггера на изолированный лептон требуется наличие двух лептонов одного
типа с противоположными знаками заряда и недостающей поперечной энергией в
событии более 40 ГэВ.
Обе струи τ-лептона должны смотреть в противоположные
стороны по азимутальному угла, чтобы выполнялось условие коллинеарности (cos
(Δφ) > -0,9). В событии должны быть по крайней мере одна струя с рт >
40 ГэВ, и вторая с рт
> 20 ГэВ. Струи при больших η должны быть в разных полусферах и не быть
образованы b-кварками. Промежуток псевдобыстроты между струями при больших η
больше 4,4, а эффективная масса этих струй больше 700 ГэВ. Не должно быть других
струй в центральной области |η| < 3,2 c рт .≥ 20 ГэВ. Массовое окно
для сигнала эффективной массы двух τ-лептонов ± 15 ГэВ относительно массы
Н-бозона.
Совместная аппроксимация распределений сигнальных и фоновых событий при
выделении сигнала Н→τ+τ—
для мод распада τ-лептонов (ll) приведена на рис.14.1.9.
| Рис.14.1.9. Совместная аппроксимация распределений сигнальных и фоновых событий при выделении сигнала Н→τ+τ— для мод распада τ-лептонов (ll).  |
Значимость сигнала распада Н→τ+τ—. ожидаемая для
нескольких значений массы бозона Хиггса при интегральной светимости 30 фб-1
для типов распада τ-лептонов (lh)
и (ll)
показана на рис.14.1.10. Наложение других событий не учитывалось.
| Рис.14.1.10. Значимость сигнала распада Н→τ+τ—, ожидаемая для нескольких значений массы бозона Хиггса при интегральной светимости 30 фб-1 для типов распада τ-лептонов (lh) и (ll). |
Возможен поиск Н-бозона в каналах раcпада Н→WW c рождением Н-бозона за счет
слияния глюонов и механизма VBF, а также распадов Н→WW (*) при ассоциированном
рождении Н с W или tt̃.
Перспективы поиска бозона Хиггса MSSM
При минимальном суперсимметричном расширении Стандартной модели MSSM
возникают два дублета хиггсовских бозонов с тремя нейтральными наблюдаемыми
состояниями и двумя заряженными.
Рождение и распад нейтральных хиггсовских
бозонов в MSSM и Стандартной модели (СМ) отличаются. Если в СМ для масс МН
> 2MW доминируют распады на WW или ZZ, то в MSSM с большими значениями tanβ они
или подавлены (в случае h и Н), или отсутствуют (в случае А). И наоборот,
константа связи с фермионами третьего поколения оказывается большой для всей
области параметров MSSM.
Рождение нейтральных бозонов Хиггса MSSM
Основными механизмами рождения бозона Хиггса служат два, прямое рождение или
ассоциативное, в сопровождении b-кварка. На рис.14.2.1 показаны диаграммы этих
процессов образования бозона Хиггса. Символ Φ обозначает один из трех
нейтральных бозонов А, Н или h.
| Рис.14.2.1. Фейнмановские диаграммы, дающие вклад в образование MSSM бозонов Хиггса. Диаграмма а) соответствует «прямому» рождению, диаграммы от b) до е) дают вклад в ассоциативное рождение с b- кварком.  Символ Φ обозначает один изтрех нейтральных бозонов А, Н или h. |
Механизм «прямого» рождение, диаграмма а), доминирует для области малых
значений tanβ и его сечения значительно больше, чем в СМ. Для области больших
tanβ он также преобладает для малым значений масс бозона А. Сечения этого
процесса для моделирования были вычислены до NLO порядка.
Применяются разные теоретические подходы к вычислению сечений рождения бозона
Хиггса ассоциативно с b-кварком, каждый из них использует одну из диаграмм от b)
до е) в качестве лидирующего приближения LO.
- Сечение процесса gg→bb̃Φ
рассчитано с точностью до NLO для случая, когда оба b-кварка имеют большие
поперечные импульсы, где такие расчеты надежны. Если один или нет b-кварка с
большим рт, сечения в NLO получены интегрированием по импульсу
одного или обоих b-кварков с малыми рт. - Для bb̃→Φ расчеты выполнены
для NLO и NNLO приближения. Они считаются надежными в случае, когда не
требуется наблюдать b-кварк.
- Процесс bg→ bΦ является
смешанным случаем двух предыдущих. Он рассчитан с точностью NLO и надежность
высока, если наблюдается один b-кварк с большим поперечным импульсом в
конечном состоянии. - Процесс qq→ bb̃Φ по
сравнению с gg→bb̃Φ при энергии LHC имеет вклад на уровне 1% и приведен лишь
для полноты изложения.
Сравнение
расчетов для инклюзивных и эксклюзивных сечений показаны на рис.14.2. В
диапазоне масс бозона Хиггса от 100 до 400 ГэВ сечения уменьшаются на два
порядка по величине.
| Рис.14.2.2. Инклюзивные сечения для процесса bb̃→Φ (голубая, или более темная область) и процесса gg→bb̃Φ (красная, или светлая область) на рисунке справа. Эксклюзивные сечения bg→ bΦ (голубая, или более темная область) и gg→bb̃Φ (красная, или светлая область) на рисунке слева. Ширина полос соответствует теоретической неопределенности в выборе шкал ренормализации и факторизации.  |
Рождение и распад заряженных бозонов Хиггса
Стратегия поиска заряженного бозона Хиггса зависит от величины его массы,
которая определяет как сечения, так и наблюдаемые моды распада. Для области масс
Н-бозона ниже массы t-кварка основным механизмом образования служит распад
t-кварка t
→ H+b
, и доминирует канал распада Н-бозона с образование τ-лептона
H+→τ+ν. Выше
области масс t-кварка рождение Н-бозона происходит в основном за счет слияния
глюона g
и b-кварка (gb̃ → t̃ H+). В этой области больших
масс Н-бозона доминирует распад на t и b-кварк
Н+→ t b̃. Распад на
τ+ν остается значимым и более удобным для выделения.
Процесс gg → t̃bH является важным
для области масс Н-бозона вблизи массы t-кварка. Поскольку LHC служит «фабрикой»
tt̃-рождения, легкий бозон Хиггса может также рождаться через процессы qq̃, gg →
tt̃→ t̃bH+.
Помимо доминирующих механизмов рождения, другие процессы
также могут давать вклад в рождение легкого бозона Хиггса. Например, процесс
одиночного образования t-кварка или диаграммы с t̃bH+
в конечном состоянии, но не использующих образование tt̃-пары. В
последующих результатах моделирования вклад одиночного рождения t-кварка не
учитывался.
Сечения рождения заряженного бозона
Хиггса оценивались для двух сценариев MSSM: сценарий А, где распад Н+ — бозона с
образованием суперсимметричных частиц (SUSY-частиц) подавлен, и сценарий В, в
котором масса самого легкого бозона Хиггса h
максимальна. Параметры этих сценариев приведены ниже.
Здесь М SUSY обозначает мягкий массовый параметр нарушения SUSY в секторе
сфермионов, μ параметр смешивания хиггсино, М2 и М3 мягкие массовые параметры
нарушения SUSY в SU(2) секторе глюино и gaugino, соответственно.
Рассчитанные сечения рождения конечного состояния tbH+
как функция величины tanβ приведены на рис.
14.2.3 для сценариев А и В. Сечения
имеют минимум при tanβ ≈ 7. Промежуточная область параметров 4 < tanβ < 10
обусловлена минимумом в значении Юкавской константы связи вершины tbH+
и экспериментально мало доступна.
| Рис.14.2.3. Ожидаемые сечения рождения заряженного бозона Хиггса для сценария А (справа) и сценария В для областей малых и больших масс бозона. |
На рис. 14.2.4 показаны вероятности
различных каналов распада заряженного бозона Хиггса. Для области масс ниже массы
t-кварка заряженный бозон распадается преимущественно на τ-лептон и нейтрино.
При tanβ > 5 вероятность этого канала распада составляет ~ 100%. Моды распада с
cs̃ и
Wh присутствуют, но, в зависимости от величины tanβ, они на один или два
порядка ниже, чем мода τν. Распад W-бозона, образующегося от ассоциированного
t-кварка, добавляет вариативности в наблюдаемые конечные состояния для выделения
заряженного бозона Хиггса и способствует его реконструкции и подавлению фона,
что особенно важно.
Выше порога массы топ-кварка
вероятность канала распада Н+ → t b̃ быстро растет. Он становится
доминирующим, как видно из рисунка14.2.4. В противоположность легкому
заряженному бозону Хиггса, для которого распад на τ-лептон и нейтрино
доминирует, тяжелый заряженный бозон Хиггса распадается не только на t̃b,
но с заметной вероятностью на другие конечные состояния: τ+ν,
cs̃ , W+h
или SUSY-частицы, где это доступно по кинематике. На рис.14.2.4 показаны
рассчитанные вероятности распадов для двух масс заряженного бозона Хиггса как
функция tanβ, легкого 130 ГэВ и тяжелого 600 ГэВ.
| Рис.14.2.4. Рассчитанные вероятности различных каналов распада заряженного бозона Хиггса как функция его массы для сценария В на верхних рисунках, для сценария А (слева) и сценария В на нижних в зависимости от tanβ.  |
Результаты моделирования наблюдения
нейтрального MSSM бозона Хиггса А/Н
/h →μμ
В Стандартной модели такой распад бозона Хиггса очень мало вероятен. В MSSM
при больших значениях он имеет большую вероятность и поэтому может быть
использован или для его наблюдения, или исключения большой области в простанстве
параметров mA-tanβ. Аналогичный распад на два τ-лептона также является
перспективным для анализа, но мюоны в детекторе ATLAS имеют преимущества при
регистрации по точности измерений и идентификации.
На рис. 14.2.5 показаны моделированные спектры мюонов от распада А-бозона при
разных значениях массы вместе с оценками фона. Видно, что сигнал А-бозона хорошо
выделяется при больших поперечных импульсах мюонов, по крайней мере, для
значений масс больше 110 ГэВ. Условие изолированности мюонов эффективно
подавляет фон от рождения tt̃ – пар. Применяются дополнительные требования
подавления адронной активности в отбираемых событиях с использованием выделенных
b-струй в коичестве 0 или 1.
| Рис.14.2.5. Расчетные спектры мюонов от распада А-бозона при разных значениях массы вместе с оценками фона. |
На рис.14.2.6 показаны спектры эффективных масс пар мюонов в отобранных
событиях сигнала и фона для двух значений массы нейтрального бозона Хиггса.
| Рис.14.2.6. Спектры эффективных масс пар мюонов в событиях сигнала и фона для двух значений массы нейтрального бозона Хиггса с триггером на выделенную b-струю (0 или одна) для масс бозона Хиггса 150, 200 и 300 ГэВ и значением tanβ=30. |
| Рис.14.2.7. Значения tanβ, при которых возможно наблюдения нейтрального бозона Хиггса на уровне 5σ при соответствующих значениях параметра mA для интегральной светимости 10 фб-1 и 30 фб-1 (слева).  Области исключения соответствующих параметров на95% уровне достоверности – справа. |
Регистрация невидимого распада нейтрального бозона Хиггса MSSM
Многие расширения Стандартной модели включают распад бозона Хиггса на
невзаимодействующие частицы, например, наиболее легкие SUSY-частицы (LSP), такие
как нейтралино, гравитино, гравитоны и другие. В случае MSSM, при сохранении
R-четности, распад бозона Хиггса на пару нейтралино будет в некоторых случаях
доминировать. Поскольку в рождение бозона Хиггса при энергии LHC дают вклад
разные механизмы, то для выделения невидимого распада Н-бозона можно выбрать
варианты с характерными особенностями событий. Такую возможность дает механизм
слияния векторных бозонов (VBF) qqH,
tt̃H
и процесс ассоциативного рождения ZH
и W±H. Механизм слияния глюонов предсказывает
значительно большие сечения, но не дает характеристик для выделения невидимого
распада Н-бозона.
| Рис.14.2.8. Диаграмма процесса VBF. Символ V обозначает Z или W. |
Диаграмма процесса VBF приведена на рис.14.2.8 для qqH механизма рождения
Н-бозона. Он характеризуется присутствием в событии двух кварковых струй,
образованных при взаимодействии кварков, и большой недостающей энергии от
распада Н-бозона.
Оценки наблюдения Н-бозона получены для значений его массы в интервале между
110 и 250 ГэВ. Триггерный отбор использует комбинацию триггеров на большую
недостающую поперечную энергию Енед > 70 или 100ГэВ, в зависимости от
светимости, и центральную и переднюю струи с рт больше 23 ГэВ.
Для выделения сигнала используется два метода. Первый основан на применении
критериев отбора, второй на анализе формы события. Оба метода включают условие
большой разности азимутальных углов для меченых струй.
Процедура отбора событий выделяет две меченых струи от процесса VBF с РТ > 40
ГэВ в области |ηj| < 5. Струи должны находиться в разных полусферах и разность
Δη > 4,4. Величина недостающей энергии должна быть больше 100 ГэВ. На рис.14.2.9
показаны эффективная масса двух меченых струй и величина недостающей поперечной
энергии для сигнала невидимого бозона Хиггса с массой 130 ГэВ и трех типов
фоновых событий. Отмечены критерии отбора событий.
| Рис.14.2.9. См.текст. |
На рис.14.2.10 показаны переменная изолированности недостающей энергии I,
определенной как минимальное значение разности азимутальных углов между
недостающей энергией и струей, и разность азимутальных углов φjj струй для
сигнала невидимого бозона Хиггса с массой 130 ГэВ и трех типов фоновых событий.
| Рис.  14.2.10. Переменная изолированности недостающей энергии I (слева) иразность азимутальных углов φjj для сигнала невидимого бозона Хиггса с массой 130 ГэВ и трех типов фоновых событий. Распределения нормированы на единицу. |
Важный особенностью поиска VBF бозона Хиггса служит электрослабая природа
сигнала. Это означает, что на древесном уровне отсутствует цветовой обмен между
взаимодействующими кварками. Хотя W + jet и Z+jet фоны включают и электрослабую,
и КХД составляющие, в сечении доминирует КХД вклад. Поэтому, в отличие от
сигнала, большая часть фоновых событий имеет КХД струи в центральной области.
Присутствие этого дополнительного КХД излучения между мечеными струями служит
мощным фактором подавления фона. На деле эта особенность маскируется вкладом
сопутствующих событий и наложением других протонных взаимодействий и
эффективность его применения снижается. Можно использовать запрет на присутствие
лептонов в центральной области. Оставшийся фон обусловлен событиями Z→νν.
Но
лептоны выделяются лишь для области |η| < 2,5. Область с |η| > 2,5 оставляет
ложные события.
Анализ показал, что при интегральной светимости 30 фб-1 возможно
зарегистрировать VBF невидимый бозон Хиггса в широком интервале масс, если его
сечение за счет вклада процессов вне Стандартной модели составляет не менее 60%
от сечения Стандартной модели.
Диаграмма процесса ассоциативного рождения ZH
показана на рис.14.2.11 (слева). Сигнал невидимого бозона Хиггса может быть
зарегистрирован за счет двух лептонов от распада Z-
бозона Z→ll. Присутствие невидимого Н-бозона регистрируется
за счет большой недостающей поперечной энергии.
| Рис.14.2.11. См.текст. |
На рис.14.2.11 (справа) показана схема такого распада Н на два нейтралино.
Частицы χ0, обозначающие этот распад, компенсируют поперечные импульсы лептонов
от распада Z-
бозона.
Для анализа используются
стандартные критерии для лептонов и условие на величину недостающей поперечной
энергии Енед > 100 ГэВ. Кроме этого, применяются критерии условия компенсации
поперечных импульсов лептонов и недостающей энергии и другие. Процедура анализа
использует многопараметрический метод анализа BDT (Boosted Decision Tree).
Чувствительность наблюдения
невидимого распада бозона Хиггса для обоих случаев (VBF и
ZH рождения)
показана на рис.14.2.12.
| .Рис.14.2.12. Чувствительность наблюдения невидимого распада бозона Хиггса для случаев VBF (темные символы) и ZH рождения (открытые символы) для 30 фб-1 на уровне достоверности 95%. Учтен фон Стандартной модели и систематические погрешности. Величина чувствительности ξ2 определена как число сигнальных событий, необходимых, чтобы увеличить полное количество событий (счет) на фактор, в 1,64 раза превышающий неопределенность в числе фоновых событий: 1.  64 σв= Nc ξ2, здесь Nc – число сигнальных событий после отбора, σв = √NB, где NB – число фоновых событий. |
Поиск заряженного бозона Хиггса
Заряженный бозон Хиггса
предсказывается многими моделями с расширенным хиггсовским сектором, например,
модель с двумя хиггсовскими дублетами (2HDM), модели с хиггсовскими триплетами,
включая модель малого Хиггса (Little Higgs Models).
Его открытие было бы убедительным
сигналом физики вне Стандартной модели, первым экспериментальным свидетельством
справедливости модели MSSM, если она реализуется в природе, и масштаб масс
суперсимметричных частиц достаточно велик, чтобы сделать их ненаблюдаемыми.
Стратегия поиска заряженного бозона
Хиггса зависит от предположения о его массе, которая определяет сечение его
рождения и вероятные каналы распада. В области масс ниже массы t-кварка основным
механизмом рождения является распад t-кварка, t→H+b, а доминирующим каналом
распада Н→τν.
Положительных заряд бозона Хиггса имеет условное значение,
отрицательный заряд присутствует на равных правах. В области больших масс
основной вклад в рождение дает процесс слияния глюона и b-кварка, gb→tH+, а
основным каналом распада служит распад на t и b-кварки, Н+→ tb.
Поиск заряженного Н-бозона
использует несколько объектов, реконструируемых на высоком уровне, таких как
электроны, мюоны, струи, образованные b-кварком или τ-лептоном. Эти объекты
реконструируются специально разработанными алгоритмами ATLAS. Конечные
состояния, отбираемые триггером, содержат от двух до четырех b-струй, легкие
струи от адронных распадов W-бозонов, одно или более нейтрино от W или Н
распадов, τ-лептоны, распадающиеся с образованием адронов или на электрон, или
мюон, и нейтрино.
Поиск легкого заряженного бозона Хиггса
В случае, если заряженный бозон
Хиггса имеет малую массу, то вероятность распада t→ bW не близка к единице, как
это предсказывает Стандартная модель.
Это означает, что основной ожидаемый фон
от распадов tt̃-пар Стандартной модели меньше на вклад распадов заряженного
бозона Хиггса. Этот эффект учитывается в анализе. Рассматривались три канала
распада легкого Н+-бозона:
tt̃→
bН+bW→ bτ(адр) νbqqtt̃→
bН+bW→ bτ(лепт) νbqqtt̃→
bН+bW→ bτ(адр) νb lν
где τ-лептон распадается по
адронному каналу τ(адр) или лептонному τ(лепт),
l обозначает электрон или мюон.
Анализ приводился для светимости 1033 см-1с-1 для сценария В модели MSSM. После
применения оптимизированных критериев отбора для каждого канала были получены
распределения событий сигнала и фона. На рис. 14.2.13 на верхнем рисунке
показаны распределения поперечных масс Н+ для первого канала и для второго
канала на нижнем. Масса Н+ в первом случае 130 ГэВ, сечение соответствует
значению tanβ = 20, нижняя заштрихованная область гистограммы соответствует
только фону Стандартной модели.
На нижних рисунках приведены распределения
поперечных масс W (а) и Н+ бозона (b) для значения его массы 110 ГэВ и величине
tanβ = 20. Темная область и пунктир на рисунках соответствуют фоновым событиям.
Статистическая значимость сигнала оценивается по совместной аппроксимации двух
этих распределений.
Рис.14.2.13. Распределения |
Для третьего канала количество
отобранных событий сигнала мало и оценка эффективности его наблюдения
вычислялась путем многопараметрической аппроксимации, с учетом распределений по
недостающей поперечной энергии, множественности струй, поперечного импульса
τ-лептона. На рис. 14.2.14 на верхних рисунках показаны контуры областей
параметров модели( масса Н+ и tanβ), где возможно наблюдение этого канала на
уровне 5σ (слева) и области, которые можно будет исключить на уровне 95%
достоверности в случае отсутствия сигнала (справа), при разных значениях
интегральной светимости.
Канал два имеет аналогичные предсказания. Наибольшую
область параметров перекрывает первый канал. Его ожидаемые результаты приведены
на нижних рисунках.
| Рис.14.2.14. Ожидаемые результаты для канала tt̃→ bН+bW→ bτ(адр) νb lν (вверху) и канала tt̃→ bН+bW→ bτ(адр) νbqq (внизу).См. текст. |
Поиск тяжелого Н+ бозона
Для анализа рождения Н+ бозона с массой, превышающей массу t-кварка, были
выбраны два канала распада:
- gg/
gb
→ t
[b]
H+ → bqq[b]
τ(адр) ν - gg/
gb
→ t
[b]
H+→
t
[b]
tb
→bW[b]bWb→
blν[b]bqqb.
Символ [b] обозначает дополнительный b, присутствующий в механизме рождения
gg→tb H+, и отсутствующий в канале рождения
gb
→ t H+. Анализ выполнен для светимости 10
33см-1с-1 в сценарии В.
Сигнал в случае распада Н+→τν характеризуется жесткой струей τ-лептона,
большой недостающей поперечной энергий из-за присутствия нейтрино, одной или
двух b-струй, двух легких струй, W и t, которые должны быть реконструированы в
событии.
Основной фон составляют события с рождением tt̃ –пар кварков, в
особенности когда один из них распадается в образованием τ-струи и нейтрино, t→
b τ(адр) ν, а другой по адронному каналу, t→ bqq. Другими источниками фона
служат одиночное рождение t-кварка, W+струи и многоструйные КХД события.
Реконструкция W и t позволяет подавить эти фоны. Распределения событий сигнала и
фона по поперечной массе Н+ после всех отборов приведены на рис.14.2.15 для трех
значений массы Н+ 170, 250 и 400 ГэВ. Сечения сигнала и фона соответствуют
значению tanβ = 35. Более темные (или голубые) области соответствуют событиям
сигнала.
| Рис.14.2.15. Распределения поперечных масс Н+ для канала gg/ gb → t [b] H+ → bqq[b] τ(адр) ν для трех значений массы Н+ 170, 250 и 400 ГэВ. Фон соответствует значению tanβ = 35. |
Сечения выделенных событий составляют 14,7 фб, 2,9 фб и 0,58 фб для трех
значений массы Н+, соответственно.
Для массы 600 ГэВ выделяемое сечение
составляет 0,1фб, также для значения tanβ = 35. Соответствующие значения
параметров для случая наблюдения сигнала и его исключения показаны на рис.
14.2.16.
| Рис.14.2.16. Ожидаемые результаты для открытия (слева) и контуры исключения для канала gg/ gb → t [b] H+ → bqq[b] τ(адр) ν. |
Поиск сигнала в канале gg/
gb
→ t
[b]
H+→
t
[b]
tb
→bW[b]bWb→
blν[b]bqqb требует регистрации трех (или четырех) струй от
b-кварков, двух струй от легких кварков одного лептоны с большим поперечным
импульсом и нейтрино. Кроме того, при реконструкции дают вклад дополнительные
струи сопутствующих событий, что приводит к увеличению множественности струй.
Анализ включает ограничения параметров отбора и многопараметрический анализ
максимума правдоподобия. Реконструированные события сигнала и фона показаны на
рис.
14.2.17 для масс Н+ 200, 250, 400 и 600 ГэВ. Значения параметра tanβ
выбиралось таким, чтобы статистическая значимость сигнала в распределениях
составляла 5. Распределения для суммы сигнала и фона показано точками, темные
области соответствуют фоновым событиям.
| Рис.14.2.17. Реконструированные события сигнала и фона для масс Н+ 200, 250, 400 и 600 ГэВ в канале gg/ gb → t [b] H+→ t [b] tb →bW[b]bWb→ blν[b]bqqb. Пояснения см. текст. |
В качестве примера ниже приведена
таблица 10 результатов выделения сигнала и фона этого процесса. В ней показаны
сечения наблюдаемого сигнала Н+
в фб и эффективности выделения для разных значений масс Н+. Приведены
также сечения фоновых событий разных процессов с соответствующими
эффективностями регистрации. Результаты соответствуют значению tanβ = 35.
Как и в других расчетах, для этих результатов большое значение имеет оценка
систематических погрешностей наблюдения сигнала.
В итоге, анализ для пяти значений массы заряженного бозона Хиггса,
выполненный в ATLAS, показал, что уже при интегральной светимости 1 фб-1 можно
будет улучшить контуры областей, исключающих рождение Н+. Более значимые
результаты требуют реконструкции объектов высокого уровня и, соответственно,
большей светимости.
Объединенные данные для трех каналов распада легкого Н+
могут обеспечить наблюдение Н+
при 10 фб-1, что перекроет все значения параметра tanβ от 20 до 4 во
всем диапазоне масс Н+ до примерно 150 ГэВ. Для промежуточных значений tanβ ≈ 7
рождение Н+
может быть исключено. Использование большей статистики моделированных событий
может улучшить результаты и для промежуточных значений tanβ.
Наблюдение тяжелого Н+ более вероятно в τν канале распада, где,
несмотря на меньшую вероятность такого распада, возможно более эффективное
подавление фона.
Потенциал открытия в сценарии В MSSM
зависит от значения массы Н+, и возможен в области параметров от
массы 200 Гэв и tanβ=28 до массы 350 ГэВ и tanβ=58 при интегральной светимости
30 фб-1.
Разработаны для применения
процедура, позволяющие комбинаторно учесть разные каналы распадов бозона Хиггса
для суммарной оценки его сечения или областей исключения его образования. Эти
процедуры позволяют также объединять результаты разных экспериментов с учетом
систематических погрешностей и вклада фонов.
10 лет со дня открытия бозона Хиггса
Фото 1. П.Хиггс
Фото 2: Т.
Киббле, Дж. Гуралник, Дж. Хаген, Ф. Энглер, Р. Браут. Авторы механизма спонтанного нарушения симметрии вакуума, следствием которого является появление бозона Хиггса.Фото 3: Графики из статей коллабораций ATLAS и CMS, свидетельствующих об открытии бозона Хиггса.
Фото 4: Обложка журнала, где вышли статьи ATLAS и CMS, и обложка одного журналов с заголовком о гигантском научном прорыве.
Киббле, Дж. Гуралник, Дж. Хаген, Ф. Энглер, Р. Браут. Авторы механизма спонтанного нарушения симметрии вакуума, следствием которого является появление бозона Хиггса.Понедельник, 04 июля 2022
4 июля 2012 года в ЦЕРН (Женева) экспериментами ATLAS и CMS Большого адронного коллайдера (БАК) было объявлено об открытии новой частицы, которая оказалась бозоном Хиггса Стандартной модели (СМ).
Это ознаменовало новую эпоху в фундаментальной физике: завершены почти полувековые поиски, казалось бы, неуловимой частицы, которая была последней в ряду уже давно известных элементарных частиц СМ, сформулированной еще во второй половине 1960-х.
Объявление коллаборациями ATLAS и CMS 4-го июля 2012 г. в ЦЕРН об эпохальном открытии бозона Хиггса не только произвело фурор в мировом физическом сообществе и имело широкий общественный резонанс. Впервые, после почти 50-летних поисков, была, наконец, открыта необычная частица, являющаяся квантом вакуумного поля и обеспечивающая массу всем известным массивным элементарным частицам.
Теория, составляющая сейчас основу Стандартной модели (СМ), была предложена в 1960-х гг. для объединения электромагнитных и слабых взаимодействий, и имела в то время существенную и, казалось бы, нерешаемую проблему. С одной стороны, теоретический принцип локальной калибровочной инвариантности требовал безмассовости калибровочных векторных бозонов, аналогично фотону, а с другой, экспериментальные данные указывали на то, что они должны иметь огромную массу: в десятки раз превышающую массу протона — самой тяжелой из известных на то время элементарных частиц.
Элегантный, но весьма нетривиальный выход предложили Р. Браут, Ф. Энглер, П. Хиггс, а также К. Хаген, Дж. Гуралник и Т. Киббл в 1964 г. Предложенный ими подход получения массы калибровочными векторными бозонами основывался на механизме спонтанного нарушения симметрии, который предложили в физике конденсированного состояния Л.Д. Ландау, В.Л. Гинзбург, Дж. Бардин, Л. Купер, Дж. Шриффер, Н.Н. Боголюбов, и затем разрабатывался в квантовой теории поля Ю. Намбу, Дж. Голдстоуном и Ф. Андерсоном. Вследствие такого механизма при взаимодействии с вакуумным полем электрослабые векторные бозоны приобретали массу, не нарушая основной принцип построения современной калибровочной квантовой теории поля. Другим наблюдаемым следствием механизма спонтанного нарушения при нетривиальном взаимодействии с вакуумом являлось появление необычного скалярного бозона, названного по имени П. Хиггса — одного из авторов предложенной идеи.
Начиная с 1964 г. проводились безуспешные экспериментальные поиски найти бозон Хиггса, непрекращающиеся попытки теоретиков обойтись без него, а также исключительная роль этой частицы в современной физике фундаментальных взаимодействий сделали ее легендарной.
Сотни тысяч физиков по всему миру наблюдали по телевидению и интернету объявление в ЦЕРН об открытии бозона Хиггса коллаборациями ATLAS и CMS после полутора лет с начала работы Большого адронного коллайдера (БАК). За теоретическое предсказание бозона Хиггса Ф. Энглер и П. Хиггс были удостоены Нобелевской премии 2013 г.
Бозон Хиггса дал физикам огромное поле для исследований, будучи квантом вакуума, бозон Хиггса может оказаться порталом в еще неизвестный мир за пределами СМ. Изучение свойств бозона Хиггса, поиски его распадов, в частности, на частицы Темной материи, является одним из ключевых направлений исследований на БАК и будущих коллайдерах. Уже 5 июля 2022 г. начинается новый 3 Сеанс БАК, где на увеличенной до 13.6 ТэВ энергии столкновений протонов, будут проводиться новые исследования свойств бозона Хиггса и поиски проявлений Новой физики за пределами СМ.
Сотрудники Отделения физики высоких энергий (ОФВЭ) НИЦ КИ — ПИЯФ принимают активное участие в исследованиях CMS и ATLAS, являясь частью большой международной команды.
Физики и инженеры ОФВЭ внесли и вносят большой вклад как в проектирование, строительство, эксплуатацию и модернизацию этих экспериментальных установок, так и в обработку и анализ экспериментальных данных. 20 сотрудников ОФВЭ являются соавторами открытия бозона Хиггса.
год назад открыли бозон Хиггса – Москва 24, 04.07.2013
Фото: ИТАР-ТАСС
4 июля – знаковая дата для современной науки. Ровно год назад ученые Европейского центра ядерных исследований заявили об открытии бозона Хиггса. Почему ученые всего мира стремились найти его и что особенного в этой частице – рассказывает M24.ru.
Почему бозон Хиггса был так нужен ученым
Люди всегда стремились найти ответ на вопрос, как возник мир и что послужило толчком для его создания. Начиная с тех времен, когда люди еще верили в то, что мир стоит на огромной черепахе, ученые старались построить теорию, которая описывала бы процесс возникновения мира.
Первой научной теорией, которая пыталась ответить на вопрос о сущности физических процессов, была теория гравитации Ньютона, совместно с его классической механикой.
Теорию тяготения Ньютона «подвинула» в сторону теория относительности Эйнштейна, которая оказалась более точной в описании физических процессов, происходящих во Вселенной.
Однако и теория относительности не могла описать, как возникла Вселенная. Согласно современным представлениям, около 15 миллиардов лет назад все вещество во Вселенной было сжато в одну бесконечно малую точку, после чего произошел взрыв, давший начало тому миру, который сейчас вокруг нас. Но теория относительности и ее положения не могут ответить на вопрос, как именно возникла Вселенная – все физические законы неприменимы для вещества бесконечной плотности, сжатого в точку.
Фото: ИТАР-ТАСС
Ученые стремятся найти «теорию всего» (как любит выражаться британский астрофизик Стивен Хокинг), которая описывала бы все процессы во Вселенной и могла ответить на вопрос о ее возникновении. После того, как теория относительности не смогла предсказать поведение частиц сразу после Большого взрыва, ученые начали рассматривать две теории – супергравитацию и бозонную теорию струн.
Начиная с 90-х годов прошлого века ученые начали склоняться к тому, что ответ на вопрос о возникновении Вселенной сможет дать именно теория струн.
В рамках стандартной модели теории струн за массу элементарных частиц отвечает другая частица, получившая название бозон Хиггса – по имени ученого Питера Хиггса, предсказавшего его существование в 1964 году.
Обнаружение бозона Хиггса помогло бы ответить на вопрос, как возникла Вселенная и почему элементарные частицы тоже обладают массой, а согласно результатам недавних исследований массой обладают даже нейтрино. Ранее считалось, что эти частицы, слабо взаимодействующие с веществом, не обладают собственной массой.
Ради обнаружения бозона Хиггса был запущен такой проект, как Большой адронный коллайдер. Строго говоря, поиск «частицы Бога» не был его единственной целью, но являлся одним из основных направлений экспериментов на коллайдере.
Фото: ИТАР-ТАСС
Согласно современным теориям, после Большого взрыва частицы приобрели массу под воздействием особого поля, которое образовали бозоны Хиггса.
Таким образом, бозон Хиггса был последним «кирпичиком» в стандартной модели Вселенной. Для разработки единой модели, которая смогла бы ответить на вопрос о сотворении мира, не хватало только его. Поэтому бозон Хиггса стали называть «частицей Бога», поскольку его открытие дало бы ответ на то, что религии относят к «Божьей сфере деятельности».
Открытие бозона Хиггса
«Частица Бога», или бозон Хиггса может погубить Вселенную
4 июля прошлого года ученые из Европейского центра ядерных исследований официально объявили – бозон Хиггса открыт! Впрочем, ученые были весьма осторожны: по их словам, подтвердить открытие бозона Хиггса могли только дальнейшие тесты.
Совершить переворот в науке ученым помог Большой адронный коллайдер – в ходе экспериментов исследователи наблюдали частицу, которая обладала всеми характеристиками бозона Хиггса.
В поисках бозона принимали участие ученые со всего мира, в том числе специалисты из России. В итоге обнаружить частицу, имеющую поразительное сходство с бозоном, удалось, разогнав до скорости света пучки протонов в 27-километровом тоннеле коллайдера.
После того, как ученые проанализировали результаты наблюдений, мир облетела шокирующая новость – «частица Бога» обнаружена.
Последние опасения скептиков были рассеяны в марте 2013 года, когда физики ЦЕРН, проведя еще несколько тестов, официально заявили о том, что обнаруженная почти год назад частица действительно является бозоном Хиггса.
Фото: ИТАР-ТАСС
Над чем работают ученые после открытия бозона Хиггса
Несмотря на то, что исследователям удалось обнаружить частицу, существование которой отвечает на вопрос «Почему во Вселенной действуют именно такие физические законы?», универсальную теорию всего ученым создать пока не удалось.
Работы по ее созданию ведутся специалистами из многих стран, которые пытаются объединить в единое целое существующие теории струн (а их не одна и не две) и соотнести их с двумя другими научными теориями, которые были созданы еще в начале XX века – теорией относительности и квантовой механикой.
Так или иначе, открытие бозона Хиггса, независимо от того, какие шаги в дальнейшем предпримут ученые разных стран для создания Единой теории всего, стало важнейшим событием мира науки в новом тысячелетии.
Василий Макагонов
наука ученые бозон Хиггса обо всем
Что такое бозон Хиггса? Доказали ли физики, что он действительно существует?
Стивен Рекрофт из группы физики элементарных частиц Северо-восточного университета дает вступительный ответ:
«За последние несколько десятилетий физики элементарных частиц разработали элегантную теоретическую модель (Стандартную модель), которая дает основу для нашего нынешнего понимания фундаментальных частиц и сил природы. Одним из основных компонентов этой модели является гипотетическое вездесущее квантовое поле. предполагается, что оно ответственно за придание частицам их масс (это поле могло бы ответить на основной вопрос, почему частицы имеют те массы, которые они имеют, или, более того, почему они вообще имеют какую-либо массу).Это поле называется полем Хиггса. Вследствие корпускулярно-волнового дуализма все квантовые поля имеют связанную с ними фундаментальную частицу.Частица, связанная с полем Хиггса, называется бозоном Хиггса9.
0005
«Поскольку за массу отвечает поле Хиггса, сам факт, что фундаментальные частицы имеют массу, рассматривается многими физиками как указание на существование поля Хиггса. Мы даже можем взять все наши данные по физике элементарных частиц и интерпретировать их. с точки зрения массы гипотетического бозона Хиггса. Другими словами, если мы предположим, что бозон Хиггса существует, мы можем сделать вывод о его массе, основываясь на том влиянии, которое он окажет на свойства других частиц и полей. Однако действительно доказали, что бозон Хиггса существует. Одна из главных целей физики элементарных частиц на следующие пару десятилетий — доказать раз и навсегда существование или несуществование бозона Хиггса».
Другой, более развернутый ответ поступил от Говарда Хабера и Майкла Дайна, профессоров физики Института физики элементарных частиц Санта-Крус Калифорнийского университета в Санта-Круз:
«Большая часть сегодняшних исследований в области физики элементарных частиц сосредоточена на поиске частицы, называемой бозоном Хиггса.
Эта частица — единственная недостающая часть нашего нынешнего понимания законов природы, известного как Стандартная модель. Эта модель описывает три типа силы: электромагнитные взаимодействия, вызывающие все явления, связанные с электрическими и магнитными полями и спектром электромагнитного излучения, сильные взаимодействия, связывающие атомные ядра, и слабое ядерное взаимодействие, управляющее бета-распадом — формой естественной радиоактивности — и синтез водорода, источник солнечной энергии (Стандартная модель не описывает четвертую силу, гравитацию).0005
«В нашей повседневной жизни электромагнетизм является наиболее знакомым из этих взаимодействий. До относительно недавнего времени это было единственное, которое мы хорошо понимали. Однако с 1970-х годов ученые пришли к почти одинаковому пониманию сильных и слабых взаимодействий. За последние несколько лет в экспериментах с высокими энергиями в ЦЕРН, европейской лаборатории физики элементарных частиц, недалеко от Женевы и в Стэнфордском центре линейных ускорителей (SLAC), физики провели точные проверки Стандартной модели.
Кажется, она дает полное описание естественного мира до масштабов порядка одной тысячной размера атомного ядра.0005
«Частица Хиггса связана со слабым взаимодействием. Электромагнетизм описывает частицы, взаимодействующие с фотонами, основными единицами электромагнитного поля. Параллельно современная теория слабых взаимодействий описывает частицы (частицы W и Z ) взаимодействуя с электронами,нейтрино,кварками и другими частицами.Во многих отношениях эти частицы похожи на фотоны.Но они также разительно отличаются.Фотон наверное вообще не имеет массы.Из экспериментов мы знаем,что фотон не может быть больше массивнее, чем тысяча миллиардов миллиардов миллиардов миллиардных (10 -30 ) масса электрона, и по теоретическим причинам мы считаем, что он имеет ровно нулевую массу. Однако частицы W и Z имеют огромные массы: более чем в 80 раз больше массы протона, одного из компонентов атомного ядра.
«Огромные массы частиц W и Z представляют собой загадку.
Если просто постулировать, что эти частицы взаимодействуют с известными элементарными частицами и имеют большую массу, теория несостоятельна. (Например, Стандартная модель будет предсказывают, что вероятность столкновения двух частиц с очень высокими энергиями будет больше единицы, что физически невозможно!) Чтобы решить эту проблему, должны быть дополнительные частицы.Простейшие модели, объясняющие массы W и Z имеют только одну такую частицу: бозон Хиггса. Есть и другие предложения, многие из них более экзотические. Например, может быть несколько бозонов Хиггса, совершенно новые типы сильных взаимодействий и возможная новая фундаментальная физическая симметрия, называемая суперсимметрией.
«Если существует бозон Хиггса, масса которого меньше массы частицы Z , физики обнаружат его в течение следующих двух лет на большом ускорителе в Женеве, известном как LEP (Большой электрон-позитронный коллайдер). LEP ускоряет электроны и их близнецов из антивещества (позитронов) до очень высоких энергий, а затем позволяет им столкнуться.
Если бозоны Хиггса имеют большую массу, они могут быть открыты в Национальной ускорительной лаборатории Ферми в Батавии, штат Иллинойс, на рубеже веков. В противном случае мы очень вероятно, что они будут обнаружены на новом ускорителе LHC (Большом адронном коллайдере), запуск которого в ЦЕРН запланирован на 2005 год. Открытие бозона Хиггса было одной из основных задач, запланированных для сверхпроводящего суперколлайдера, который Конгресс США отменил. в 1993.
«В целом, бозон Хиггса является критически важным компонентом для завершения нашего текущего понимания Стандартной модели, теоретического здания физики элементарных частиц. Различные типы бозонов Хиггса, если они существуют, могут привести нас к новым областям физики за пределами Стандартной модели. .»
И Крис Куигг, научный сотрудник отдела теоретической физики Национальной ускорительной лаборатории Ферми, представляет подробный обзор:
«Главная задача в физике элементарных частиц сегодня — понять, что отличает электромагнетизм от слабых взаимодействий, которые управляют радиоактивностью и выходом энергии Солнца.
Фундаментальные взаимодействия между частицами происходят из симметрии, которую мы наблюдали в природе».0005
«Одним из недавних великих достижений современной физики является квантовая теория поля, в которой слабые и электромагнитные взаимодействия понимаются как возникающие из-за общей симметрии. Эта «электрослабая теория» была подробно подтверждена, особенно экспериментами на коллайдере LEP в ЦЕРН. .Хотя слабое и электромагнитное взаимодействия связаны симметрией, их проявления в повседневном мире весьма различны.Влияние электромагнетизма распространяется на бесконечные расстояния, тогда как влияние слабого взаимодействия ограничивается субъядерными размерами, меньше примерно 10 -15 см. Это различие напрямую связано с тем, что фотон, переносчик силы электромагнетизма, не имеет массы, тогда как частицы W и Z , переносчики слабых взаимодействий, примерно в 100 раз превышают массу протона.
«Что скрывает симметрия между слабыми и электромагнитными взаимодействиями? Это вопрос, на который мы надеемся ответить с помощью экспериментов на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРН.
Когда БАК будет запущен примерно в 2005 году, он позволит нам изучить столкновения кварков при энергиях, приближающихся к 1 ТэВ, или триллиону (10 12) электронвольт. Тщательное исследование шкалы энергий 1 ТэВ позволит определить механизм, с помощью которого скрывается электрослабая симметрия, и научит нас тому, что делает частицы W и Z массивными.
«Самое простое предположение восходит к теоретической работе британского физика Питера Хиггса и других в 1960-х годах. Согласно этой картине, источником массы является нейтральная частица с нулевым спином, которую мы называем бозоном Хиггса. В сегодняшней версии электрослабой теории , 9Частицы 0019 W и Z и все фундаментальные составляющие — кварки и лептоны — приобретают свои массы за счет взаимодействия с бозоном Хиггса. Но бозон Хиггса остается гипотетическим; это не наблюдалось. Вот почему физики элементарных частиц часто используют поиск бозона Хиггса как сокращение для кампании по изучению агента, который скрывает электрослабую симметрию и наделяет другие частицы массой.
«Если ответ — бозон Хиггса, мы можем сказать достаточно о его свойствах, чтобы вести поиск. К сожалению, электрослабая теория не предсказывает массу бозона Хиггса, хотя аргументы непротиворечивости требуют, чтобы он имел массу менее 1 ТэВ. Уже проведенные экспериментальные исследования говорят нам, что бозон Хиггса должен весить более 60 миллиардов электрон-вольт (ГэВ), или 0,06 ТэВ9.0005
«Если бозон Хиггса относительно легкий, его можно будет вскоре увидеть в электрон-позитронных аннигиляциях на LEP, образовавшихся вместе с Z . Бозон Хиггса распадется на кварк b и антикварк b . Через несколько лет эксперименты на Тэватроне Фермилаб должны быть в состоянии расширить поиск более высоких масс, ища частицы Хиггса плюс W или Хиггса плюс Z в столкновениях протонов и антипротонов.Если масса Хиггса превышает примерно 130 ГэВ, наша лучшая надежда возлагается на LHC.Важную роль могут сыграть электронно-позитронные коллайдеры более высоких энергий или даже мюонные коллайдеры.
«Наша неспособность предсказать массу бозона Хиггса — одна из причин, по которой многие из нас считают, что эта картина не может рассказать всю историю. Мы ищем расширения электрослабой теории, которые сделают ее более последовательной и предсказательной. Два из них кажутся многообещающими. Оба они подразумевают, что мы найдем богатый урожай новых частиц и новых явлений при высоких энергиях, которые мы только начинаем исследовать в Фермилабе и ЦЕРН. Один подход представляет собой обобщение электрослабой теории, называемой суперсимметрией, которая связывает новые частицы со всеми известными кварками, лептонами и взаимодействующими частицами. Суперсимметрия влечет за собой несколько бозонов Хиггса, и один из которых, вероятно, лежит в энергетическом режиме, который начинает исследовать LEP. В другом подходе, называемом нарушением динамической симметрии, бозон Хиггса не элементарная частица, а композит, свойства которого мы надеемся вычислить, как только поймем его составные части и их взаимодействия.
0005
«В течение следующих 15 лет мы должны начать находить реальное понимание происхождения массы. Интерес заключается не только в тайнах ускорительных экспериментов, но пронизывает все в окружающем нас мире: масса — это то, что определяет диапазон сил и устанавливает масштаб всех структур, которые мы видим в природе
«В 1993 году британский министр науки Уильям Уолдегрейв призвал физиков-ядерщиков объяснить на одной странице, что такое бозон Хиггса и почему они так стремятся его найти. Он вручил бутылки шампанского авторам пяти победивших работ на ежегодном собрании Британская ассоциация содействия развитию науки. Статьи, получившие призы, варьируются от серьезных до причудливых. Они были опубликованы в журнале от 19 сентября.93 выпуск Physics World, ежемесячного журнала Британского института физики, и доступны в Интернете.
Чтобы узнать больше о частице Хиггса, ознакомьтесь с электронной книгой Scientific American , Бозон Хиггса: в поисках частицы Бога .
Бозон Хиггса: объяснение «божественной частицы»
Художественная иллюстрация бозона Хиггса, создаваемого двумя сталкивающимися протонами.
(Изображение предоставлено: MARK GARLICK / SCIENCE PHOTO LIBRARY через Getty Images)
Бозон Хиггса — фундаментальная частица поля Хиггса, несущая силу, которая отвечает за передачу массы другим частицам. Это поле было впервые предложено в середине шестидесятых годов Питером Хиггсом — , в честь которого названа частица, и его коллегами.
Частица была наконец обнаружена 4 июля 2012 года исследователями Большого адронного коллайдера (БАК) — самого мощного ускорителя частиц в мире, расположенного в европейской лаборатории физики элементарных частиц ЦЕРН, Швейцария.
БАК подтвердил существование поля Хиггса и механизма, порождающего массу, и, таким образом, завершил стандартную модель физики элементарных частиц — лучшее описание субатомного мира, которое у нас есть.
Связанный: Бозон Хиггса мог удержать нашу Вселенную от коллапса
Соавтор
Роберт Ли — научный журналист и соавтор для Space.
com. Он имеет степень бакалавра наук в области физики и астрономии Открытого университета Великобритании.
По мере того, как ученые приближались к концу 20-го века, достижения в физике элементарных частиц дали ответы на многие вопросы, связанные с фундаментальными строительными блоками природы. Тем не менее, пока физики неуклонно заселяли зоопарк частиц электронами, протонами, бозонами и всевозможными кварками, некоторые неотложные вопросы упорно оставались без ответа. Среди них, почему некоторые частицы имеют массу?
История бозона Хиггса мотивирована этим вопросом.
Что такое бозон Хиггса?
Бозон Хиггса имеет массу 125 миллиардов электрон-вольт — это означает, что он в 130 раз массивнее протона , по данным CERN . Он также не имеет заряда и имеет нулевой спин — квантово-механический эквивалент углового момента. Бозон Хиггса — единственная элементарная частица, не имеющая спина.
Бозон — это частица-носитель силы, которая вступает в игру, когда частицы взаимодействуют друг с другом, при этом бозон обменивается во время этого взаимодействия.
Например, когда два электрона взаимодействуют, они обмениваются фотоном — частицей-переносчиком электромагнитных полей.
Поскольку квантовая теория поля описывает микроскопический мир и квантовые поля, заполняющие Вселенную, с помощью волновой механики, бозон можно также описать как волну в поле.
Итак, фотон — это частица и волна, возникающие из возбужденного электромагнитного поля, а бозон Хиггса — это частица или «квантованное проявление», возникающее из поля Хиггса при возбуждении. Это поле генерирует массу за счет взаимодействия с другими частицами и механизма, переносимого бозоном Хиггса, который называется механизмом Браута-Энглерта-Хиггса.
Почему бозон Хиггса называют «частицой Бога»?
Детектор ATLAS (тороидальный аппарат LHC) — один из детекторов общего назначения LHC. ATLAS вместе с детектором CMS впервые обнаружил бозон Хиггса. (Изображение предоставлено: xenotar через Getty Images)
(открывается в новой вкладке)
Прозвище бозона Хиггса «Частица Бога» закрепилось после его открытия, а именно благодаря популярным средствам массовой информации.
Происхождение этого часто связано с тем, что физик Леон Ледерман, лауреат Нобелевской премии, называл бозон Хиггса «проклятой частицей» в разочаровании по поводу того, насколько сложно его было обнаружить.
Business Insider (открывается в новой вкладке) сообщает, что, когда Ледерман написал книгу о бозоне Хиггса в 1990-х годах, она должна была называться «Чертова частица», но издатели изменили ее на «Частица Бога». была нарисована религия, которая беспокоит физиков и по сей день.
Тем не менее, трудно переоценить значение бозона Хиггса и поля Хиггса в целом, так как без этого аспекта природы ни одна частица не имела бы массы. Это означает отсутствие звезд, планет и нас — что-то, что может помочь оправдать его гиперболическое прозвище.
Чем важен бозон Хиггса?
В 1964 году исследователи начали использовать квантовую теорию поля для изучения слабого ядерного взаимодействия — , которое определяет атомный распад элементов путем превращения протонов в нейтроны — и переносчиков бозонов W и Z.
Слабые носители взаимодействий должны быть безмассовыми, а если бы это было не так, это могло бы нарушить принцип природы, называемый симметрией, который — точно так же, как симметрия формы, гарантирует, что она выглядит одинаково, если ее повернуть или перевернуть — обеспечивает законы природа одинакова, как бы на нее ни смотрели. Произвольное присвоение массы частицам также привело к стремлению некоторых предсказаний к бесконечности.
Тем не менее, исследователи знали, что, поскольку слабое взаимодействие так сильно при взаимодействии на коротких расстояниях — «гораздо мощнее, чем гравитация» — , но очень слабо при более длинных взаимодействиях, его бозоны должны иметь массу.
Решение, предложенное Питером Хиггсом, Франсуа Энглером и Робертом Браутом в 1964 году, было новой областью и способом «обмануть» природу, заставив ее спонтанно нарушить симметрию.
Истории по теме:
Статья из CERN сравнивает это с карандашом, стоящим на кончике — симметричная система — внезапно наклоняющимся в нужном направлении, нарушая его симметрию.
Хиггс и его коллега-физик предположили, что при рождении Вселенная была заполнена полем Хиггса в симметричном, но нестабильном состоянии — «подобно ненадежно сбалансированному карандашу».
Поле быстро, всего за доли секунды, находит устойчивую конфигурацию, но при этом нарушает свою симметрию. Это порождает механизм Браута-Энглерта-Хиггса, который придает массу бозонам W и Z.
Позднее было обнаружено, что поле Хиггса не только придает массу бозонам W и Z, но и многим другим фундаментальным частицам. Без поля Хиггса и механизма Браута-Энглерта-Хиггса все элементарные частицы мчались бы по Вселенной со скоростью света. Эта теория не только объясняет, почему частицы имеют массу, но и то, почему они имеют разные массы.
Частицы, которые сильнее взаимодействуют — или «сцепляются» — с полем Хиггса, получают большие массы. Даже сам бозон Хиггса получает свою массу от собственного взаимодействия с полем Хиггса. Это было подтверждено наблюдением за распадом частиц бозона Хиггса.
Одна частица, которой поле Хиггса не придало массы, — это основная частица света — фотон. Это связано с тем, что для фотонов не происходит спонтанного нарушения симметрии, как это происходит с другими частицами, переносящими взаимодействие, W- и Z-бозонами.
Это явление предоставления массы также применимо только к фундаментальным частицам, таким как электроны и кварки. Такие частицы, как протоны — состоящие из кварков — , получают большую часть своей массы за счет энергии связи, удерживающей их составляющие вместе.
Хотя все это хорошо согласуется с теорией, следующим шагом было обнаружение свидетельств существования поля Хиггса путем обнаружения его переносящей силу частицы. Сделать это было бы непростой задачей, на самом деле для этого потребовался бы самый большой эксперимент и самая сложная машина в истории человечества.
Таким образом, поиск самого бозона Хиггса довел до предела как ускорители частиц, так и технологию детекторов — , а окончательным выражением этого стал Большой адронный коллайдер (БАК).
Открытие бозона Хиггса и стандартная модель
Стандартная модель физики элементарных частиц и обитатели зоопарка частиц, дополненные бозоном Хиггса, который придает большинству из них массу. (Изображение предоставлено Cush/Wikimedia Commons)
(открывается в новой вкладке)
Обнаружение бозона Хиггса — это не просто установка детектора и ожидание его появления. Эти частицы существовали только в высокоэнергетических условиях ранней Вселенной.
Это означает, что перед обнаружением этой частицы необходимо воспроизвести эти высокоэнергетические условия и создать бозоны Хиггса. БАК делает это, разгоняя протоны до околосветовой скорости и сталкивая их друг с другом.
Это создает каскад частиц, которые быстро распадаются на более легкие частицы. Бозон Хиггса распадается слишком быстро, чтобы его можно было обнаружить, и вместо этого он был идентифицирован путем обнаружения распадов частиц, которые указывали на частицу без спина и соответствовали теоретическим предсказаниям для этого отсутствующего бозона.
Частица была обнаружена как детектором LHC ATLAS, так и детектором компактного мюонного соленоида (CMS).
Объявление об обнаружении бозона Хиггса было сделано в ЦЕРНе в Женеве 4 июля 2012 года. Только в марте следующего года было подтверждено, что обнаруженная частица действительно была бозоном Хиггса.
Обнаружение этой частицы, предсказанное стандартной моделью, открытие бозона Хиггса завершило эту картину субатомного мира. За пределами этой теории все еще остаются загадки, такие как природа темной материи, которую бозон Хиггса — благодаря своим уникальным свойствам — может помочь решить.
Бозон Хиггса после 2012 года
Через год после открытия бозона Хиггса Питер Хиггс и Франсуа Энглер были удостоены Нобелевской премии по физике 2013 года за свою теорию поля Хиггса.
Нобелевский комитет написал о награде: «за теоретическое открытие механизма, который способствует нашему пониманию происхождения массы субатомных частиц и который недавно был подтвержден открытием предсказанного фундаментального частица, полученная с помощью экспериментов ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере ЦЕРН».
Открытие бозона Хиггса, возможно, завершило стандартную модель, но это не было концом исследования этой неуловимой частицы. Одно из главных открытий, сделанных с 2012 года, связано с подтверждением распада бозона Хиггса.
Исследование этой неуловимой частицы будет углубляться во время третьего прогона БАК и особенно после завершения модернизации ускорителя частиц в 2029 году (откроется в новой вкладке).
Это позволит LHC проводить больше столкновений, предоставляя исследователям больше возможностей обнаружить экзотическую физику, включая явления, выходящие за рамки стандартной модели.
По оценкам ЦЕРН, каждый год после модернизации ускоритель будет создавать 15 миллионов таких частиц. Это сопоставимо с 3 миллионами бозонов Хиггса, созданными БАК в 2017 году. Это может быть ключом к обнаружению других «ароматов» бозона Хиггса.
Теории, выходящие за рамки стандартной модели физики элементарных частиц, также предсказывают целых пять различных типов бозонов Хиггса, которые могут рождаться реже, чем первичный бозон Хиггса.
Еще до обновлений ученые предоставили нам дразнящие доказательства существования «магнитного бозона Хиггса».
Дополнительное чтение
Открытие бозона Хиггса завершило то, что известно как стандартная модель физики элементарных частиц. ЦЕРН объясняет (открывается в новой вкладке), что эта структура говорит нам о субатомном мире. Узнайте больше о бозоне Хиггса из этой статьи Министерства энергетики США (откроется в новой вкладке). Изучите некоторые часто задаваемые вопросы (откроется в новой вкладке) о бозоне Хиггса с CERN.
Библиография
Бозон Хиггса, ЦЕРН, https://home.cern/science/physics/higgs-boson (открывается в новой вкладке)
Бозон Хиггса, Министерство энергетики, https://www.energy.gov/science/doe-explainsthe-higgs-boson
Что особенного в бозоне Хиггса?, CERN, https ://home.cern/science/physics/higgs-boson/what
Хиггс. P., НАРУШЕННЫЕ СИММЕТРИИ И МАССЫ КАЛИБРОВОЧНЫХ БОЗОНОВ, Physical Review Letters, [1964], [https://journals.
aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.13.508 ]
Питер В. Хиггс, Нобелевская премия, https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2013/higgs/facts/ (открывается в новой вкладке)
LHC High Luminosity, ЦЕРН, https://home.cern/science/accelerators/high-luminosity-lhc (открывается в новой вкладке)
Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].
Роберт Ли – научный журналист из Великобритании, чьи статьи были опубликованы в журналах Physics World, New Scientist, Astronomy Magazine, All About Space, Newsweek и ZME Science. Он также пишет о научной коммуникации для Elsevier и European Journal of Physics. Роб имеет степень бакалавра наук в области физики и астрономии Открытого университета Великобритании. Подпишитесь на него в Твиттере @sciencef1rst.
Бозон Хиггса: объяснение «божественной частицы»
Художественная иллюстрация бозона Хиггса, создаваемого двумя сталкивающимися протонами.
(Изображение предоставлено: MARK GARLICK / SCIENCE PHOTO LIBRARY через Getty Images)
Бозон Хиггса — это фундаментальная частица поля Хиггса, несущая силу, которая отвечает за передачу массы другим частицам. Это поле было впервые предложено в середине шестидесятых годов Питером Хиггсом — , в честь которого названа частица, и его коллегами.
Частица была наконец обнаружена 4 июля 2012 года исследователями Большого адронного коллайдера (БАК) — самого мощного ускорителя частиц в мире, расположенного в европейской лаборатории физики элементарных частиц ЦЕРН, Швейцария.
БАК подтвердил существование поля Хиггса и механизма, порождающего массу, и, таким образом, завершил стандартную модель физики элементарных частиц — лучшее описание субатомного мира, которое у нас есть.
Связанный: Бозон Хиггса мог удержать нашу Вселенную от коллапса
Соавтор
Роберт Ли — научный журналист и соавтор для Space.com. Он имеет степень бакалавра наук в области физики и астрономии Открытого университета Великобритании.
По мере того, как ученые приближались к концу 20-го века, достижения в физике элементарных частиц дали ответы на многие вопросы, связанные с фундаментальными строительными блоками природы. Тем не менее, пока физики неуклонно заселяли зоопарк частиц электронами, протонами, бозонами и всевозможными кварками, некоторые неотложные вопросы упорно оставались без ответа. Среди них, почему некоторые частицы имеют массу?
История бозона Хиггса мотивирована этим вопросом.
Что такое бозон Хиггса?
Бозон Хиггса имеет массу 125 миллиардов электрон-вольт — это означает, что он в 130 раз массивнее протона , по данным CERN . Он также не имеет заряда и имеет нулевой спин — квантово-механический эквивалент углового момента. Бозон Хиггса — единственная элементарная частица, не имеющая спина.
Бозон — это частица-носитель силы, которая вступает в игру, когда частицы взаимодействуют друг с другом, при этом бозон обменивается во время этого взаимодействия. Например, когда два электрона взаимодействуют, они обмениваются фотоном — частицей-переносчиком электромагнитных полей.
Поскольку квантовая теория поля описывает микроскопический мир и квантовые поля, заполняющие Вселенную, с помощью волновой механики, бозон можно также описать как волну в поле.
Итак, фотон — это частица и волна, возникающие из возбужденного электромагнитного поля, а бозон Хиггса — это частица или «квантованное проявление», возникающее из поля Хиггса при возбуждении. Это поле генерирует массу за счет взаимодействия с другими частицами и механизма, переносимого бозоном Хиггса, который называется механизмом Браута-Энглерта-Хиггса.
Почему бозон Хиггса называют «частицой Бога»?
Детектор ATLAS (тороидальный аппарат LHC) — один из детекторов общего назначения LHC. ATLAS вместе с детектором CMS впервые обнаружил бозон Хиггса. (Изображение предоставлено: xenotar через Getty Images)
(открывается в новой вкладке)
Прозвище бозона Хиггса «Частица Бога» закрепилось после его открытия, а именно благодаря популярным средствам массовой информации.
Происхождение этого часто связано с тем, что физик Леон Ледерман, лауреат Нобелевской премии, называл бозон Хиггса «проклятой частицей» в разочаровании по поводу того, насколько сложно его было обнаружить.
Business Insider (открывается в новой вкладке) сообщает, что, когда Ледерман написал книгу о бозоне Хиггса в 1990-х годах, она должна была называться «Чертова частица», но издатели изменили ее на «Частица Бога». была нарисована религия, которая беспокоит физиков и по сей день.
Тем не менее, трудно переоценить значение бозона Хиггса и поля Хиггса в целом, так как без этого аспекта природы ни одна частица не имела бы массы. Это означает отсутствие звезд, планет и нас — что-то, что может помочь оправдать его гиперболическое прозвище.
Чем важен бозон Хиггса?
В 1964 году исследователи начали использовать квантовую теорию поля для изучения слабого ядерного взаимодействия — , которое определяет атомный распад элементов путем превращения протонов в нейтроны — и переносчиков бозонов W и Z.
Слабые носители взаимодействий должны быть безмассовыми, а если бы это было не так, это могло бы нарушить принцип природы, называемый симметрией, который — точно так же, как симметрия формы, гарантирует, что она выглядит одинаково, если ее повернуть или перевернуть — обеспечивает законы природа одинакова, как бы на нее ни смотрели. Произвольное присвоение массы частицам также привело к стремлению некоторых предсказаний к бесконечности.
Тем не менее, исследователи знали, что, поскольку слабое взаимодействие так сильно при взаимодействии на коротких расстояниях — «гораздо мощнее, чем гравитация» — , но очень слабо при более длинных взаимодействиях, его бозоны должны иметь массу.
Решение, предложенное Питером Хиггсом, Франсуа Энглером и Робертом Браутом в 1964 году, было новой областью и способом «обмануть» природу, заставив ее спонтанно нарушить симметрию.
Истории по теме:
Статья из CERN сравнивает это с карандашом, стоящим на кончике — симметричная система — внезапно наклоняющимся в нужном направлении, нарушая его симметрию.
Хиггс и его коллега-физик предположили, что при рождении Вселенная была заполнена полем Хиггса в симметричном, но нестабильном состоянии — «подобно ненадежно сбалансированному карандашу».
Поле быстро, всего за доли секунды, находит устойчивую конфигурацию, но при этом нарушает свою симметрию. Это порождает механизм Браута-Энглерта-Хиггса, который придает массу бозонам W и Z.
Позднее было обнаружено, что поле Хиггса не только придает массу бозонам W и Z, но и многим другим фундаментальным частицам. Без поля Хиггса и механизма Браута-Энглерта-Хиггса все элементарные частицы мчались бы по Вселенной со скоростью света. Эта теория не только объясняет, почему частицы имеют массу, но и то, почему они имеют разные массы.
Частицы, которые сильнее взаимодействуют — или «сцепляются» — с полем Хиггса, получают большие массы. Даже сам бозон Хиггса получает свою массу от собственного взаимодействия с полем Хиггса. Это было подтверждено наблюдением за распадом частиц бозона Хиггса.
Одна частица, которой поле Хиггса не придало массы, — это основная частица света — фотон. Это связано с тем, что для фотонов не происходит спонтанного нарушения симметрии, как это происходит с другими частицами, переносящими взаимодействие, W- и Z-бозонами.
Это явление предоставления массы также применимо только к фундаментальным частицам, таким как электроны и кварки. Такие частицы, как протоны — состоящие из кварков — , получают большую часть своей массы за счет энергии связи, удерживающей их составляющие вместе.
Хотя все это хорошо согласуется с теорией, следующим шагом было обнаружение свидетельств существования поля Хиггса путем обнаружения его переносящей силу частицы. Сделать это было бы непростой задачей, на самом деле для этого потребовался бы самый большой эксперимент и самая сложная машина в истории человечества.
Таким образом, поиск самого бозона Хиггса довел до предела как ускорители частиц, так и технологию детекторов — , а окончательным выражением этого стал Большой адронный коллайдер (БАК).
Открытие бозона Хиггса и стандартная модель
Стандартная модель физики элементарных частиц и обитатели зоопарка частиц, дополненные бозоном Хиггса, который придает большинству из них массу. (Изображение предоставлено Cush/Wikimedia Commons)
(открывается в новой вкладке)
Обнаружение бозона Хиггса — это не просто установка детектора и ожидание его появления. Эти частицы существовали только в высокоэнергетических условиях ранней Вселенной.
Это означает, что перед обнаружением этой частицы необходимо воспроизвести эти высокоэнергетические условия и создать бозоны Хиггса. БАК делает это, разгоняя протоны до околосветовой скорости и сталкивая их друг с другом.
Это создает каскад частиц, которые быстро распадаются на более легкие частицы. Бозон Хиггса распадается слишком быстро, чтобы его можно было обнаружить, и вместо этого он был идентифицирован путем обнаружения распадов частиц, которые указывали на частицу без спина и соответствовали теоретическим предсказаниям для этого отсутствующего бозона.
Частица была обнаружена как детектором LHC ATLAS, так и детектором компактного мюонного соленоида (CMS).
Объявление об обнаружении бозона Хиггса было сделано в ЦЕРНе в Женеве 4 июля 2012 года. Только в марте следующего года было подтверждено, что обнаруженная частица действительно была бозоном Хиггса.
Обнаружение этой частицы, предсказанное стандартной моделью, открытие бозона Хиггса завершило эту картину субатомного мира. За пределами этой теории все еще остаются загадки, такие как природа темной материи, которую бозон Хиггса — благодаря своим уникальным свойствам — может помочь решить.
Бозон Хиггса после 2012 года
Через год после открытия бозона Хиггса Питер Хиггс и Франсуа Энглер были удостоены Нобелевской премии по физике 2013 года за свою теорию поля Хиггса.
Нобелевский комитет написал о награде: «за теоретическое открытие механизма, который способствует нашему пониманию происхождения массы субатомных частиц и который недавно был подтвержден открытием предсказанного фундаментального частица, полученная с помощью экспериментов ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере ЦЕРН».
Открытие бозона Хиггса, возможно, завершило стандартную модель, но это не было концом исследования этой неуловимой частицы. Одно из главных открытий, сделанных с 2012 года, связано с подтверждением распада бозона Хиггса.
Исследование этой неуловимой частицы будет углубляться во время третьего прогона БАК и особенно после завершения модернизации ускорителя частиц в 2029 году (откроется в новой вкладке).
Это позволит LHC проводить больше столкновений, предоставляя исследователям больше возможностей обнаружить экзотическую физику, включая явления, выходящие за рамки стандартной модели.
По оценкам ЦЕРН, каждый год после модернизации ускоритель будет создавать 15 миллионов таких частиц. Это сопоставимо с 3 миллионами бозонов Хиггса, созданными БАК в 2017 году. Это может быть ключом к обнаружению других «ароматов» бозона Хиггса.
Теории, выходящие за рамки стандартной модели физики элементарных частиц, также предсказывают целых пять различных типов бозонов Хиггса, которые могут рождаться реже, чем первичный бозон Хиггса.
Еще до обновлений ученые предоставили нам дразнящие доказательства существования «магнитного бозона Хиггса».
Дополнительное чтение
Открытие бозона Хиггса завершило то, что известно как стандартная модель физики элементарных частиц. ЦЕРН объясняет (открывается в новой вкладке), что эта структура говорит нам о субатомном мире. Узнайте больше о бозоне Хиггса из этой статьи Министерства энергетики США (откроется в новой вкладке). Изучите некоторые часто задаваемые вопросы (откроется в новой вкладке) о бозоне Хиггса с CERN.
Библиография
Бозон Хиггса, ЦЕРН, https://home.cern/science/physics/higgs-boson (открывается в новой вкладке)
Бозон Хиггса, Министерство энергетики, https://www.energy.gov/science/doe-explainsthe-higgs-boson
Что особенного в бозоне Хиггса?, CERN, https ://home.cern/science/physics/higgs-boson/what
Хиггс. P., НАРУШЕННЫЕ СИММЕТРИИ И МАССЫ КАЛИБРОВОЧНЫХ БОЗОНОВ, Physical Review Letters, [1964], [https://journals.