Базон хикс: одно из самых важных открытий в науке — Naked Science

Поиск хиггсовского бозона • Задачи LHC

Общая стратегия

В Стандартной модели — единственной на сегодня теории, которая хорошо описывает мир элементарных частиц, — до сих пор не проверено на опыте одно очень важное явление — хиггсовский механизм нарушения электрослабой симметрии.

Подробнее про хиггсовский механизм

Проверка этого механизма — одна из центральных задач LHC. Эту задачу можно разбить на три этапа:
1) найти частицу, похожую на хиггсовский бозон,
2) проверить, что эта частица обладает свойствами, которые ожидаются от хиггсовского бозона,
3) выяснить, какой из вариантов хиггсовского механизма согласуется с экспериментальными данными.

Поскольку хиггсовский бозон нестабилен, искать его будут по продуктам распада. На какие частицы распадается бозон Хиггса — зависит от его массы, а она, к сожалению, пока неизвестна. Теория утверждает лишь, что бозон Хиггса должен быть заметно легче 1 ТэВ, и, кроме того, эксперименты на электрон-позитронном коллайдере LEP показали, что он тяжелее 114 ГэВ. Поэтому экспериментаторам на LHC придется искать хиггсовский бозон сразу «по всем фронтам», в диапазоне масс примерно от 100 до 1000 ГэВ. Впрочем, возможно, что новые данные с коллайдера Тэватрон укажут примерное значение массы бозона, что заметно упростит задачу его поиска на LHC.

Рождение и распад бозона Хиггса

В протон-протонном столкновении на LHC соударяются в реальности не протоны целиком, а составляющие их частицы — партоны. (Подробнее про партоны.) Существует несколько механизмов рождения хиггсовского бозона, но доминирующим на LHC будет возникновение хиггсовского бозона в глюон-глюонных столкновениях.

Хиггсовский бозон обладает исключительным свойством — чем тяжелее частица, тем сильнее он к ней «цепляется». Из-за этого распадаться хиггсовский бозон будет преимущественно на самые тяжелые частицы, разрешенные законом сохранения энергии. Именно поэтому картина распада хиггсовского бозона зависит от его массы.

Подробнее про рождение и распад бозона Хиггса

Основные стратегии поиска

Выработаны несколько стратегий поиска хиггсовского бозона в зависимости от его массы.

«Легкий» бозон Хиггса.
Если хиггсовский бозон легче 140 ГэВ, то распадаться он будет в основном на b-кварк–антикварковые пары. Эти кварки породят две адронные струи, которые смешаются со всеми остальными адронами, и найти следы бозона Хиггса в этой мешанине будет практически невозможно. Для того чтобы обойти эти трудности, предполагается искать редкие распады хиггсовского бозона (например, в два фотона) либо изучать более сложные события, когда хиггсовский бозон рождается вместе с другими тяжелыми частицами.

«Тяжелый» бозон Хиггса.
Если масса хиггсовского бозона больше 140 ГэВ, то он будет распадаться в основном на два W-бозона или на два Z-бозона. В этом случае хиггсовский бозон будет найти легче, потому что W- и Z-бозоны могут при распаде давать электроны и мюоны, а их детектировать и изучать очень легко.

Подробнее про стратегии поиска бозона Хиггса

Проверка того, что открытая частица действительно есть бозон Хиггса

Разумеется, факт открытия какой-то частицы в подходящей области масс еще не означает, что это именно бозон Хиггса. После открытия частицы потребуется внимательное изучение ее свойств. Надо будет проверить, что у открытой частицы нулевой электрический заряд, нулевой спин и, самое главное, что она действительно взаимодействует с тяжелыми частицами сильнее, чем с легкими. Для этого потребуется изучать распад хиггсовского бозона в самые разнообразные наборы частиц и затем сравнить вероятности этих распадов с теоретическими предсказаниями (они уже давно сосчитаны и ждут проверки).

Когда найдут хиггсовский бозон?

Для того чтобы объявить об открытии частицы, недостаточно увидеть ее следы один или два раза. Физики должны надежно отделить «хиггсовский сигнал» от фона, то есть убедиться, что та же самая картина распада не может быть статистической флуктуацией посторонних процессов. А для этого надо набрать достаточно много событий-кандидатов, похожих на рождение и распад искомой частицы.

Время, необходимое для набора достаточной статистики, зависит от массы хиггсовского бозона. Для легкого хиггсовского бозона фоновые процессы сильные, поэтому потребуется около 2–3 лет, чтобы найти достаточно убедительные доказательства существования хиггсовского бозона. Тяжелый хиггсовский бозон искать проще, и его можно будет открыть в течение первого года работы LHC, то есть к концу 2009 года. Однако не исключено, что при таком раскладе событий к этому времени хиггсовский бозон будет найден и на Тэватроне.

Всё это относится к хиггсовскому бозону Стандартной модели, то есть в простейшем варианте хиггсовского механизма. Если же в природе реализуется какой-то неминимальный хиггсовский механизм, то поиск (хотя бы одного) хиггсовского бозона может как ускориться, так и затянуться.

Подробнее про неминимальные хиггсовские модели

Физики объяснили малую массу бозона Хиггса существованием мультивселенной

https://ria.ru/20220113/bozon-1767681998.html

Физики объяснили малую массу бозона Хиггса существованием мультивселенной

Физики объяснили малую массу бозона Хиггса существованием мультивселенной — РИА Новости, 14.01.2022

Физики объяснили малую массу бозона Хиггса существованием мультивселенной

Физики из Франции и Швейцарии предложили альтернативную модель формирования Вселенной, объясняющую сразу несколько несоответствий Стандартной модели физики. .. РИА Новости, 14.01.2022

2022-01-13T15:24

2022-01-13T15:24

2022-01-14T11:38

наука

швейцария

франция

космос — риа наука

бозон хиггса

физика

вселенная

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e4/09/08/1576940819_4:0:1024:574_1920x0_80_0_0_40e46a474bd4fd8eaa28dfcfd0b9cdae.jpg

МОСКВА, 13 янв — РИА Новости. Физики из Франции и Швейцарии предложили альтернативную модель формирования Вселенной, объясняющую сразу несколько несоответствий Стандартной модели физики. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.Результаты экспериментов, которые проводят ученые, подтвердили верность основных положений Стандартной модели физики элементарных частиц. Эта модель точно описывает большую часть взаимодействий фундаментальных частиц нашей Вселенной, но есть у нее и явные пробелы. В частности, в ней отсутствуют частицы темной материи, она не позволяет объяснить ускоряющееся расширение Вселенной, а масса бозона Хиггса, предсказанная этой моделью, как минимум втрое больше, чем полученная в экспериментах. Для объяснения последнего несоответствия физики Раффаэле Тито Д’Аньоло из французского Университета Париж-Сакле и Даниэле Терези из ЦЕРНа предложили альтернативную модель, основанную на гипотезе мультивселенной.Эта гипотеза предполагает, что в то время, когда образовалась наша Вселенная, существовало множество других параллельных вселенных. Распределение бозонов Хиггса между разными вселенными и их регионами было неоднородным: одни области содержали тяжелые бозоны, а другие — более легкие.Заложив такие начальные условия в свою модель, исследователи увидели, что по мере своего развития регионы мультивселенной с тяжелым бозоном Хиггса быстро становились нестабильными и разрушались за очень короткий промежуток времени — около 10−5 секунды.Такой сценарий, известный в космологии как Большое сжатие или Большой хлопок (Big Crunch), предполагает, что в какой-то момент под действием темной энергии расширение вселенной сменяется резким сжатием и вселенная коллапсирует, схлопываясь в сингулярность. В итоге, по мнению исследователей, осталась одна наша Вселенная, содержащая очень легкий бозон Хиггса.Кроме того, анализируя свою модель, авторы обнаружили еще один фактор, который предотвратил сжатие нашей Вселенной, — симметричное сильное взаимодействие — фундаментальная сила природы, возникающая между субатомными частицами материи и антиматерии. Таким образом, считают ученые, их модель позволяет объяснить еще одно фундаментальное противоречие Стандартной модели: нарушения СР-симметрии — симметрии взаимодействия между частицами и античастицами.Исследователи надеются, что их гипотеза получит подтверждение в будущих экспериментах по взаимодействию адронов с частицами темной материи.

https://ria.ru/20220112/puzyr-1767541944.html

https://ria.ru/20210831/zvezdy-1747834094.html

швейцария

франция

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2022

РИА Новости

1

5

4. 7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

1

5

4.7

96

in[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

1920

1080

true

1920

1440

true

https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e4/09/08/1576940819_238:0:1003:574_1920x0_80_0_0_8c172ddef275723f975747ba0b5d3d77.jpg

1920

1920

true

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected] ru

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

швейцария, франция, космос — риа наука, бозон хиггса, физика, вселенная

Наука, Швейцария, Франция, Космос — РИА Наука, бозон Хиггса, Физика, Вселенная

МОСКВА, 13 янв — РИА Новости. Физики из Франции и Швейцарии предложили альтернативную модель формирования Вселенной, объясняющую сразу несколько несоответствий Стандартной модели физики. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Результаты экспериментов, которые проводят ученые, подтвердили верность основных положений Стандартной модели физики элементарных частиц. Эта модель точно описывает большую часть взаимодействий фундаментальных частиц нашей Вселенной, но есть у нее и явные пробелы. В частности, в ней отсутствуют частицы темной материи, она не позволяет объяснить ускоряющееся расширение Вселенной, а масса бозона Хиггса, предсказанная этой моделью, как минимум втрое больше, чем полученная в экспериментах.

Для объяснения последнего несоответствия физики Раффаэле Тито Д’Аньоло из французского Университета Париж-Сакле и Даниэле Терези из ЦЕРНа предложили альтернативную модель, основанную на гипотезе мультивселенной.

Эта гипотеза предполагает, что в то время, когда образовалась наша Вселенная, существовало множество других параллельных вселенных. Распределение бозонов Хиггса между разными вселенными и их регионами было неоднородным: одни области содержали тяжелые бозоны, а другие — более легкие.

12 января, 19:00Наука

Землю окружает огромный космический пузырь, установили ученые

Заложив такие начальные условия в свою модель, исследователи увидели, что по мере своего развития регионы мультивселенной с тяжелым бозоном Хиггса быстро становились нестабильными и разрушались за очень короткий промежуток времени — около 10−5 секунды.

Такой сценарий, известный в космологии как Большое сжатие или Большой хлопок (Big Crunch), предполагает, что в какой-то момент под действием темной энергии расширение вселенной сменяется резким сжатием и вселенная коллапсирует, схлопываясь в сингулярность. В итоге, по мнению исследователей, осталась одна наша Вселенная, содержащая очень легкий бозон Хиггса.

Кроме того, анализируя свою модель, авторы обнаружили еще один фактор, который предотвратил сжатие нашей Вселенной, — симметричное сильное взаимодействие — фундаментальная сила природы, возникающая между субатомными частицами материи и антиматерии. Таким образом, считают ученые, их модель позволяет объяснить еще одно фундаментальное противоречие Стандартной модели: нарушения СР-симметрии — симметрии взаимодействия между частицами и античастицами.

Исследователи надеются, что их гипотеза получит подтверждение в будущих экспериментах по взаимодействию адронов с частицами темной материи.

31 августа 2021, 08:00Наука

Из другого измерения. Ученые оценили возможность существования антизвезд

Бозон Хиггса: знаменательное открытие

Знаменательное открытие

  1. Обнаружить
  2. Физика
  3. Бозон Хиггса: эпохальное открытие

Что такое бозон Хиггса и зачем он нужен?

Анимация реконструированной массы из событий-кандидатов Хиггса в двухфотонных распадах. (Изображение: эксперимент ATLAS, ЦЕРН)

Физики описывают взаимодействие частиц, используя математику квантовой теории поля, в которой силы переносятся промежуточными частицами, называемыми бозонами. Фотоны, например, являются бозонами, несущими электромагнитную силу. В 1964 году единственная математически непротиворечивая теория требовала, чтобы бозоны были безмассовыми. Однако эксперименты показали, что носители слабого ядерного взаимодействия — бозоны W и Z — имеют большие массы. Чтобы решить эту проблему, три группы теоретиков: Роберт Браут и Франсуа Энглер; Питер Хиггс; Джеральд Гуральник, Карл Хаген и Том Киббл независимо друг от друга предложили решение, которое теперь называется механизмом Браута-Энглерта-Хиггса (BEH).

Механизм BEH требует присутствия во Вселенной нового поля, которое придает массу некоторым бозонам. Существование этого поля может быть подтверждено открытием связанной с ним частицы – бозона Хиггса. 4 июля 2012 года эксперименты ATLAS и CMS в ЦЕРН объявили, что они независимо наблюдали новую частицу с массой около 125 ГэВ: частицу, соответствующую бозону Хиггса. 8 октября 2013 года Нобелевская премия по физике была присуждена совместно теоретикам Франсуа Энглеру и Питеру Хиггсу»9.0021 за теоретическое открытие механизма, который способствует нашему пониманию происхождения массы субатомных частиц и который недавно был подтвержден открытием предсказанной фундаментальной частицы в экспериментах ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере CERN ».

Открытие бозона Хиггса открыло новые возможности для поиска новых физических явлений, поскольку его свойства и даже количество различных типов бозона Хиггса предсказываются разными в разных теоретических моделях.Суперсимметрия, например. , предсказывает существование по крайней мере пяти различных типов бозонов Хиггса. Многие теории также предсказывают, что бозон Хиггса играет решающую роль в возникновении новых явлений, таких как темная материя на LHC. Бозоны Хиггса теперь становятся инструментом для физиков, изучающих свойства частиц, созданных вместе с бозоном Хиггса в поисках новых открытий.

Сохранится ли Стандартная модель после точных измерений БАК или появится улучшенная модель? Только продолжая исследования и получая больше данных, физики смогут ответить на этот вопрос.

Чему мы научились с момента открытия?

Сразу же после открытия физики начали изучать свойства новооткрытой частицы, чтобы понять, бозон Хиггса Стандартной модели или что-то другое. Сначала пришло подтверждение массы бозона Хиггса: последний неизвестный параметр Стандартной модели. Это был один из первых измеренных параметров, который оказался примерно равным 125 ГэВ (примерно в 130 раз больше массы протона). С такой массой бозон Хиггса может распадаться несколькими способами.

Параметр, пропорциональный силе связи бозона Хиггса (вертикальная ось) в зависимости от массы частицы (горизонтальная ось) (Изображение: ATLAS Experiment/CERN)

Открытие бозона Хиггса открыло целую новую область физики элементарных частиц, поскольку исследователи начали изучать его свойства . В Стандартной модели бозон Хиггса уникален : у него нулевой спин (что делает его единственной фундаментальной частицей с такой характеристикой), нет электрического заряда и сильного силового взаимодействия. Спин и четность измерялись с помощью угловых корреляций между частицами, на которые он распался. Конечно же, эти свойства оказались такими, как было предсказано. В этот момент физики стали называть его «бозоном Хиггса». Еще предстоит выяснить, является ли это единственным бозоном Хиггса или одним из многих, например, предсказанных суперсимметрией. Некоторые теории, предсказывающие наличие дополнительных бозонов Хиггса, уже исключены, но другим теориям потребуется больше данных для проверки их предсказаний.

Изучая образование и распад бозона Хиггса, физики ATLAS подтвердили, что бозон Хиггса взаимодействует как с бозонами, так и с фермионами (последними являются частицы, составляющие материю), подтвердив предсказание Стандартной модели о том, что элементарные частицы приобретают массу через всепроникающее поле Хиггса .

Открытие бозона Хиггса основывалось на измерениях его распада на векторные бозоны: фотон, W и Z. Существование таких взаимодействий предоставило важные доказательства того, что в нашей Вселенной произошел процесс, известный как спонтанное нарушение электрослабой симметрии. и является ключевым предсказанием теории механизма БЭХ. Однако измерений такого рода было недостаточно, чтобы дать полную картину свойств бозона Хиггса. В Стандартной модели взаимодействия бозона Хиггса с фермионами и бозонами определяются различными типами взаимодействий, поэтому присутствие новой неоткрытой физики может повлиять на них по-разному.

Первым прямым исследованием фермионных взаимодействий был распад на тау-частицы, который наблюдался в сочетании результатов ATLAS и CMS, выполненных в конце запуска 1. Во время запуска 2 увеличение энергии центра масс до 13 ТэВ и больший набор данных позволили исследовать дополнительные каналы. Впоследствии было обнаружено, что бозон Хиггса распадается на нижние кварки и рождается вместе с верхними кварками. Совсем недавно были сделаны первые измерения связи бозона Хиггса с фермионами второго поколения, такими как очарованный кварк и мюон. В настоящее время четко установлено взаимодействие бозона Хиггса с частицами вещества.

Одним из наиболее наглядных способов обобщить текущее понимание связи бозона Хиггса с другими частицами является сравнение силы его взаимодействия с массой частиц Стандартной модели (см. рисунок слева). Отсюда ясно видно, что сила взаимодействия (вертикальная ось) зависит от массы частицы (горизонтальная ось): чем тяжелее частица, тем сильнее ее взаимодействие с полем Хиггса . Это одно из основных предсказаний механизма BEH в Стандартной модели.

Можно ли использовать бозон Хиггса в качестве инструмента для будущих открытий?

Теория, лежащая в основе механизма Хиггса, делает подробные предсказания о свойствах бозона Хиггса, которые проверяются ATLAS. К ним относятся измерения скорости образования и распада бозона Хиггса в зависимости от свойств этих событий столкновения. (Изображение: ATLAS Experiment/CERN)

Связь между силой связи бозона Хиггса и массой частицы — не единственное свойство его взаимодействий, которое физики хотят понять. Более крупные наборы данных, собранные с момента первоначального открытия, и данные, которые еще предстоит записать, теперь позволяют проводить подробные и точные измерения частоты образования и распада бозона Хиггса с помощью различных механизмов.

На рисунке справа показаны лишь некоторые из выполненных измерений скорости образования и распада бозона Хиггса (вертикальные оси). Любые отклонения от предсказаний Стандартной модели могут указывать на то, что наше понимание бозона Хиггса является неполным.

Глядя на движение частиц при распаде бозона Хиггса, например, на углы между образовавшимися частицами, можно проверить другие свойства взаимодействия бозона Хиггса. Такие методы использовались для изучения того, проявляют ли взаимодействия Хиггса с тау-частицами асимметрию зарядовой четности и, таким образом, играет ли бозон Хиггса особую роль в объясняет, почему материи в нашей Вселенной гораздо больше, чем антиматерии .

Одним из пока еще ненаблюдаемых взаимодействий, предсказанных для бозона Хиггса, является его самодействие, при котором бозоны Хиггса взаимодействуют друг с другом. Это чрезвычайно редкий процесс на БАК, и, по прогнозам, для его наблюдения потребуется гораздо больше данных, чем регистрируется в настоящее время. Этот процесс позволяет исследовать новые явления, которые, согласно предсказаниям, взаимодействуют только с бозоном Хиггса, но также, что крайне важно, впервые позволит провести тестов свойств самого поля Хиггса 9 .0018 .

Ограничения, установленные на скорости взаимодействия темной материи с нормальной материей (вертикальная ось) в зависимости от массы темной материи (горизонтальная ось) для модели, в которой темная материя возникает в результате распада бозона Хиггса. (Изображение: ATLAS Collaboration/CERN)

Физики не просто пытаются проверить, согласуются ли свойства бозона Хиггса со свойствами, предсказанными Стандартной моделью, — они теперь также используют бозон Хиггса в качестве инструмента для поиска свидетельство новой физики!

Поскольку измерение связи бозона Хиггса с известными частицами уже установлено, в настоящее время проводится всесторонняя программа поиска с использованием того, что мы знаем о бозоне Хиггса до изучают теории, предсказывающие появление новых частиц в результате распада бозона Хиггса или одновременно с ним.

Проводятся измерения, проверяющие теории, которые предсказывают распады бозона Хиггса на комбинации частиц, запрещенные в Стандартной модели, или устанавливающие строгие ограничения для теорий, которые предсказывают появление новых частиц при распаде бозона Хиггса (см. рисунок здесь).

Особая загадка, для исследования которой используется бозон Хиггса, — тайна темной материи. Поскольку темная материя имеет массу, механизм BEH говорит нам, что бозон Хиггса должен с ней взаимодействовать. Физики используют эти знания как для поиска темной материи, образованной вместе с бозонами Хиггса в БАК, так и, ограничивая скорость распада бозона Хиггса на невидимые или ненаблюдаемые частицы, для поиска темной материи, образованной самими бозонами Хиггса. Эти поиски поставили сильные ограничения на теории взаимодействия темной материи с нормальной материей (см. рисунок слева). До сих пор ни один из этих поисков не нашел ничего неожиданного, но поиск все еще продолжается, и еще многое предстоит изучить!

Основные моменты исследования ATLAS бозона Хиггса

Бозон Хиггса: охота, открытие, изучение и некоторые перспективы на будущее

Происхождение бозона Хиггса

Многие вопросы в физике элементарных частиц связаны с существованием массы частиц. Говорят, что «механизм Хиггса», состоящий из поля Хиггса и соответствующего ему бозона Хиггса, придает массу элементарным частицам. Под «массой» мы подразумеваем инерционную массу, которая сопротивляется, когда мы пытаемся ускорить объект, а не гравитационную массу, которая чувствительна к гравитации. В знаменитой формуле Эйнштейна E = mc 2 , «m» — инерционная масса частицы. В некотором смысле эта масса является существенной величиной, которая определяет, что в этом месте находится частица, а не ничто.

В начале 1960-х у физиков была мощная теория электромагнитных взаимодействий и описательная модель слабого ядерного взаимодействия — силы, которая играет роль во многих радиоактивных распадах и реакциях, благодаря которым Солнце сияет. Они выявили глубокое сходство между структурой этих двух взаимодействий, но единая теория на более глубоком уровне, казалось, требовала, чтобы частицы были безмассовыми, даже если реальные частицы в природе имеют массу.

В 1964 году теоретики предложили решение этой загадки. Независимые усилия Роберта Браута и Франсуа Энглера в Брюсселе, Питера Хиггса из Эдинбургского университета и других привели к созданию конкретной модели, известной как механизм Браута-Энглера-Хиггса (BEH). Особенность этого механизма в том, что он может придавать массу элементарным частицам, сохраняя при этом красивую структуру их первоначальных взаимодействий. Важно отметить, что эта структура гарантирует, что теория остается предсказательной при очень высоких энергиях. Частицы, несущие слабое взаимодействие, приобрели бы массу благодаря взаимодействию с полем Хиггса, как и все материальные частицы. Фотон, несущий электромагнитное взаимодействие, остался бы безмассовым.

В истории Вселенной частицы взаимодействовали с полем Хиггса всего через 10 -12 секунд после Большого Взрыва. До этого фазового перехода все частицы были безмассовыми и двигались со скоростью света. После того, как Вселенная расширилась и остыла, частицы взаимодействовали с полем Хиггса, и это взаимодействие придавало им массу. Механизм БЭХ подразумевает, что значения масс элементарных частиц связаны с тем, насколько сильно каждая частица взаимодействует с полем Хиггса. Эти значения не предсказываются современными теориями. Однако, как только масса частицы измерена, можно определить ее взаимодействие с бозоном Хиггса.

Механизм BEH имел несколько следствий: во-первых, слабое взаимодействие было опосредовано тяжелыми частицами, а именно бозонами W и Z, которые были открыты в ЦЕРН в 1983 году. Во-вторых, само новое поле должно было материализоваться в другой частице. Масса этой частицы была неизвестна, но исследователи знали, что она должна быть ниже 1 ТэВ — значение, намного превышающее тогдашние мыслимые пределы ускорителей. Эта частица позже была названа бозоном Хиггса и стала самой востребованной частицей во всей физике элементарных частиц. 9Ускоритель, эксперименты и бозон Хиггса . Хотя LEP не нашел бозона Хиггса, он значительно продвинулся в поисках, определив, что масса должна быть больше 114 ГэВ.

В 1984 году несколько физиков и инженеров ЦЕРНа изучали возможность установки протон-протонного ускорителя с очень высокой энергией столкновения 10-20 ТэВ в том же тоннеле, что и LEP. Этот ускоритель исследовал бы весь возможный диапазон масс бозона Хиггса при условии, что светимость [1] был очень высоким. Однако такая высокая яркость означала бы, что каждое интересное столкновение будет сопровождаться десятками фоновых столкновений. Учитывая состояние детекторных технологий того времени, это казалось огромной проблемой. ЦЕРН мудро запустил мощную программу исследований и разработок, которая позволила быстро развить детекторы. Это положило начало раннему сотрудничеству, которое позже превратилось в ATLAS, CMS и другие эксперименты LHC.

С теоретической точки зрения 199В 0-е годы произошел значительный прогресс: физики изучили образование бозона Хиггса в протон-протонных столкновениях и все различные способы его распада. Поскольку каждый из этих режимов распада сильно зависит от неизвестной массы бозона Хиггса, будущие детекторы должны будут измерять все возможные типы частиц, чтобы охватить широкий диапазон масс. Каждая мода затухания была изучена с помощью интенсивного моделирования, и важные моды затухания бозона Хиггса были среди эталонов, использованных при разработке детектора.

Тем временем в Национальной ускорительной лаборатории Ферми (Фермилаб) за пределами Чикаго, штат Иллинойс, коллайдер Тэватрон начал иметь некоторый потенциал для открытия бозона Хиггса с массой около 160 ГэВ. Тэватрон, научный предшественник БАК, столкнул протоны с антипротонами из 1986 to 2011.

В 2008 году, после долгого и интенсивного строительства, БАК и его детекторы были готовы к приему первых пучков. 10 сентября 2008 г. первая инъекция пучков в БАК стала большим событием в ЦЕРН, на которое были приглашены международная пресса и власти. Машина работала прекрасно, и у нас были очень большие надежды. Увы, десять дней спустя проблема в сверхпроводящих магнитах значительно повредила БАК. Целый год потребовался на ремонт и установку более качественной системы защиты. Инцидент выявил слабость магнитов, которая ограничила энергию столкновения до 7 ТэВ.

При перезапуске мы столкнулись с трудным решением: стоит ли нам потратить еще год на устранение недостатков по всему кольцу, чтобы обеспечить работу при 13 ТэВ? Или мы должны немедленно запустить и запустить БАК при энергии 7 ТэВ, даже если будет произведено в три раза меньше бозонов Хиггса? Подробное моделирование показало, что есть шанс обнаружить бозон Хиггса при пониженной энергии, в частности, в диапазоне, где конкуренция Тэватрона была наиболее острой, поэтому мы решили, что стоит начать сразу с 7 ТэВ.

LHC перезапустился в 2010 году при энергии 7 ТэВ со скромной светимостью, которая должна была увеличиться в 2011 году. Коллаборация ATLAS хорошо воспользовалась вынужденной остановкой в ​​2009 году, чтобы лучше понять детектор и подготовить анализы. В 2010 году специалисты по экспериментам и теории бозона Хиггса создали рабочую группу LHC Higgs Cross-Section [2] (LHCHXSWG), которая оказалась неоценимой в качестве форума для сопровождения наилучших расчетов и обсуждения сложных аспектов производства бозона Хиггса и разлагаться. Эти результаты с тех пор регулярно документируются в «желтых отчетах LHCHXSWG», известных в сообществе.

Открытие бозона Хиггса.

. 125 ГэВ согласуется с предсказаниями для бозона Хиггса Стандартной модели. (Изображение: ATLAS Collaboration/CERN)

Поскольку бозоны Хиггса чрезвычайно редки, требуются сложные методы анализа, чтобы обнаружить сигнальные события на большом фоне других процессов. После того, как события, подобные сигналу, идентифицированы, используются мощные статистические методы для количественной оценки того, насколько значим сигнал. Поскольку статистические флуктуации фона также могут выглядеть как сигналы, предъявляются строгие статистические требования, прежде чем будет заявлено, что обнаружен новый сигнал. Значимость обычно указывается как σ или количество стандартных отклонений нормального распределения. В физике элементарных частиц значимость 3σ называется доказательством, а 5σ — наблюдением, что соответствует вероятности статистического отклонения от фона менее 1 на миллион.

Нетерпеливые физики анализировали данные, как только они поступали. Летом 2011 г. произошел небольшой избыток в распаде бозона Хиггса до двух W-бозонов с массой около 140 ГэВ. Все стало еще интереснее, так как избыток при аналогичной массе наблюдался и в дифотонном канале. Однако по мере увеличения набора данных размер этого превышения сначала увеличивался, а затем уменьшался.

К концу 2011 года ATLAS собрал и проанализировал 5 fb -1 данных при энергии центра масс 7 ТэВ. После объединения всех каналов было обнаружено, что бозон Хиггса Стандартной модели может быть исключен для всех масс, за исключением небольшого окна около 125 ГэВ, где наблюдался избыток со значимостью около 3σ, в значительной степени обусловленный дифотоном и четырьмя лептонами. каналы распада. Результаты были показаны на специальном семинаре в ЦЕРН 13 декабря 2011 года. Хотя ни один из экспериментов не дал достаточно убедительных результатов, чтобы претендовать на наблюдение, особенно показательным был тот факт, что и ATLAS, и CMS имели излишки при одинаковой массе.

В 2012 году энергия LHC была увеличена с 7 до 8 ТэВ, что увеличило сечения рождения бозона Хиггса. Данные поступили быстро: к лету 2012 года ATLAS собрал 5 fb -1 при энергии 8 ТэВ, удвоив набор данных. Как только поступили данные, они были проанализированы, и, конечно же, значение этого небольшого скачка около 125 ГэВ еще больше возросло. По ЦЕРНу ходили слухи, когда 4 июля 2012 года было объявлено о проведении совместного семинара между ATLAS и CMS. Места на семинаре пользовались таким спросом, что попасть в помещение смогли только люди, которые стояли в очереди всю ночь. Присутствие на семинаре Франсуа Энглера и Питера Хиггса еще больше усилило волнение.

На знаменитом семинаре представители коллабораций ATLAS и CMS последовательно представили свои результаты, каждый из которых обнаружил избыток около 5σ при массе 125 ГэВ. В завершение сессии генеральный директор ЦЕРН Рольф Хойер заявил: «Я думаю, у нас это есть».

Коллаборация ATLAS отпраздновала открытие шампанским и подарила каждому члену коллаборации футболку со знаменитыми сюжетами. Кстати, только после того, как они были напечатаны, обнаружилась опечатка в сюжете. Неважно, эти футболки станут предметом коллекционирования.

ATLAS и CMS опубликовали результаты в Physics Letters B несколько недель спустя. Документ ATLAS под названием «Наблюдение за новой частицей при поиске бозона Хиггса стандартной модели с помощью детектора ATLAS на LHC». Нобелевская премия по физике была присуждена Питеру Хиггсу и Франсуа Энглеру в 2013 году. Избыток событий около 125 ГэВ согласуется с предсказаниями Стандартной модели для бозона Хиггса. (Изображение: ATLAS Collaboration/CERN) Рисунок 4: Измеренная сила взаимодействия как функция массы различных частиц в Стандартной модели. (Изображение: сотрудничество ATLAS и CMS/ЦЕРН)

Что мы узнали с момента открытия

После открытия мы начали изучать свойства вновь открытой частицы, чтобы понять, бозон Хиггса Стандартной модели это или что-то другое. На самом деле, мы первоначально назвали его бозоном, подобным Хиггсу, поскольку не хотели утверждать, что это бозон Хиггса, пока не были уверены. Масса, последний неизвестный параметр в Стандартной модели, была одним из первых измеренных параметров и оказалась равной примерно 125 ГэВ (примерно в 130 раз больше, чем масса протона). Оказалось, что нам очень повезло — при такой массе возможно наибольшее количество мод распада.

В Стандартной модели бозон Хиггса уникален: у него нулевой спин, электрический заряд и сильное силовое взаимодействие. Спин и четность измерялись с помощью угловых корреляций между частицами, на которые он распался. Конечно же, эти свойства оказались такими, как было предсказано. С этого момента мы стали называть его «бозоном Хиггса». Конечно, еще предстоит выяснить, является ли он единственным бозоном Хиггса или одним из многих, например, предсказанных суперсимметрией.

Открытие бозона Хиггса основывалось на измерениях его распада на векторные бозоны. В Стандартной модели различные связи определяют его взаимодействие с фермионами и бозонами, поэтому новая физика может влиять на них по-разному. Поэтому важно измерять оба. Первым прямым исследованием фермионных взаимодействий были тау-частицы, что наблюдалось в сочетании результатов ATLAS и CMS, выполненных в конце запуска 1. Во время запуска 2 увеличение энергии центра масс до 13 ТэВ и больший набор данных позволил исследовать дополнительные каналы. За последний год были получены доказательства распада Хиггса на низшие кварки и наблюдалось рождение бозона Хиггса вместе с высшими кварками. [3] Это означает, что взаимодействие бозона Хиггса с фермионами точно установлено.

Возможно, один из лучших способов обобщить то, что мы в настоящее время знаем о взаимодействии бозона Хиггса с другими частицами Стандартной модели, — это сравнить силу взаимодействия с массой каждой частицы, как показано на рис. 4. Это ясно показывает, что сила взаимодействия зависит от массы частицы: чем тяжелее частица, тем сильнее ее взаимодействие с полем Хиггса. Это одно из основных предсказаний механизма BEH в Стандартной модели.

Мы не только проводим тесты, чтобы убедиться, что свойства бозона Хиггса согласуются со свойствами, предсказанными Стандартной моделью, — мы специально ищем свойства, которые могли бы служить доказательством новой физики. Например, ограничение скорости распада бозона Хиггса на невидимые или ненаблюдаемые частицы обеспечивает строгие ограничения на существование новых частиц с массами ниже массы бозона Хиггса. Мы также ищем распады на комбинации частиц, запрещенные в Стандартной модели. Пока ни один из этих поисков не нашел ничего неожиданного, но это не значит, что мы собираемся перестать искать в ближайшее время!

Outlook

2018 год — последний год, когда ATLAS будет собирать данные в рамках второго запуска LHC. Открытие бозона Хиггса. В результате было получено все больше и больше результатов для более детального изучения бозона Хиггса.

В течение следующих нескольких лет анализ большого набора данных Run 2 предоставит не только возможность достичь нового уровня точности в предыдущих измерениях, но и изучить новые методы проверки предсказаний Стандартной модели и проверить наличие новая физика настолько независимо от модели, насколько это возможно. Этот новый уровень точности будет зависеть от более глубокого понимания работы детектора, а также моделирования и алгоритмов, используемых для идентификации проходящих через него частиц. Это также ставит новые задачи перед теоретиками, чтобы не отставать от повышения экспериментальной точности.

В более долгосрочной перспективе еще один большой шаг в производительности сделает БАК высокой яркости (HL-LHC), запуск которого планируется в 2024 году. HL-LHC увеличит количество столкновений еще в 10 раз. Помимо других измерений, это откроет возможность исследовать очень своеобразное свойство бозона Хиггса: он соединяется сам с собой. События, вызванные этой связью, содержат два бозона Хиггса в конечном состоянии, но они чрезвычайно редки. Таким образом, их можно изучать только в рамках очень большого числа столкновений и с использованием сложных методов анализа. Чтобы соответствовать повышенной производительности LHC, детекторы ATLAS и CMS будут подвергнуты всесторонней модернизации в течение нескольких лет до HL-LHC.

В более общем плане открытие бозона Хиггса с массой 125 ГэВ закладывает новый фундамент для построения физики элементарных частиц. В этой области остается много вопросов, большинство из которых имеют какое-то отношение к сектору Хиггса. Например:

  • Популярной теорией, выходящей за рамки Стандартной модели, является «суперсимметрия», которая представляет привлекательные черты для решения текущих вопросов, таких как природа темной материи. Минимальная версия суперсимметрии предсказывает, что масса бозона Хиггса должна быть меньше 120-130 ГэВ, в зависимости от некоторых других параметров. Является ли совпадением то, что наблюдаемое значение находится точно на этом критическом значении, что, следовательно, все еще незначительно допускает эту суперсимметричную модель?
  • Недавно было предложено несколько моделей, согласно которым единственная связь темной материи с обычной материей осуществляется через бозон Хиггса.
  • Стабильность Вселенной: значение 125 ГэВ находится почти на критической границе между стабильной Вселенной и метастабильной Вселенной. Метастабильная система обладает другим базовым состоянием, в которое она может перейти в любой момент из-за квантового туннелирования. [4] Это тоже совпадение?
  • Фазовый переход: детали этого перехода могут сыграть роль в процессе, который привел к тому, что наша Вселенная полностью состоит из материи и не содержит никакой антиматерии. Нынешние расчеты только с бозоном Хиггса Стандартной модели несовместимы с наблюдаемой асимметрией вещества и антивещества. Это призыв к новой физике или только неполные расчеты?
  • Все ли массы фермионов связаны с полем бозона Хиггса? Если да, то почему существует такая огромная иерархия между массами фермионов, простирающаяся от долей электрон-вольт для таинственных нейтрино до очень тяжелого топ-кварка с массой порядка сотен миллиардов электрон-вольт?

Судя по тому, что мы уже узнали о нем, бозон Хиггса играет особую роль в природе… Может ли он показать нам, как ответить на дальнейшие вопросы?


Об авторах

Хизер Грей — физик-экспериментатор Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, США. Она является участницей эксперимента ATLAS на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе, в который она внесла свой вклад, включая измерение взаимодействий бозона Хиггса с кварками. Бруно Мансулие — научный сотрудник CEA-IRFU, Сакле, Франция. Он работал как физиком-теоретиком, так и физиком-экспериментатором и является одним из основателей ATLAS, где, среди прочего, он проводил комбинированный анализ бозона Хиггса и возглавлял рабочую группу Хиггса. Оба любят рассказывать о физике элементарных частиц неспециалистам.


[1] Светимость — это машинный параметр, определяющий количество событий в секунду для данного физического процесса. Чем выше светимость, тем больше событий в секунду

[2] Поперечное сечение является мерой вероятности того, что этот процесс произойдет во время любого протон-протонного столкновения. Процессы с большими сечениями происходят чаще, чем процессы с малыми сечениями.

[3] С момента публикации этой характеристики ATLAS наблюдал распад бозона Хиггса на пару нижних (b) кварков со значимостью 5,4 стандартных отклонения.