Бозона хиггса: одно из самых важных открытий в науке — Naked Science

как бозон Хиггса изменил наше представление о Вселенной

Анастасия
Никифорова

Новостной редактор

Анастасия
Никифорова

Новостной редактор

В течение десятилетий физики искали доказательства существования бозона Хиггса как «последней недостающей части» Стандартной модели. «Хайтек» рассказывает о главных открытиях, связанных с божественной частицей.

Читайте «Хайтек» в

Десять лет назад, 4 июля 2012 года, коллаборация ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере (БАК) объявила об обнуржении новой частицы с характеристиками, согласующимися с характеристиками бозона Хиггса, предсказанными Стандартной моделью физики элементарных частиц.  Открытие стало важной вехой в истории науки и привлекло внимание всего мира. 

Годом позже Франсуа Энглер и Питер Хиггс получили Нобелевскую премию по физике за предсказание, сделанное десятилетиями ранее вместе с покойным Робертом Браутом, нового фундаментального поля, известного как поле Хиггса. Оно пронизывает Вселенную, проявляет себя как бозон Хиггса и придает массу элементарным частицам.

Как нашли бозон?

Открытие бозона Хиггса — результат международного сотрудничества команд ATLAS и CMS (компактный мюонный соленоид) в ЦЕРН. В поисках «божественной частицы» приняли участие более 5500 инженеров, техников, физиков-элементаристов, студентов и других экспертов из 54 стран. Сотрудники более 240 научных институтов со всего мира участвовали в поисках бозона Хиггса на БАК, что сделало его одним из крупнейших научных проектов в истории.

По данным ЦЕРН, все полученные до сих пор результаты на коллайдере основаны всего на 5% от общего объема данных, которые коллайдер предоставит за время своего существования. Он уже подтвердил ряд теорий и предсказаний Стандартной модели физики, а также раскрыл новую информацию.

Главные открытия

Спустя 10 лет после открытия ученые рассказали о наиболее значительных достижениях исследования бозона Хиггса:

— Эксперименты показали, что новая частица не имеет собственного углового момента или квантового спина, как предсказывает Стандартная модель.

— Исследователи наблюдали, как бозоны Хиггса образуются из пар W- или Z-бозонов и распадаются на них, подтверждая, что эти частицы приобретают свою массу за счет взаимодействия с полем Хиггса, как и предсказывает Стандартная модель.

— Эксперименты также показали, что верхний кварк, нижний кварк и тау-лептон (наиболее тяжелые фермионы) получают свою массу за счет взаимодействия с полем Хиггса, что также предсказала Стандартная модель. Наблюдения подтвердили существование взаимодействия или силы, называемой взаимодействием Юкавы, которая является частью Стандартной модели и передается бозоном Хиггса. Эти взаимодействия играют важную роль в объяснении ядерных сил, удерживающих вместе протоны и нейтроны.

— Масса бозона Хиггса составила 125 млрд электронвольт (ГэВ). Хотя масса бозона Хиггса не предсказывается Стандартной моделью, вместе с массой самой тяжелой из известных элементарных частиц, топ-кварка и другими параметрами она может определять стабильность вакуума во Вселенной и объяснять, почему она не схлопывается.

— К 2022 году обнаружено более 60 составных частиц (тех, которые состоят из более чем двух элементарных частиц), предсказанных Стандартной моделью, включая экзотические «тетракварки» и «пентакварки».

Необычные отклонения

Согласно ЦЕРН, в ходе экспериментов ученые выявили несколько «интригующих намеков на отклонения от Стандартной модели», которые «требуют дальнейшего изучения». Также ученые с «беспрецедентными подробностями» изучили кварк-глюонную плазму, которая наполняла Вселенную в момент ее зарождения. Также продолжаются исследования по поиску новых частиц помимо тех, которые предсказывает Стандартная модель.

По словам представителя CMS Луки Мальджери, «сам бозон Хиггса может указывать на новые явления, в том числе те, которые ответственны за темную материю во Вселенной».

Новые вопросы

Исследования «божественной частицы» продолжаются, и БАК постоянно предоставляет ценные данные, связанные с полями и бозоном Хиггса. Физикам еще предстоит найти ответы на многие вопросы, например:
— Придает ли поле Хиггса массу более легким фермионам, или может действовать другой механизм?
— Является ли бозон Хиггса элементарной или сложной частицей?
— Может ли он взаимодействовать с темной материей и раскрывать природа этой загадочной формы материи?
— Что порождает массу бозона Хиггса и его взаимодействие с самим собой?
— Есть ли у него частицы-близнецы или родственники?

Что дальше?

Хотя ученые получили много информации о частице за последние 10 лет, остается много неизвестного. Тем временем исследователи из ЦЕРН строят планы по созданию нового коллайдера — Future Circular Collider. Он будет еще больше, чем БАК — 100 км против 27 км. После того, как FCC заработает, он сможет выделять огромное количество бозонов Хиггса, что позволит ученым составить карту того, как эти частицы взаимодействуют с другим веществом. 

Исследования (1, 2, 3), посвященные 10-летнему исследованию бозона Хиггса, опубликованы в журнале Nature.

Читать далее:

Черная дыра в Галактике подтвердила правоту Эйнштейна. Главное

Космос разрушает кости и меняет их структуру: ученые не знают, как люди полетят на Марс

Астрономы нашли планеты, которые отличаются от Земли, но пригодны для жизни

Интервью Виктора Матвеева к 10-летию открытия бозона Хиггса

Сегодня отмечается 10 лет со дня открытия бозона Хиггса. Бозон Хиггса играет ключевую роль в механизме генерации масс других элементарных частиц. Его наблюдение завершило экспериментальное обнаружение спектра элементарных частиц, предсказанных в Стандартной модели. Ученые Объединенного института ядерных исследований внесли определяющий вклад в обнаружение бозона Хиггса и по праву являются соавторами этого открытия. Об этом событии было объявлено 4 июля 2012 г., и с тех пор исследователям удалось значительно продвинуться в понимании свойств бозона Хиггса, хотя многое еще предстоит изучить.

Пресс-релиз ЦЕРН по случаю 10-летия открытия бозона Хиггса

Сегодня в честь 10-летия открытия частицы проходит юбилейный симпозиум в ЦЕРН. Его участники рассматривают последние результаты исследований бозона Хиггса и обсуждают перспективы на будущее. Участие в нем принимает Председатель совета объединения институтов РФ и стран-участниц ОИЯИ в эксперименте CMS (RDMS CMS), научный руководитель Объединенного института ядерных исследований академик РАН Виктор Матвеев. В преддверии юбилейного мероприятия он рассказал о том, почему открытие этой частицы явилось настолько важным для фундаментальной науки.

— Виктор Анатольевич, скажите, пожалуйста, почему открытие этой элементарной частицы в научном мире воспринимается как праздник?

— В эти дни вся мировая научная общественность, прежде всего, ученые, специалисты многих стран, которые непосредственно участвовали в экспериментальных исследованиях на Большом адронном коллайдере, отмечают десятилетие со дня открытия одного из крупнейших, значительных научных открытий в области фундаментальной физики – открытие так называемого скалярного бозона Хиггса. Пожалуй, никакого иного открытия в физическом мире не ждали с таким нетерпением, я бы сказал – с энтузиазмом, как открытия бозона Хиггса. И оно совершилось ровно десять лет назад, 4 июля, когда о наблюдении этого бозона объявили участники двух крупнейших научных коллабораций: проектов ATLAS и CMS, – на основе тех данных, которые были получены в экспериментах на LHC.

— Почему это открытие было таким ожидаемым?

— Открытие бозона Хиггса явилось подтверждением существования в природе физического поля принципиально нового типа, если сравнить его, например, с электромагнитным полем. Названо оно было по имени предсказавшего возможность его существования теоретика– полем Хиггса. Чем оно замечательно, чем оно отличается от всех известных физических полей? Оно в основном своем состоянии, то есть в вакууме, принимает отличное от нуля значение во всем пространстве. Тем самым, заполняя все пространство, это поле порождает механизм генерации массы фундаментальных фермионов: электронов, кварков и так далее – являющихся, как мы говорим, элементарными составляющими всей наблюдаемой вокруг нас материи. Таким образом, открытие бозона Хиггса, без всякого преувеличения, – это триумф теоретической мысли, позволивший на базе объединения всех основополагающих знаний, которые были получены за прошедшее столетие в изучении законов микромира, создать концепцию Стандартной модели элементарных частиц. Стандартная модель является одним из наивысших интеллектуальных достижений человечества. Все ее предсказания, все открытия были с высочайшей точностью подтверждены экспериментально. Не могу не отметить, что празднование десятилетия этого эпохального открытия – прекрасный повод напомнить о том значительном вкладе в создание Стандартной модели, который внесли теоретики Дубны, прежде всего Н.Н. Боголюбов, Д.В. Ширков и их научная школа. Как не раз подчеркивал один из соавторов Стандартной модели лауреат Нобелевской премии Абдус Салам, именно в работах Николая Николаевича Боголюбова в теорию элементарных частиц и квантовую теорию поля была введена концепция спонтанного нарушения симметрии. В работах Н. Н. Боголюбова и его учеников было предложено введение нового квантового числа кварков, названного впоследствии цветом кварка, играющее важнейшую роль в Квантовой хромодинамике – калибровочной теории сильных, ядерных взаимодействий. Само создание уникального коллайдера ЦЕРН было бы невозможно без использования выдающегося открытия В.И. Векслера принципа автофазировки.

Таким образом, существование бозона Хиггса есть редчайшее открытие в современной истории науки, и в этом заключается и наше достижение, достижение ОИЯИ и его стран-участниц.

Ученые и специалисты Дубны во взаимодействии со своими коллегами из России и стран-участниц, а также с коллегами и партнерами из других стран мира внесли основополагающий вклад в формирование научного комплекса Большого адронного коллайдера, в разработку и создание его уникальных детекторов частиц, таких, как ATLAS, CMS, ALICE, и в разработку физической программы исследований в области фундаментальной физики.

И, конечно, нельзя не сказать также, что само открытие бозона Хиггса, такой большой результат – это триумф международного научного сотрудничества, его высоких принципов, которые продемонстрировали эффективность объединения материальных и интеллектуальных ресурсов, в немалой степени молодых талантов для получения знаний о законах мироздания в интересах всех стран мира, всего человечества. Это принцип «Наука сближает народы» в действии.

(c) CERN

— Каковы были Ваши личные впечатления, эмоции, когда вы осознали, что открытие совершилось?

— Как бы мы ни верили в теорию, надеяться на то, что природа устроена именно так, как теоретики об этом думают, – это большая смелость. Конечно, вначале это было изумление и большая радость. Мы достигли того, к чему стремились. «Эврика!» – этот возглас, с которым совершаются научные открытия, вызывает всегда очень мощное, глубокое и эмоциональное чувство. Конечно, мы горды в том числе тем, что достигли таких высот в постижении секретов мироздания и достигли их с успехом, находясь в составе большой команды ученых из многих стран мира, работавших сообща, движимые к общему для всех результату, стремясь своим трудом обогатить знания всего человечества.

Это был серьезный успех – общий для большой команды ярких ученых и специалистов из России и стран участниц ОИЯИ, участвующих в проекте CMS, которая известна в мире под именем RDMS. И мне, как председателю совета RDMS, было очень почетно и приятно работать с ними и вместе с Руководителем нашей части проекта И.А. Голутвиным быть во главе такого талантливого коллектива.

— Какие перспективы научного поиска открываются в связи с открытием бозона Хиггса?

— Поиски законов за пределами Стандартной модели – это огромная, большая задача. К сожалению, чем дальше, тем труднее становится их искать. Здесь надо опираться на объединения усилий ученых всего мира, чтобы сформировать условия, которые позволяют существовать международному научному сотрудничеству. В связи с этим нужно сказать, что все мы находимся под влиянием решений, обсуждаемых и принимаемых на заседаниях Совета ЦЕРНа, который сейчас принял достаточно компромиссное решение, достигнутое как баланс между видением мирового сообщества физиков, ученых и теми условиями, которые формулируют политики. И само это решение создает существенные сложности для сохранения и продолжения совместных научных исследований. Однако результаты наших исследований служат не только нам в Дубне и нашим странам-участницам – они служат миру.

Мы должны с оптимизмом смотреть вперед. У нас в Дубне сформулирована очень крупная и амбициозная программа по ряду научных направлений. И конечно, если говорить о нерешенных задачах или проблемах Стандартной модели, –то это квантовая хромодинамика как составная часть Стандартной модели, теория сильных взаимодействий, которая требует дальнейших очень сложных исследований. В частности, тех исследований, которые мы планируем проводить на коллайдере тяжелых ионов NICA. Это действительно та задача, которая стоит перед мировым сообществом, и мы должны гордиться тем, что создаем уникальный прибор, нужный не только нам в Дубне, не только нашим странам-участницам, но и всему мировому сообществу. Здесь нам необходимо настроиться на получение самых больших и важных результатов, которые позволили бы нам судить о той форме ядерной материи, которая возникла при первых мгновениях после рождения Вселенной – так называемой физике кварк-глюонной материи. Поэтому необходимо всегда смотреть в будущее с оптимизмом, но быть реалистами и делать все возможное для сохранения творчества и научного сотрудничества ученых всего мира.

— Что бы Вы хотели пожелать в этот день участникам объединения RDMS и сотрудникам ОИЯИ, задействованным в экспериментах на LHC?

— Мне приятно от лица Дирекции ОИЯИ поздравить всех участников исторических экспериментов на LHC в ЦЕРН, всех сотрудников лабораторий Института, ученых, инженеров, специалистов, которые внесли в том или ином виде вклад в создание уникальных экспериментальных установок, поздравить их с десятилетием открытия одного из ключевых элементов современной теории элементарных частиц – бозона Хиггса. Это открытие знаменует переход к новому этапу фундаментальных исследований – к поиску того, что сейчас называют Новой физикой за пределами Стандартной модели элементарных частиц, астрофизики и космологии.

Дорогие коллеги и друзья! Желаю вам от имени руководства Института, от всего научного коллектива новых крупных достижений на пути раскрытия сокровенных тайн природы и познания законов эволюции Вселенной, открытия новых фундаментальных составляющих в мире и новых фундаментальных сил. Больших вам успехов, дорогие коллеги! Вперед, к новым рубежам большой науки!

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

[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]

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

Что такое бозон Хиггса?

Концептуальная иллюстрация частицы Хиггса (оранжевый, вверху и внизу), образующейся при столкновении двух протонов. Каждый протон состоит из трех кварков (зеленого и синего), удерживаемых вместе сильным ядерным взаимодействием, переносимым глюонами (белые волнистые линии). Бозон Хиггса, существование которого давно ожидалось в соответствии с теорией, был наконец обнаружен в протон-протонных столкновениях, проведенных с использованием Большого адронного коллайдера (БАК) в ЦЕРН в Швейцарии в 2012 году.
(Изображение предоставлено Марком Гарликом/Science Photo Library через Getty Images)

Бозон Хиггса — одна из 17 элементарных частиц, составляющих Стандартную модель физики элементарных частиц, которая является лучшей теорией ученых о поведении самых основных строительных блоков Вселенной. Частица бозона Хиггса была открыта последней после пятидесятилетних поисков, и она играет такую ​​фундаментальную роль в субатомной физике, что ее иногда называют «частицей Бога». Здесь мы более подробно рассмотрим бозон Хиггса от его теоретического происхождения, через его громкое открытие в 2012 году до его непреходящего значения сегодня. 92 , где E — энергия. Поскольку c — это всего лишь константа — скорость света, — то это уравнение говорит нам, что, за исключением изменения единиц измерения, энергия и масса — это одно и то же. Около 99% массы любого объекта реального мира, такого как человеческое тело , создается энергией связи, удерживающей элементарные частицы вместе внутри атомов . Однако оставшийся 1% массы принадлежит этим элементарным частицам . Вопрос: как сделать они получают свою массу?

В 1960-х годах физики-теоретики, в том числе Питер Хиггс из Эдинбургского университета, придумали возможный ответ, согласно CERN , Европейской организации ядерных исследований. Предложенный ими механизм включает невидимое, но всепроникающее поле, позже названное «полем Хиггса». Именно благодаря взаимодействиям с этим полем элементарные частицы приобретают свою массу.

Разные частицы имеют разную массу, потому что поле Хиггса не влияет на них одинаково. Ученый ЦЕРН Стефано Мероли объясняет это аналогией человека (элементарной частицы), движущегося через группу журналистов (поле Хиггса). Если человек знаменитость, ему придется пробиваться с боем, как частице с большой массой, но если он неизвестен журналистам, он пройдет легко, как частица с малой массой.

Объяснение бозона Хиггса

Диаграмма бозона Хиггса. (Изображение предоставлено Наски через Shutterstock)

(открывается в новой вкладке)

Питер Хиггс представил свою оригинальную статью о поле Хиггса (в то время неназванную) в журнал Physical Review Letters 31 августа 1964 года, согласно Эдинбургского университета . В тот же день была опубликована еще одна статья бельгийских физиков Франсуа Энглера и Робера Броута, в которой описывалась по существу та же теория. Когда это было доведено до его сведения, Хиггс изменил свою собственную статью, добавив еще одно предсказание — что должна существовать новая элементарная частица, связанная с полем Хиггса. Он принадлежал к классу частиц, называемых бозонами, и сам имел чрезвычайно большую массу. Эта частица стала известна как бозон Хиггса.

Теория Хиггса была элегантным объяснением массы элементарных частиц, но была ли она правильной? Самым очевидным способом проверить это было наблюдение за бозоном Хиггса, но это никогда не было легким. Во-первых, ожидалось, что бозон Хиггса будет очень нестабильным, распадаясь на другие частицы за крошечную долю секунды, как пишет физик Брайан Грин для Smithsonian Magazine. А его огромная масса — по субатомным меркам — означала, что он мог быть создан только в результате столкновений сверхвысоких энергий. Когда ЦЕРН построил самый мощный в мире ускоритель частиц, Большой адронный коллайдер (БАК), одной из его основных целей было найти бозон Хиггса.

Открытие бозона Хиггса

Физики измеряют массу частиц в единицах, называемых электрон-вольт (эВ). Например, масса протона — ядра атома водорода — равна 938 млн эВ. Когда БАК начал работать в 2008 году, единственное, что ученые знали наверняка о бозоне Хиггса, это то, что его масса должна быть больше 114 миллиардов эВ, согласно CERN — иначе его бы нашли ускорители частиц предыдущего поколения. К счастью, БАК справился с поставленной задачей, производя все больше измерений, указывающих на что-то дразняще похожее на бозон Хиггса около 125 миллиардов эВ. К 4 июля 2012 года сомнений больше не было, и под большую помпу СМИ было сделано официальное объявление. Спустя почти 50 лет после того, как он был впервые предложен, бозон Хиггса наконец был обнаружен.

К сожалению, один из трех ученых, сделавших первоначальный прогноз, Роберт Браут, умер чуть более года назад. Однако два оставшихся в живых физика, Франсуа Энглер и Питер Хиггс, были удостоены в 2013 году Нобелевской премии по физике «за теоретическое открытие механизма, который способствует нашему пониманию происхождения массы субатомных частиц и который недавно был подтвержден». через открытие предсказанной фундаментальной частицы», согласно Нобелевский фонд (открывается в новой вкладке).

Чтобы открыть бозон Хиггса, физики проанализировали 30,6 миллиона распадов частиц, которые произошли на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРН в Швейцарии. (Изображение предоставлено Shutterstock)

(открывается в новой вкладке)

Частица Бога?

За пределами мира физики высоких энергий бозон Хиггса часто называют вызывающим воспоминания и броским названием «частица Бога». Это было название книги Леона Ледермана и Дика Терези на эту тему, вышедшей в 1993 году. Авторы говорят, что это название было выбрано потому, что издатель не позволил им назвать ее «Чертова частица». По словам 9, прозвище «Частица Бога», как бы его ни любили СМИ, не нравится многим ученым.0003 ЦЕРН (откроется в новой вкладке).

«Частица Бога» или нет, но открытие бозона Хиггса имело огромное значение. Это был последний фрагмент головоломки Стандартной модели, и он может привести ученых к пониманию дальнейших загадок, таких как природа темной материи , которые лежат за ее пределами, согласно Питу Уилтону (открывается в новом вкладка) Оксфордского университета.

Бозон Хиггса сегодня

Сам по себе бозон Хиггса также продолжает открывать новые тайны ученым в ЦЕРНе и других местах. Один из способов узнать больше о том, как он работает — и действительно ли он отвечает за массу всех других элементарных частиц, — это наблюдать за различными путями распада бозона Хиггса на другие частицы. Обычно он распадается на кварки, но также было обнаружено, что он распадается на совершенно другой класс частиц, называемый 9.0003 мюона . Это убедительный признак того, что мюоны, как и кварки, действительно получают свою массу благодаря механизму Хиггса.

Бозон Хиггса может преподнести нам еще больше сюрпризов. Например, обнаруженная частица, которая была близка к нижнему пределу ожидаемого диапазона масс, может быть не единственным бозоном Хиггса. Возможно, существует целое семейство бозонов Хиггса, некоторые из которых намного массивнее того, о котором мы знаем сейчас. С другой стороны, недавнее исследование предполагает, что, если бы бозон Хиггса имел значительно большую массу, чем он есть на самом деле, Вселенная могла бы подвергнуться катастрофическому коллапсу, прежде чем у нее появился шанс начать движение. Это действительно могло быть судьбой других частей мультивселенной, но, к счастью, не нашей. Если эта теория верна, мы можем благодарить бозон Хиггса за само наше существование.

Дополнительные ресурсы

• Послушайте физика Шон Кэрролл говорит о бозоне Хиггса
• Просмотреть хронологию о бозоне Хиггса от идеи к реальности
• подробнее 9009 о Стандартной модели и роли в ней бозона Хиггса

Библиография

Бозон Хиггса . ЦЕРН. https://home.cern/science/physics/бозон Хиггса (открывается в новой вкладке) 

ЦЕРН отвечает на запросы из социальных сетей . ЦЕРН. https://home.cern/resources/faqs/cern-answers-queries-social-media (открывается в новой вкладке) 

Министерство энергетики объясняет… бозон Хиггса . Министерство энергетики США. https://www.energy.gov/science/doe-explainsthe-higgs-boson (открывается в новой вкладке)

Уилтон, Пит. (2015, июль) Изучение темной стороны бозона Хиггса . Оксфордский университет. https://www.ox.ac.uk/news/science-blog/exploring-higgs-bosons-dark-side (открывается в новой вкладке)

Нобелевская премия по физике . (2013) Нобелевский фонд. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2013/summary/ (открывается в новой вкладке) 

Питер Хиггс и бозон Хиггса . (2014, март) Эдинбургский университет. https://www.ph.ed.ac.uk/higgs/brief-history (открывается в новой вкладке)

Грин, Брайан. Как был открыт бозон Хиггса . (2013, июль) https://www.smithsonianmag.com/science-nature/how-the-higgs-boson-was-found-4723520/ (открывается в новой вкладке)

Эндрю Мэй имеет докторскую степень. получил степень доктора астрофизики в Манчестерском университете, Великобритания. В течение 30 лет он работал в академическом, государственном и частном секторах, прежде чем стать научным писателем, где он писал для Fortean Times, How It Works, All About Space, BBC Science Focus и других. Он также написал ряд книг, в том числе «Космическое воздействие» и «Астробиология: поиск жизни в другом месте во Вселенной», изданные издательством Icon Books.

Бозон Хиггса | CMS Эксперимент

Бозон Хиггса — фундаментальная частица, предсказанная механизмом Браута-Энглерта-Хиггса. Эта теория объясняет, как элементарные частицы приобретают свою массу. Поиск бозона Хиггса — одно из самых увлекательных научных приключений. Это началось около 50 лет назад и десятилетиями считалось невозможным, что является одной из главных причин, по которой был построен БАК.

Необходимость в бозоне Хиггса

Наша Вселенная, кажется, описывается четырьмя фундаментальными силами: гравитацией, электромагнетизмом, слабым взаимодействием (которое регулирует ядерные явления, такие как синтез внутри звезд), и сильным взаимодействием (которое удерживает атомные ядра вместе). Примерно с начала прошлого века физики пытались объединить эти силы в рамках единой всеобъемлющей теории. Крупный прорыв произошел пять десятилетий назад, когда физики поняли, что между слабыми и электромагнитными взаимодействиями существует очень тесная связь. Эти две силы можно описать одной теорией: электричество, магнетизм, свет и некоторые виды радиоактивности — все это проявления одной основной силы, называемой электрослабой силой.

Теория электрослабых взаимодействий и квантовая хромодинамика (теория сильного взаимодействия) составляют основу Стандартной модели. Стандартная модель успешно описывает все известные нам элементарные частицы и то, как они взаимодействуют друг с другом. Но наше понимание Природы неполно. В частности, Стандартная модель в первоначальном виде не могла объяснить одно основное наблюдение: почему большинство элементарных частиц имеют массу. Симметрия, ответственная за электрослабое объединение, требует, чтобы вовлеченные частицы, несущие силу, не имели массы. Фотон, носитель электромагнитной силы, следует этому правилу; однако бозоны W и Z, носители слабого взаимодействия, имеют массу. Массивность бозонов W и Z нарушает фундаментальную электрослабую симметрию. Это также приводит без поправок к бессмысленным предсказаниям — например, к взаимодействиям с вероятностью больше 100%.

Нуждаясь в решении этой проблемы, несколько физиков ^[1] предложили механизм для объяснения нарушенной симметрии. Будучи включенным в уравнения, этот механизм нарушения электрослабой симметрии позволил бы частицам иметь массу. Механизм также объясняет, почему слабые взаимодействия кажутся слабыми при низких энергиях; носители силы массивны, и поэтому сила соответственно короткодействующая. Механизм Браута-Энглера-Хиггса требует существования новой частицы, которую мы теперь называем бозоном Хиггса.

Согласно нашим нынешним представлениям, все частицы были безмассовыми сразу после Большого взрыва. Когда Вселенная остыла и температура упала ниже критического значения, образовалось невидимое поле, называемое «полем Хиггса». это поле преобладает во всем космосе. Частицы, такие как бозоны W и Z, приобретают массу благодаря взаимодействию с этим полем — чем интенсивнее они взаимодействуют, тем тяжелее становятся. Существование поля Браута-Энглера-Хиггса объясняет разницу между безмассовым фотоном и массивным бозоном W и Z, которую мы наблюдаем сегодня в Природе. Другие переносящие силу частицы – фотон и глюон – не взаимодействуют с полем Хиггса и остаются безмассовыми. Бозон Хиггса — это квантовая частица, связанная с полем Хиггса, точно так же, как фотон — это квантовая частица, связанная с электромагнитным полем. Поскольку поле нельзя наблюдать напрямую, эксперименты на LHC ищут его проявление — частицу. Открытие частицы доказывает существование поля.

Охота за частицами

Бозон Хиггса — единственная фундаментальная частица, предсказанная Стандартной моделью, которая еще не наблюдалась в ходе экспериментов на момент запуска БАК. Что касается других частиц, Стандартная модель не предсказывает точную массу бозона Хиггса. Кроме того, вероятность образования бозона Хиггса очень мала, что затрудняет обнаружение частицы. Нам пришлось искать его путем систематического поиска в очень большом диапазоне возможных значений массы. К счастью, в зависимости от массы бозон Хиггса Стандартной модели должен был оставить характерные следы. Эксперимент CMS был построен как детектор общего назначения и для этой цели: быть чувствительным к любой возможной массе бозона Хиггса. Итак, мы знали, что искать, и, исходя из измеренных частиц в детекторе, оценивали их массу. Если бы оказалось, что мы не смогли ее найти, это оставило бы широкое поле для физиков для разработки совершенно новой теории, объясняющей происхождение массы частиц. Бозон Хиггса был в верхней части списка самых разыскиваемых физиков более четырех десятилетий. Однако в самой базовой форме включение поля Хиггса в Стандартную модель не совсем удовлетворительно. Он объясняет, как нарушается симметрия между электромагнитными и слабыми носителями взаимодействия, и объясняет, как носители взаимодействия приобретают свою массу; но он не предсказывает и не объясняет степень взаимодействия с полем и, следовательно, относительные массы этих частиц. Более того, оно не объясняет, почему симметрия нарушается таким образом, и не предсказывает структуру масс кварков и лептонов.

Другие бозоны – выход за рамки Стандартной модели

Мы можем обнаружить, что бозон Хиггса отличается от простейшей версии, предсказываемой Стандартной моделью. Многие теории, описывающие физику за пределами Стандартной модели, такие как модели суперсимметрии и составности, предполагают существование зоопарка новых частиц, включая различные виды бозонов Хиггса. CMS является детектором общего назначения. Это означает, что он разработан не только с учетом конкретных гипотез, но и с целью изучения того, что происходит, когда частицы сталкиваются при высоких энергиях, даже если результаты не такие, как мы ожидаем. Если происходят неожиданные явления, мы ищем их. Кажется, мы видим только видимую верхушку айсберга — под Стандартной моделью должна скрываться более глубокая, более фундаментальная теория, объясняющая то, что мы видим на поверхности.

Ссылки

[1] Ф. Энглерт и Р. Браут , «Нарушенная симметрия и масса калибровочных векторных мезонов», Phys.Rev. лат. 13 (1964) 321–323, doi: 10.1103/PhysRevLett.13.321. П.В. Хиггс , “Нарушенные симметрии и массы калибровочных бозонов”, Phys. Преподобный Летт. 13 (1964) 508–509, doi: 10.1103/PhysRevLett.13.508. Г. Гуральник, К. Хаген и Т. В. Б. Киббл , «Глобальные законы сохранения и безмассовые частицы», Phys. Преподобный Летт. 13 (1964) 585–587, doi: 10.1103/PhysRevLett.13.585. Следует также отметить, что Ландау и Гинзбург предложили поле, придающее фотону массу в сверхпроводнике, математические расчеты которого идентичны «механизму Хиггса» и предшествуют ему на несколько лет. Кредит: этот текст основан на статье CERN «справочная информация» и статье CERN Bulletin.

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

Происхождение бозона Хиггса

Многие вопросы физики 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 в 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 туннеле, 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: нужно 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 г. при 7 ТэВ со скромной светимостью — светимостью, которая увеличится в 2011 г. Коллаборация ATLAS хорошо воспользовалась вынужденной остановкой 2009 г., 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 лучших 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 проанализировали данные, как только они поступили. 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 с известными 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.

Рис. 3: Недавнее распределение событий-кандидатов Хиггса от H до ZZ до 4-лептонного анализа с использованием данных 13 ТэВ, полученных с LHC. 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 долгосрочной перспективе еще один большой шаг в производительности сделает БАК высокой яркости (HL-LHC), который планируется ввести в эксплуатацию 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.