Физики впервые наблюдали редкий распад бозона Хиггса. Почему это важно?

Открытие бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРН в 2012 году ознаменовало собой важную веху в физике элементарных частиц. Все потому, что бозон Хиггса или «частица Бога» отвечает за механизм появления масс у некоторых других элементарных частиц и подтверждает правильность Стандартной модели. Обнаружение этой неделимой частицы привело к лучшему пониманию Вселенной, а на протяжении последних десяти лет физики изучали бозона Хиггса, пытаясь установить различные способы его образования и распада. Так, согласно Стандартной модели, бозон Хиггса с массой около 125 миллиардов электронвольт может распадаться на Z-бозон и фотон, однако другие модели элементарных частиц прогнозируют иную скорость деградации. Это означает, что редкие случаи распада частицы Бога – один из которых ученые наблюдали совсем недавно – могут изменить наше представление о мироздании.

Первое свидетельство редкого распада бозона Хиггса является косвенным доказательством существования частиц, выходящих за рамки Стандартной модели.

Современная физика частиц основана на Стандартной модели, описывающей электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех известных элементарных частиц.

Поле Хиггса

Давайте начнем с основ: квантовая теория поля утверждает, что все частицы, вращающиеся или нет, являются локальными возбуждениями или флуктуациями внутри “квантовых полей”. Эти поля играют важную роль в обеспечении соблюдения законов природы. Электромагнитное поле, гравитационное поле, электронное поле, поле Хиггса — все это поля, которые пронизывают пространство.

Более того, существует квантовое поле для каждой из 12 известных частиц материи, а также поля для всех четырех фундаментальных взаимодействий. Выходит, в нынешнем описании природы каждая частица – это волна в поле. Наиболее ярким примером является свет, способный быть и волной в электромагнитном поле и потоком частиц, называемых фотонами, одновременно. А в случае с бозоном Хиггса на первом месте стоит поле.

Согласно теории, через поле Хиггса, заполняющее пространство Вселенной, проходят абсолютно все частицы, из которых строятся атомы.

Поле Хиггса — поле, обеспечивающее спонтанное нарушение симметрии электрослабых взаимодействий благодаря нарушению симметрии вакуума. Квантом этого поля является бозон Хиггса, получивший свое название в честь британского физика Питера Хиггса.

Впервые поле Хиггса было предложено в 1964 году как новый вид поля, заполняющего всю Вселенную и придающее массу всем элементарным частицам. Это означает, что собственной массы у частиц нет, они приобретают ее, взаимодействуя с полем Хиггса. И чем сильнее это взаимодействие, тем тяжелее становится частица. Фотоны, например, не взаимодействуют с этим полем и, следовательно, не имеют массы.

Как обнаружить бозон Хиггса?

Интересно, что просто взять и «обнаружить» где-нибудь бозон Хиггса нельзя – его можно создать сталкивая частицы между собой. В результате столкновения бозон Хиггса преобразуется – или “распадается” – в другие частицы, обнаружить которые можно с помощью детекторов.

Большой адронный коллайдер (БАК) разгоняет протоны до околосветовой скорости и сталкивает их друг с другом, создавая каскад быстро распадающихся частиц.

Проблема заключается в том, что бозон Хиггса появляется примерно в одном из миллиарда столкновений в БАК. Тщательный статистический анализ огромных объемов данных выявил слабый сигнал этой неуловимой частицы в 2012 году.

Бозон Хиггса – скалярная частица, а значит, не имеет спина (не вращается)

4 июля 2012 года коллаборации ATLAS и CMS объявили об открытии новой частицы. Несмотря на то, что открытие частицы Бога укрепило Стандартную модель, исследования на этом не закончились. Более того, одним из главных открытий, сделанных с 2012 года, связано с наблюдением крайне редкого распада бозона Хиггса.

Свойства бозона Хиггса

По данным ЦЕРН, масса бозона Хиггса составляет 125 миллиардов электрон—вольт. Это означает, что частица Бога в 130 раз массивнее протона, не заряжена и имеет нулевой спин — квантово-механический эквивалент углового момента. Бозон Хиггса – единственная элементарная частица без спина.

Больше по теме: Что такое бозон Хиггса и почему ученые хотели его открыть

Бозон Хиггса нельзя просто где-то обнаружить. Но его можно создать сталкивая частицы между собой на околосветовых скоростях

Исследователи полагают, что бозон Хиггса существовал в ранней Вселенной в условиях высоких энергий, из-за чего его распад происходит слишком быстро. Вот почему идентифицировать его удалось наблюдая за распадом частиц, которые указывали на частицу без спина и соответствовали теоретическим предсказаниям для «отсутствующего бозона».

Интересный факт
Фундаментальные частицы, такие как электроны и кварки, получают большую массу взаимодействуя с полем Хиггса (даже сам бозон Хиггса получает свою массу в результате взаимодействия с полем Хиггса). При этом протоны, состоящие из кварков, получают большую часть своей массы за счет энергии, которая удерживает их составляющие вместе.

Распад «частицы Бога»

Согласно Стандартной модели, если масса бозона Хиггса составляет около 125 миллиардов электронвольт, то бозон Хиггса распадется на Z-бозон (электрически нейтральный переносчик слабого взаимодействия) и фотон (переносчик электромагнитного взаимодействия) с вероятностью всего 0,15%. Словом, этот распад является невероятно редким событием, а его наблюдение может стать косвенным доказательством существования частиц, выходящих за рамки Стандартной модели.

И так как другие теории, расширяющие Стандартную модель, предсказывают иную скорость распада, измерение его скорости дает ценную информацию как о физике элементарных частиц, так и о природе бозона Хиггса.

Бозон Хиггса стал последней экспериментально открытой частицей Стандартной модели

В других теориях, например, бозон Хиггса не распадается непосредственно на Z-бозон и фотон. Вместо этого распады протекают через промежуточный «цикл» “виртуальных” частиц, которые появляются и исчезают, а обнаружить их невозможно. Эти виртуальные частицы могли бы включать в себя новые, пока еще не открытые частицы, которые взаимодействуют с бозоном Хиггса.

Не пропустите: Обнаружение нейтрино и как оно поможет разгадать тайны Вселенной

Редкий распад бозона Хиггса

В мае 2023 года исследователи ЦЕРН заявили, что впервые наблюдали распад бозона Хиггса не на пару b-кварк-b-антикварк, или на пару фотонов, или на две пары электрон-позитрон (антиэлектрон) и/или мюон-антимюон (как это происходит обычно), а на Z-бозон и фотон.

Используя данные о столкновениях на Большом адронном коллайдере, физики ATLAS и CMS провели обширные поиски распада бозона Хиггса на Z-бозон и фотон. Оба поиска использовали схожие стратегии, идентифицируя Z–бозон по его распаду на пары электронов или мюоны – более тяжелые версии электронов. Эти распады Z-бозона происходят примерно в 6,6% случаев. В ходе поисков физики также использовали передовые методы машинного обучения.

Читайте также: Физики получают все больше доказательств существования новой, неизвестной силы природы

В новом исследовании ATLAS и CMS объединили наборы данных, собранные в ходе ранее проведенных экспериментов во время второго запуска БАК, который состоялся в период с 2015 по 2018 год. Результатом совместных усилий стало первое свидетельство распада бозона Хиггса на Z-бозон и фотон.

События-кандидаты от ATLAS (слева) и CMS (справа) для бозона Хиггса, распадающегося на Z-бозон и фотон, с Z-бозоном, распадающимся на пару мюонов.

Каждая частица имеет особые отношения с бозоном Хиггса, что делает поиск редких распадов Хиггса высокоприоритетным. Благодаря тщательному сочетанию отдельных результатов ATLAS и CMS мы сделали шаг вперед к разгадке еще одной тайны бозона Хиггса, – сообщила журналистам координатор ATLAS по физике Памела Феррари.

Существование новых частиц может оказать существенное влияние на редкие случаи распада бозона Хиггса. Более того, новое исследование проверяет на прочность Стандартную модель. Эксперименты по поиску редких случаев распада бозона Хиггса запланированы на 2029 год, после завершения модернизации БАК.

Хотите всегда быть в курсе последних новостей из мира науки и высоких технологий? Подписывайтесь на наш канал в Telegram – так вы точно не пропустите ничего интересного!

Как физика частиц влияет на нашу жизнь?

Поразительно, но открытие бозона Хиггса является лишь началом пути. Исследователи надеются, что в будущем смогут понять, является ли частица Бога единственной в своем роде, может ли она объяснить как образовалась Вселенная и когда материя восторжествовала над антивеществом. Более того, изучая свойства и распад бозона Хиггса, физики, возможно, смогут обнаржить новые частицы и даже таинственную темную материю.

Но вот что удивительно – бозон Хиггса оказывает и будет продолжать оказывать влияние на нашу жизнь, причем так, как вы, возможно, и не представляли. Это часть ответа на вопрос, почему мы – и все, с чем мы взаимодействуем – обладаем массой, испытываем любопытство к устройству Вселенной и ее эволюции.

Событие-кандидат на распад бозона Хиггса на Z-бозон и фотон
The ATLAS Collaboration

В поисках этой неуловимой частицы физики создали невероятные по своей силе технологии ускорителей и детекторов частиц, что привело к достижениям в области здравоохранения и аэрокосмической промышленности.

Только представьте, как может измениться наше представление о Вселенной, если ученые обнаружат существование частиц, не предсказанных Стандартной моделью. Подробнее о том, действительно ли мир стоит на пороге открытия «новой физики» мы рассказывали здесь, рекомендуем к прочтению!