Физики из коллаборации CMS в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРНе) представили свидетельства распадов бозона Хиггса в фермионные пары частица-античастица. Как следует из работы ученых, опубликованной в журнале Nature, им удалось наблюдать прямые распады бозонов Хиггса на пары третьего поколений лептонов и кварков таон-антитаон и боттом-антиботтом, соответственно. «Лента.ру» решила подробнее осветить исследование ученых и его значение для физики элементарных частиц.
Бозон Хиггса, открытый к 2012 году в серии экспериментов на Большом адронном коллайдере (БАК), представляет собой последнюю экспериментально обнаруженную частицу, существование которой предсказывается Стандартной моделью. Частица имеет все свойства, которые ей предсказывает теория, и исследования ученых из ЦЕРНа подтверждают это: открытый бозон является самым «стандартным» — до сих пор никаких аномальных свойств, говорящих о проявлении «новой физики», эта частица не обнаружила.
Аналог механизма Хиггса в теории сверхпроводимости — эффект Мейснера. Явление заключается в вытеснении магнитного поля из сверхпроводника при переходе последнего в сверхпроводящее состояние. В современной математической физике (теории струн) нередко потенциал Хиггса (описывающий самодействие поля H) называют потенциалом Гинзбурга-Ландау, по имени ученых, предложивших макроскопическую теорию этого явления.
Введение скалярного поля, квантом которого является бозон Хиггса, позволяет сгенерировать массу в электрослабом секторе Стандартной модели. До появления такого скалярного поля электрослабая симметрия в природе, как считается, приводила к существованию безмассовых электрослабых заряженных W± и нейтрального Z0 бозонов и фотонов. Поле Хиггса H нарушило симметрию (так называемое спонтанное нарушение симметрии) и привело к появлению массовых состояний частиц; безмассовыми остались только фотоны и глюоны.
Один из возможных каналов получения бозона Хиггса из взаимодействия двух кварков через образование промежуточных бозонов
Изображение: Booya/ wikipedia.org
Бозоны и фермионы являются двумя основными типами частиц в квантовой статистике. Так, в одном и том же состоянии может находиться неограниченное число тождественных бозонов, тогда как фермионы подчиняются принципу Паули, согласно которому в системе в одном квантовом состоянии может находиться только одна частица.
Предсказуемость свойств бозона Хиггса Стандартной моделью подтверждает ее адекватность для описания физики на масштабах энергий до примерно одного тераэлектронвольта. Однако, отсутствие в настоящее время сигналов для расширений теории (например, суперсимметричных, или наличия нескольких бозонов) несколько огорчает физиков. Не значит ли это, что дальше бозона Хиггса ничего нет? По крайней мере, эксперименты в ЦЕРНе только набирают свою силу, и в 2015 году БАК заработает с удвоенной энергией до, примерно, 14 тераэлектронвольт.
Боттом (b-кварк) — частица с массой 4,2−4,7 гигиэлектронвольт (почти в пять раз тяжелее нейтрона и протона) и отрицательным зарядом, равным минус одной трети заряда электрона (заряд дробный, как у всех кварков). Время жизни — 10-12 секунд.
Тау-лептон (таон) — отрицательно заряженная частица, которая имеет массу около 1,77 гигаэлектронвольт и время жизни 2,9x10-13 секунд.
В ходе экспериментов физики сталкивали партоны — так называют пространственную совокупность разогнанных до релятивистских скоростей (энергий) протонов, которые удобно рассматривать не как отдельные протоны, а как объединение кварков (и их античастиц — антикварков) и глюонов. В таких условиях протоны претерпевают процессы множественного рождения и распада и образуют другие элементарные частицы. Протон состоит из трех кварков — частиц материи (всего в природе существуют шесть кварков), тогда как глюоны переносят сильное (ядерное) взаимодействие между ними. Всего в природе существуют восемь типов глюонов. В отличие от бозона Хиггса, они являются векторными частицами, кроме того, эти частицы несут цветовой заряд (аналог электрического заряда, только зарядов — не два, а три) и сами участвуют в сильном взаимодействии.
Предварительные результаты по распадам бозона Хиггса (по состоянию на апрель 2014 года). Данные по распадам с участием частиц третьего поколения подтверждены
Изображение: CMS Experiment/ CERN
Кроме глюонов, векторными бозонами являются и калибровочные фотоны (переносчики электромагнитного взаимодействия) и три промежуточных бозона электрослабой теории Глешоу-Вайнберга-Салама. В отличие от фермионов (к которым относятся частицы материи — кварки и лептоны), бозоны имеют целое значение спина. Спин скалярного бозона Хиггса равен нулю, всех остальных — единице. Спины фундаментальных фермионов (лептонов и кварков) в два раза меньше.
В квантовой теории поля понятие квантового поля является более фундаментальным, чем понятие элементарной частицы. Считается, что любая частица создает вокруг себя поле, взаимодействие с другими частицами осуществляется посредством обмена квантами поля одной частицы с квантами частиц другого поля. Совокупность таких виртуальных частиц и процессов их рождения и уничтожения составляет содержание так называемого физического вакуума (в отличие от математического вакуума классической механики). Такие виртуальные процессы оказывают влияние на наблюдаемые параметры взаимодействий частиц, их учет составляет одну их основных задач квантовой теории поля.
Разогнанные протоны сталкивали в системе центра масс; в продуктах реакций ученым удалось извлечь статистически значимые (достоверные) следы распада бозонов Хиггса с массой около 125 гигаэлектронвольт на пары таон-антитаон и боттом-антиботтом. В 2011 году частицы сталкивали на энергиях до семи тераэлектронвольт, в 2012 году энергию увеличили на один тераэлектронвольт. Поскольку время жизни бозона Хиггса достаточно мало (порядка 10-22 секунды), ученые в состоянии только наблюдать продукты распада этой частицы.
Детекторы CMS изучали каналы распада бозона Хиггса, и наряду с фоновыми, выделяли сигналы распада в пары таон-антитаон и боттом-антиботтом. Экспериментаторы после анализа результатов измерений пришли к выводам, что им удалось зафиксировать такие прямые распады с наблюдаемым значением стандартного отклонения в 3,8 , хотя ученые ожидали получить их при значении отклонения, равном 4,4. Значение отклонения, наблюдаемого учеными, вполне достаточно для того, чтобы считать их результаты открытием.
Результаты двух экспериментов по поиску распадов бозонов Хиггса на пары таон-антитаон и боттом-антиботтом и их комбинация
Изображение: ATLAS Experiment/ Nature
CMS (Compact Muon Solenoid) — одна из систем детектирования, установленная на БАК (компактный мюонный соленоид) и название одноименной коллаборации ученых из ЦЕРНа. В коллаборации принимают участие более трех тысяч физиков из около 40 стран мира. Россию в CMS представляют, главным образом, ученые таких крупных институтов, как Объдиненный институт ядерных исследований в Дубне и Институт теоретической и экспериментальной физики, а также Российской академии наук.
Открытие ученые распадов бозона Хиггса, согласующихся со Стандартной моделью, позволяет исследовать значение констант взаимодействия этих частиц с третьим поколением лептонов и кварков, а также получить возможные ограничения на ряд параметров теории и ее расширений, которые следуют из таких взаимодействий.