Мы, коллектив Quantuz, (пытаемся вступить в сообщество GT) предлагаем наш перевод раздела сайта particleadventure.org, посвященного бозону Хиггса. В данном тексте мы исключили неинформативные картинки (полный вариант см. в оригинале). Материал будет интересен всем интересующимся последними достижениями прикладной физики.

Роль бозона Хиггса

Бозон Хиггса был последней частицей открытой в Стандартной Модели. Это критический компонент теории. Его открытие помогло подтвердить механизм того, как фундаментальные частицы приобретают массу. Эти фундаментальные частицы в Стандартной Модели являются кварками, лептонами и частицами-переносчиками силы.

Теория 1964-го года

В 1964 году шестеро физиков-теоретиков выдвинули гипотезу существования нового поля (подобно электромагнитному), которым заполнено все пространство и решает критическую проблему в нашем понимании вселенной.

Независимо от этого другие физики построили теорию фундаментальных частиц, названную в итоге «Стандартной Моделью», которая обеспечивала феноменальную точность (экспериментальная точность некоторых частей Стандартной Модели достигает 1 к 10 миллиардам. Это равнозначно предсказанию расстояния между Нью-Йорком и Сан-Франциско с точностью около 0.4 мм). Эти усилия оказались тесно взаимосвязаны. Стандартная Модель нуждалась в механизме приобретения частицами массы. Полевую теорию разработали Питер Хиггс, Роберт Браут, Франсуа Энглер, Джералд Гуралник, Карл Хаген и Томас Киббл.

Бозон

Питер Хиггс понял, что по аналогии с другими квантовыми полями должна существовать частица, связанная с этим новым полем. Она должна иметь спин равным нулю и, таким образом, являться бозоном – частицей с целым спином (в отличие от фермионов, у которых спин полуцелый: 1/2, 3/2 и т.д.). И действительно он вскоре стал известен как Бозон Хиггса. Единственным его недостатком было то, что его никто не видел.

Какова масса бозона?

К несчастью, теория, предсказывающая бозон, не уточняла его массу. Прошли годы, пока не стало ясно, что бозон Хиггса должен быть экстремально тяжелым и, скорее всего, за пределами досягаемости для установок, построенных до Большого Адронного Коллайдера (БАК).

Помните, что согласно E=mc², чем больше масса частицы, тем больше энергии надо для ее создания.

В то время, когда БАК начал сбор данных в 2010, эксперименты на других ускорителях показали, что масса бозона Хиггса должна быть больше, чем 115 ГэВ/с2. В ходе опытов на БАК планировалось искать доказательства бозона в интервале масс 115-600 ГэВ/с2 или даже выше, чем 1000 ГэВ/с2.



Каждый год экспериментально удавалось исключать бозоны с бОльшими массами. В 1990 было известно, что искомая масса должна быть больше 25 ГэВ/с2, а в 2003 выяснилось, что больше 115 ГэВ/с2

Столкновения на Большом Адронном Коллайдере могут порождать много чего интересного

Дэннис Оувербай в «Нью-Йорк Таймс» рассказывает про воссоздание условий триллионной доли секунды после Большого Взрыва и говорит:

«…останки [взрыва] в этой части космоса не видны с тех пор, как Вселенная охладилась 14 миллиардов лет назад – весна жизни мимолетна, снова и снова во всех ее возможных вариантах, как если бы Вселенная участвовала в собственной версии фильма «день Сурка»

Одним из таких «останков» может быть бозон Хиггса. Его масса должна быть очень велика, и он должен распадаться менее чем за наносекунду.

Анонс

После половины столетия ожиданий драма стала напряженной. Физики спали у входа в аудиторию, чтобы занять места на семинаре в лаборатории ЦЕРН в Женеве.

За десять тысяч миль отсюда, на другом краю планеты, на престижной международной конференции по физике частиц в Мельбурне сотни ученых со всех уголков земного шара собрались, чтобы услышать вещание семинара из Женевы.

Но сперва давайте взглянем на предпосылки.

Фейерверк 4 июля

4-го июля 2012 руководители экспериментов ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере представили их последние результаты поиска бозона Хиггса. Ходили слухи, что они собираются сообщить больше, чем просто отчет о результатах, но что?

Конечно же, когда результаты были представлены, обе коллаборации, проводившие эксперименты, отчитались о том, что они нашли доказательство существования частицы «похожей на бозон Хиггса» с массой около 125 ГэВ. Это определенно была частица, и если она не бозон Хиггса, то очень качественная его имитация.

Доказательство не было сомнительным, ученые располагали результатами в пять сигма, означающих, что существует менее одной вероятности на миллион, что данные являются просто статистической ошибкой.

Бозон Хиггса распадается на другие частицы

Бозон Хиггса распадается на другие частицы почти сразу же после того, как будет произведен, так что мы можем наблюдать только продукты его распада. Наиболее распространенные распады (среди тех, которые мы можем увидеть) показаны на рисунке:



Каждый вариант распада бозона Хиггса известен как «канал распада» или «режим распада». Хотя bb-режим является распространенным, многие другие процессы производят подобные частицы, так что если вы наблюдаете bb-распад, очень трудно сказать, появились ли частицы в связи с бозоном Хиггса или как-то еще. Мы говорим, что режим bb-распада имеет «широкий фон».

Лучшими каналами распада для поиска бозона Хиггса являются каналы двух фотонов и двух Z-бозонов.*

*(Технически для 125 ГэВ массы бозона Хиггса распад на два Z-бозона не возможен, так как Z-бозон имеет массу 91 ГэВ, вследствие чего пара имеет массу 182 ГэВ, большую чем 125 ГэВ. Однако то, что мы наблюдаем, является распадом на Z-бозон и виртуальный Z-бозон (Z*), масса которого много меньше.)

Распад бозона Хиггса на Z + Z

Z-бозоны также имеют несколько режимов распада, включая Z > e+ + e- и Z > µ+ + µ-.

Режим распада Z + Z был довольно прост для экспериментов ATLAS и CMS, когда оба Z-бозона распадались в одном из двух режимов (Z > e+ e- или Z > µ+ µ- ). На рисунке четыре наблюдаемых режима распада бозона Хиггса:



Конечный результат состоит в том, что иногда наблюдатель увидит (в дополнение к некоторым несвязанным частицам) четыре мюона, или четыре электрона, или два мюона и два электрона.

Как бозон Хиггса выглядел бы в детекторе ATLAS

В этом событии «джет» (струя) возникла идущей вниз, а бозон Хиггса – вверх, но он почти мгновенно распался. Каждая картинка столкновения называется «событием».



Пример события с возможным распадом бозона Хиггса в виде красивой анимации столкновения двух протонов в Большом адронном коллайдере можно посмотреть на сайте-источнике по этой ссылке.

В этом событии бозон Хиггса может быть произведен, а затем немедленно распадается на два Z-бозона, которые в свою очередь немедленно распадутся (оставив два мюона и два электрона).

Механизм, дающий массу частицам

Открытие бозона Хиггса является невероятным ключом к разгадке механизма того, как фундаментальные частицы приобретают массу, что и утверждали Хиггс, Браут, Энглер, Джералд, Карл и Киббл. Что это за механизм? Это очень сложная математическая теория, но ее главная идея может быть понятна в виде простой аналогии.

Представьте себе пространство, заполненное полем Хиггса, как вечеринку спокойно общающихся между собой физиков с коктейлями …
В какой-то момент входит Питер Хиггс, который создает волнение, двигаясь через комнату и притягивая группу поклонников с каждым шагом…

До того как войти в комнату профессор Хиггс мог двигаться свободно. Но после захода в комнату полную физиков его скорость уменьшилась. Группа поклонников замедлила его движение по комнате; другими словами, он приобрел массу. Это аналогично безмассовой частице, приобретающей массу при взаимодействии с полем Хиггса.



А ведь все что он хотел – это добраться до бара!

(Идея аналогии принадлежит проф. Дэвиду Дж. Миллеру из Университетского колледжа Лондона, который выиграл приз за доступное объяснение бозона Хиггса — © ЦЕРН)

Как бозон Хиггса получает собственную массу?

С другой стороны, в то время новости распространяются по комнате, они также формируют группы людей, но на этот раз исключительно из физиков. Такая группа может медленно перемещаться по комнате. Подобно другим частицам бозон Хиггса приобретает массу просто взаимодействуя с полем Хиггса.

Поиск массы бозоны Хиггса

Как вы найдете массу бозона Хиггса, если он распадается на другие частицы до того, как мы его обнаружим?

Если вы решили собрать велосипед и захотели знать его массу, вам следует складывать массы частей велосипеда: двух колес, рамы, руля, седла и т.д.

Но если вы хотите вычислить массу бозона Хиггса из частиц, на которые он распался, просто складывать массы не получится. Почему же нет?

Сложение масс частиц распада бозона Хиггса не работает, так как эти частицы имеют огромную кинетическую энергию по сравнению с энергией покоя (помним, что для покоящейся частицы E = mc²). Это происходит вследствие того, что масса бозона Хиггса много больше, чем массы конечных продуктов его распада, поэтому оставшаяся энергия куда-то уходит, а именно — в кинетическую энергию возникших после распада частиц. Теория относительности говорит нам использовать равенство ниже для подсчета «инвариантной массы» набора частиц после распада, которая и даст нам массу «родителя», бозона Хиггса:

E²=p²c²+m²c⁴

Поиск массы бозона Хиггса из продуктов его распада

Примечание Quantuz: тут мы немного не уверены в переводе, так как идут специальные термины. Предлагаем сравнить перевод с источником на всякий случай.

Когда мы говорим о распаде типа H > Z + Z* > e+ + e- + µ+ + µ-, то четыре возможные комбинации, показанные выше, могут возникнуть как от распада бозона Хиггса, так и от фоновых процессов, так что нам нужно взглянуть на гистограмму суммарной массы четырех частиц в указанных комбинациях.

Гистограмма масс подразумевает, что мы наблюдаем за огромным количеством событий и отмечаем количество тех событий, когда получается итоговая инвариантная масса. Она выглядит как гистограмма, потому что значения инвариантной массы разделены на столбцы. Высота каждого столбца показывает число событий, в которых инвариантная масса оказывается в соответствующем диапазоне.

Мы можем вообразить, что это результаты распада бозона Хиггса, но это не так.

Данные о бозоне Хиггса из фона

Красные и фиолетовые области гистограммы показывают «фон», в котором число четырехлептонных событий предположительно произойдут без участия бозона Хиггса.

Синяя область (см. анимацию) представляет «сигнальный» прогноз, в котором число четырехлептонных событий предполагают результат распада бозона Хиггса. Сигнал расположен на вершине фона, так как для того, чтобы получить общее прогнозируемое количество событий, вы просто складываете все возможные исходы событий, которые могут произойти.

Черные точки показывают число наблюдаемых событий, в то время как черные линии, проходящие через точки, представляют статистическую неопределенность в этих числах. Рост данных (см. следующий слайд) на уровне 125 ГэВ является признаком новой 125 ГэВ-частицы (бозон Хиггса).



Анимация эволюции данных для бозона Хиггса по мере накопления находится на оригинальном сайте.

Сигнал бозона Хиггса медленно растет над фоном.

Данные бозона Хиггса, распавшегося на два фотона

Распад на два фотона (H > ?+?) имеет еще более широкий фон, но тем не менее сигнал четко выделяется.



Это гистограмма инвариантной массы для распада бозона Хиггса на два фотона. Как вы можете видеть, фон очень широкий по сравнению с предыдущим графиком. Так происходит потому, что существует гораздо больше процессов производящих два фотона, чем процессов с четырьмя лептонами.

Пунктирная красная линия показывает фон, а жирная красная линия показывает сумму фона и сигнала. Мы видим, что данные хорошо согласуются с новой частицей в районе 125 ГэВ.

Недостатки первых данных

Данные были убедительны, но не совершенны, и имели значительные недостатки. К 4-му июля 2012 не имелось достаточной статистики для определения темпа, с которым частица (бозон Хиггса) распадается на различные наборы менее массивных частиц (т.н. «ветвящиеся пропорции» ), предсказываемые Стандартной Моделью.

«Ветвящаяся пропорция» это просто вероятность того, что частица распадется через данный канал распада. Эти пропорции предсказываются Стандартной Моделью и измерены с помощью многократного наблюдения распадов одних и тех же частиц.

Следующий график показывает лучшие измерения ветвящихся пропорций, которые мы можем сделать по состоянию на 2013 год. Так как это пропорции, предсказанные Стандартной Моделью, ожидание равно 1.0. Точки являются текущими измерениями. Очевидно, что отрезки ошибок (красные линии) в большинстве все еще слишком велики, чтобы делать серьезные выводы. Эти отрезки сокращаются по мере получения новых данных и точки возможно могут перемещаться.



Как же узнать, что человек наблюдает событие–кандидат на бозон Хиггса? Существуют уникальные параметры, которые выделяют такие события.

Является ли частица бозоном Хиггса?

В то время как был обнаружен распад новой частицы, темп, с которым это происходит, к 4 июля все еще был не ясен. Даже было не известно, имеет ли открытая частица правильные квантовые числа – то есть имеет ли она спин и четность, требуемые для бозона Хиггса.

Другими словами, 4 июля частица выглядела как утка, но нам требовалось убедиться, что она плавает как утка и крякает как утка.

Все результаты экспериментов ATLAS и CMS Большого адронного коллайдера (а также коллайдера Тэватрон из Лаборатории Ферми) после 4 июля 2012 показали замечательную согласованность с ожидаемыми ветвящимися пропорциями для пяти режимов распада, обсуждаемых выше, и согласованность с ожидаемым спином (равным нулю) и четностью (равной +1), которые являются основными квантовыми числами.

Эти параметры имеют важное значение для определения того, действительно ли новая частица это бозон Хиггса или какая-то другая неожиданная частица. Так что все имеющиеся доказательства указывают на бозон Хиггса из Стандартной Модели.

Некоторые физики посчитали это разочарованием! Если новая частица это бозон Хиггса из Стандартной Модели, то, значит, Стандартная Модель по сути полностью завершена. Все, что теперь можно делать, так это проводить измерения с возрастающей точностью того, что уже открыто.

Но если новая частица окажется чем-то, непредсказанным Стандартной Моделью, то это откроет дверь множеству новых теорий и идей для проверки. Неожиданные результаты всегда требуют новых объяснений и помогают толкать теоретическую физику вперед.

Откуда во Вселенной появилась масса?

В обычной материи основная часть массы содержится в атомах, а, если быть точным, заключена в ядре, состоящим из протонов и нейтронов.

Протоны и нейтроны сделаны из трех кварков, которые приобретают свою массу, взаимодействуя с полем Хиггса.

НО… массы кварков вносят вклад в размере около 10 МэВ, это примерно 1% от массы протона и нейтрона. Так откуда же берется оставшаяся масса?

Оказывается, масса протона возникает за счет кинетической энергии составляющих его кварков. Как вы, конечно же, знаете, масса и энергия связаны равенством E=mc².

Так что лишь малая часть массы обычной материи во Вселенной принадлежит механизму Хиггса. Однако, как мы увидим в следующем разделе, Вселенная была бы полностью необитаема без хиггсовской массы, и некому было бы открыть хиггсовский механизм!

Если бы не было поля Хиггса?

Если бы не было поля Хиггса, на что была бы похожа Вселенная?

Это не так очевидно.

Определенно, ничего бы не связывало электроны в атомах. Они бы разлетались со скоростью света.

Но кварки связаны сильным взаимодействием и не могут существовать в свободном виде. Некоторые связанные состояния кварков, возможно, сохранились бы, но насчет протонов и нейтронов не ясно.

Вероятно, все это представляло бы собой ядерно-подобную материю. И может быть все это сколлапсировало в результате гравитации.

Факт, в котором мы точно уверены: Вселенная была бы холодной, тёмной и безжизненной.
Так что бозон Хиггса спасает нас от холодной, тёмной, безжизненной Вселенной, где нет людей, чтобы открыть бозон Хиггса.

Является ли бозон Хиггса бозоном из Стандартной Модели?

Мы точно знаем, что частица, которую мы открыли это бозон Хиггса. Нам также известно, что он очень похож на бозон Хиггса из Стандартной Модели. Но существует два момента, которые все еще не доказаны:

1. Несмотря на то, что бозон Хиггса из Стандартной Модели, имеются небольшие расхождения, свидетельствующие о существовании новой физики (неизвестной ныне).
2. Существуют больше чем один бозоны Хиггса, с другими массами. Это также говорит о том, что появятся новые теории для исследования.

Только время и новые данные помогут выявить либо чистоту Стандартной Модели и ее бозона либо новые волнующие физические теории.