Обнаружение бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе в 2012 году стало важной вехой в физике элементарных частиц. Спустя почти 11 лет ученые сделали еще одно впечатляющее открытие. «Хайтек» рассказывает главное.
С момента открытия бозона Хиггса коллаборации ATLAS (от англ. A Toroidal LHC ApparatuS, тороидальный аппарат БАК) и CMS (от англ. Compact Muon Solenoid, рус. компактный мюонный соленоид) исследуют свойства этой уникальной частицы и пытаются установить различные способы ее образования и распада на другие частицы.
Бозон Хиггса — элементарная частица, квант поля Хиггса. Он объясняет существование инертной массы у многих частиц Стандартной модели. Открытие этого бозона помогло ученым понять, какой механизм обеспечивает массы всем элементарным частицам.
Бозон Хиггса дал начало Вселенной в том виде, в котором мы ее знаем, поэтому его часто называют «божественной частицей». Все потому, что если бы не было поля Хиггса, не было бы тяжелого ядра и, следовательно, не было бы электрона, связанного с ядром.
Что произошло?
На конференции «Физика большого адронного коллайдера» представители ATLAS и CMS сообщили, что вместе нашли первое свидетельство редкого процесса. В нем бозон Хиггса распадается на Z-бозон, электрически нейтральный носитель слабого взаимодействия и фотон, носитель электромагнитной силы. Этот распад бозона Хиггса может дать косвенное свидетельство существования частиц помимо тех, которые предсказываются Стандартной моделью физики элементарных частиц.
Фото: ЦЕРН
Распад бозона Хиггса на Z-бозон и фотон аналогичен распаду на два фотона. В этих процессах «божественная частица» не распадается непосредственно на эти пары частиц. Вместо этого распад происходит через промежуточную «петлю» «виртуальных» частиц. Это значит, что они появляются и исчезают, и нет возможности обнаружить их напрямую. Виртуальные частицы могут включать в себя новые, еще не открытые, взаимодействующие с бозоном Хиггса.
Предсказания Стандартной модели
Стандартная модель — теоретическая конструкция в физике элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц. Современную формулировку завершили в 2000-е годы после экспериментального подтверждения существования кварков.
Стандартная модель предсказывает, что, если бозон Хиггса имеет массу около 125 млрд электронвольт, примерно 0,15% бозонов Хиггса распадутся на Z-бозон и фотон. Но некоторые теории, расширяющие Стандартную модель, предсказывают другую скорость распада. Таким образом, измерение скорости распада дает ценную информацию как о физике за пределами Стандартной модели, так и о природе бозона Хиггса.
Ранее, используя данные протон-протонных столкновений на БАК, ATLAS и CMS независимо провели обширные поиски распада бозона Хиггса на Z-бозон и фотон. Обе команды физиков использовали схожие стратегии, идентифицируя Z-бозон по его распадам на пары электронов или мюонов — более тяжелые версии электронов. Они случаются примерно в 6,6% случаев.
События-кандидаты от ATLAS (слева) и CMS (справа) для бозона Хиггса, распадающегося на Z-бозон и фотон, при этом Z-бозон распадается на пару мюонов. Фото: ЦЕРН
По плану, связанные с этим распадом бозона Хиггса сигналы будут выглядеть как пик на ровном фоне событий в распределении объединенной массы продуктов распада. Чтобы повысить чувствительность к распаду, ATLAS и CMS использовали наиболее частые способы образования бозона Хиггса и классифицировали события на основе характеристик этих процессов образования. Также они использовали передовые методы машинного обучения, чтобы еще больше различать сигнальные и фоновые события.
Что сделали ученые?
В новом исследовании ATLAS и CMS объединили усилия, чтобы максимизировать результаты своего поиска. Объединив наборы данных, собранные в ходе обоих экспериментов во время второго запуска БАК, который проходил в период с 2015 по 2018 год, совместные усилия физиков значительно повысили статистическую точность и охват поиска.
Все это привело к тому, что ученые нашли первое свидетельство распада бозона Хиггса на Z-бозон и фотон. Результат имеет статистическую значимость 3,4 стандартных отклонения. Это ниже обычного требования в 5 стандартных отклонений, чтобы заявить о наблюдении. При этом, измеренная скорость сигнала на 1,9 стандартного отклонения выше прогноза Стандартной модели.
Почему это важно?
Существование новых частиц может оказать очень существенное влияние на редкие моды распада бозона Хиггса. Физики ЦЕРН назвали новое исследование «мощной проверкой Стандартной модели». В будущем ученые планируют повысить точность теста и исследовать все более редкие хиггсовские распады.
Читать далее:
Найдена уникальная звездная система: ее планеты противоречат известным моделям
Найден странный радиовсплеск: он ставит под сомнение то, что ученые о них знают
Посмотрите, как взорвалась самая большая за последние 10 лет сверхновая