Распадающийся хиггс

Ученые в ЦЕРНе наблюдали превращения бозона

Питер Хиггс
Питер Хиггс
Фото: Claudia Marcelloni/ ATLAS Experiment/ CERN

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Обсудить
Наука и техника
 — 
00:02 Сегодня

Фарту масти

Как простые русские парни становятся легендами киберспорта
Два года для развода
Сколько времени понадобится Британии, чтобы выйти из ЕС
FILE - In this Saturday, June 4, 2011 file photo made by Associated Press photographer Anja Niedringhaus, injured U.S.Marine Cpl. Burness Britt reacts after being lifted onto a medevac helicopter from the U.S. Army's Task Force Lift "Dust Off," Charlie Company 1-214 Aviation Regiment. Location:
Sangin, AfghanistanПадение Сангинграда
Десятилетнее сражение за столицу наркоторговли завершилось победой «Талибана»
Больно, но полезно
Китай готовится к реформе госкорпораций, чреватой социальным взрывом
Participants attend a gay pride parade in central Istanbul June 30, 2013. Tens of thousands of anti-government protesters teamed up with a planned gay pride march in Istanbul. Crowds were stopped by riot police from entering Taksim, the centre of previous protests, but the atmosphere appeared peacefulОпасное интернет-проникновение
Грозит ли подъем геев-мусульман исламскому миру
Displaced people from the minority Yazidi sect, fleeing violence from forces loyal to the Islamic State in Sinjar town, walk towards the Syrian border, on the outskirts of Sinjar mountain, near the Syrian border town of Elierbeh of Al-Hasakah Governorate August 11, 2014. Islamic State militants have killed at least 500 members of Iraq's Yazidi ethnic minority during their offensive in the north, Iraq's human rights minister told Reuters on Sunday. The Islamic State, which has declared a caliphate in parts of Iraq and Syria, has prompted tens of thousands of Yazidis and Christians to flee for their lives during their push to within a 30-minute drive of the Kurdish regional capital Arbil. Picture taken August 11, 2014. REUTERS/Rodi Said (IRAQ - Tags: POLITICS CIVIL UNREST TPX IMAGES OF THE DAY) FOR BEST QUALITY IMAGE ALSO SEE: GM1EA8M1B4V01Дважды отверженные
Почему от женщин, вырвавшихся из плена боевиков, отворачивается общество
Фарту масти
Как простые русские парни становятся легендами киберспорта
Замороженная стволовая клетка человека Внутренние бомбы
Как клеточный суицид помогает против рака и старости
Красный — новый черный
Зачем люди скупают допотопные компьютеры и свитеры Apple
Талант расправил плечи
Лучшие архитектурные проекты 2017 года: от города в пустыне до термальных ванн
Адская машина
Ученые и урбанисты придумали, что делать с заполонившими города автомобилями
«Если у тебя нет любовника, квартире взяться неоткуда»
Исповедь россиянки, ставшей ипотечницей в 20 лет
Тариф «Хватит»
За услуги ЖКХ можно платить в разы меньше