Как поймать бозон Хиггса

Легендарная формула Эйнштейна, та самая E=mc², утверждает, что энергия и материя — две стороны одной медали.

Большой адронный коллайдер (БАК) использует этот принцип для преобразования энергии, содержащейся в обычных частицах, в новые частицы, которые намного сложнее обнаружить в природе. Например, бозон Хиггса, чья масса настолько велика, что он практически сразу распадается на более лёгкие и стабильные частицы.

Однако не каждое столкновение приводит к рождению бозона Хиггса.

«Все элементарные частицы подчиняются строгим законам, которые определяют, как те будут преобразовываться, распадаться и взаимодействовать», — утверждает исследователь из Университета Висконсина в Мэдисоне Лаура Додд.

Один из этих законов гласит, что бозоны Хиггса могут быть созданы только частицами, которые взаимодействуют с Полем Хиггса. Другими словами, частицами с массой. Поле Хиггса невидимой паутиной пронизывает всё пространство, и когда частицы проходят через него, некоторые из них «цепляются», после чего замедляются и начинают постепенно набирать массу. Но такие частицы, как фотоны и глюоны, совершенно беспрепятственно проскальзывают через поле.

Получив нужное количество энергии, частицы могут передавать свою энергию полю и выбрасывать бозон Хиггса. Поскольку частицы без массы не взаимодействуют с Полем Хиггса, то и не могут привести к рождению бозона. Но у исследователей, работающих с большим адронным коллайдером, есть своё мнение на этот счёт.

БАК разгоняет протоны по всей длине своего кольца (почти 27 километров) практически до скорости света, а затем сталкивает их в четырёх точках пересечения пучков. Протоны не являются фундаментальными частицами, которые невозможно разбить на мелкие составляющие. Они состоят из глюонов и кварков.

Пока два разогнанных протона проходят друг через друга, пара безмассовых глюонов воздействуют на невидимые поля собственной объединённой энергией и создают другие частицы —что приводит к рождению бозона Хиггса.

Каким образом? Глюоны не так просты, как кажутся.

«Мы бы никогда не открыли бозон Хиггса с помощью глюонов, если бы столкновения в БАКе были простым и одноэтапным процессом», — утверждает теоретик из Даремского университета Ричард Руис. К счастью, это не так.

Глюоны способны моментально «отмыть» свою энергию до состояния виртуальной частицы, которая преобразует глюоновскую энергию в массу. Если два глюона создают пару виртуальных t-кварков, те могут рекомбинироваться и аннигилировать в бозон Хиггса.

Сразу поясним, виртуальные частицы никоим образом нельзя отнести к стабильным частицам. Они скорее спонтанные флуктуации в квантовомеханических полях, которые существует в «полузрелом» состоянии на протяжении невероятного короткого периода времени. Если бы настоящая частица была процветающим бизнесом, то виртуальная частица была компанией-пустышкой.

Теоретики предполагают, что около 90 % бозонов происходят от слияния глюонов. Вероятность столкновения двух глюонов, которое приведёт к созданию t-кварковой пары, что в последствии выльется в бозон Хиггса составляет примерно 2 миллиарда. Впрочем, так как БАК производит приблизительно 1 миллиард столкновений протонов ежесекундно, у учёных велики шансы создавать бозоны Хиггса каждую вторую секунду.

По словам Додд, после открытия «частицы Бога» учёные сосредоточили своё внимание на том, что происходит с бозоном после того, как он распадается.

«Однако теперь, когда у нас есть ещё больше сведений о бозоне Хиггса, мы можем ближе изучить результаты столкновения для лучшего понимания того, как производится бозон Хиггса с помощью различных механизмов», — утверждает исследователь.

Стандартная модель физики частиц предполагает, что практически все бозоны Хиггса образовываются в результате одного из четырёх возможных процессов. Учёным очень бы хотелось понаблюдать за путем образования бозона Хиггса, который Стандартная модель не в силах предсказать, например, распад новой частицы.

«Нам известно, что частицы придерживаются строгих правил взаимодействия. Мы неоднократно наблюдали за ними во время наших экспериментов. Вопрос в другом. А что, если существует целый ряд неизвестных частиц, который не могут взаимодействовать с нашими стандартными частицами, но могут взаимодействовать с бозон Хиггсом?», говорит Руис.

Учёные неустанно наблюдают в ожидании любых сюрпризов: избыток определённых частиц, излучаемых в результате столкновения или распада частей, которые происходят более или менее чаще, чем спрогнозировали сами исследователи. Эти показатели могут указать, как неведанные тяжелые частицы превращаются в бозон Хиггса.

В это же время исследователям необходимо точно знать, чего им ожидать, если они найдут намёки на неожиданные составляющие в цепной реакции по созданию бозона Хиггса.

«У нас есть восхитительные математические модели, которые предсказывают все эти процессы, и нам известно каковы обе стороны уравнений. Осталось только проверить эти прогнозы на экспериментом уровне, чтоб увидеть насколько они точны, выяснить чем могут быть эти недостающие переменные».

Оригинал: Symmetry

Автор: Сара Шарли

Дата: 10 апреля 2018

​ ​