Бозон Хіггса. Коротка історія пошуку

Бозон Хіггса. Автор скульптури - Duco de Klonia.

Не минуло й півстоліття, як вчені отримали в своє розпорядження обладнання, здатне підтвердити або спростувати теоретичні передбачення, що стосуються останньої незнайденого елементарної частинки Стандартної моделі. Ось як це було.

1964

У жовтні англійський фізик Пітер Хіггс публікує статтю, в якій пророкує частку, що отримала згодом його ім'я. Але ще до нього, в серпні, бельгійці Роберт Браут і Франсуа Енглер показують, як може працювати механізм освіти маси. У листопаді незалежно від всіх ще одна група, яку склали американці Дік Хаген , Джеральд Гуральник і британець Том Кіббл , Виступає з аналогічними ідеями .

Оскільки Нобелівську премію дозволяється розділити тільки між трьома лауреатами, перед нагородних комітетом встає важке завдання.

1995

Хоча бозон Хіггса ще не виявлений, є докази роботи відповідного механізму в рамках Стандартної моделі, що дозволяє зробити ряд успішних прогнозів, в тому числі щодо найважчою з відомих частинок - t-кварка . За допомогою " Теватрона » Національної прискорювальної лабораторії ім. Енріко Фермі (США) його вдається виявити в районі 176 ГеВ - як і було передбачено.

2001

до Великого адронного коллайдера (ВАК) у Європейської організації з ядерних досліджень (CERN) був Великий електрон-позитронний колайдер (LEP), який п'ять років шукав бозон Хіггса з масою близько 80 ГеВ, поки не закрився в 2000 році. Аналіз результатів, опублікований в 2001-му, показав, що маса частинки перевищує 115 ГеВ.

2004

У проміжку між закриттям LEP і включенням БАК бозон Хіггса могли виявити в Чикаго. Дані «Теватрона» помістили бозон Хіггса вище 117 ГеВ (трохи вище досяжності LEP) з верхньою межею 251 ГеВ.

2007

Експерименти знижують верхню межу до 153 ГеВ. Оскільки БАК здатний зіштовхувати частки на більш високих енергіях, ніж будь-який попередній прискорювач, він міг вивести з боротьби «Теватрон», але більш легкий бозон збільшує шанси Чикаго.

2008

У Великому адронному колайдері нарешті починають циркулювати пучки протонів. У жовтій пресі - істерія з приводу того, що ВАК призведе до створення чорної діри. Після довгої перерви CERN знову включається в погоню за «часткою Бога», але незабаром витік газу змушує вчених відключити прискорювач до наступного року.

2009

До листопада БАК варто, тоді як «Теватрон» продовжує роботу. Чикаго виступає із заявою про 50-відсоткові шанси знайти бозон до кінця 2010 року.

2010

Блогери схвильовані чутками про сигнал, отриманому на «Теватроні». Але вони виявляються помилковими.

2011

У квітні чутки спалахують з новою силою через попадання в Інтернет ще не проаналізованих результатів дослідження на Великому адронному колайдері. У вересні «Теватрон» вимикається, не зумівши знайти бозон Хіггса. В кінці року аналіз експериментів ATLAS і CMS натякає на те, що бозон знаходиться десь в районі 125 ГеВ. напруга наростає .

2012

У лютому БАК збільшує енергію зіткнень з семи до восьми тераелектронвольт, підвищуючи ймовірність виявлення бозона на 30-40%. У березні дані останнього подиху «Теватрона» поміщають бозон між 115 і 152 ГеВ ...

Схема експерименту ATLAS на Великому адронному колайдері, який натякнув на бозон Хіггса (зображення Weizmann Institute).

4 серпня 2012 року, в Женеві відбувся науковий семінар, який підсумувала наступна за ним прес-конференція. Керівництво ЦЕРНу оголосило узагальнені результати пошуку бозона Хіггса, отримані в ході обробки експериментальних даних за 2011-2012 роки. З дуже великою ймовірністю невловима частинка знайдена. Про те, як відбувалися пошуки бозона Хіггса, і в чому полягає важливість відкриття, розповіли співробітники ФІАН, які беруть участь в двох головних експериментах Великого адронного коллайдера (БАК) - CMS і ATLAS.

Важливість відкриття бозона Хіггса визначається тим, що це - єдина з ще не знайдених частинок в так званій Стандартній моделі, яка описує взаємодії всіх відомих частинок у Всесвіті. Більш того, вона грає особливу роль, визначаючи маси всіх інших частинок , Що рухаються в хіггсовом поле. Існування бозона Хіггса може пояснити загадку настільки різних мас елементарних частинок, починаючи від нейтрино і закінчуючи топ-кварком. Але довести його існування не так вже й просто.

В результаті зіткнення протонів у зустрічних пучках Великого адронного коллайдера народжується безліч вторинних частинок. Серед них є щодо довгоживучі частки, які можуть пролетіти сантиметри і метри, а є короткоживучі, які, практично не встигнувши відійти від точки свого народження, розпадаються на інші частинки. Бозон Хіггса - вкрай короткоживущая частка, вона живе мізерно короткий час і дуже швидко розпадається. Варіантів розпаду, або як їх називають фахівці, каналів розпаду, досить багато. Наприклад, в одному випадку "частинка Бога" може розпастися на два Z-бозона (які в подальшому розпадаються на 4 лептона), в іншому - на два гамма-кванта. Це імовірнісний процес, тому передбачити заздалегідь, на які частки в кожному конкретному випадку розпадеться шуканий бозон не можна.

Бозон Хіггса і Великий вибух

"Детектори на ВАКу не можуть зареєструвати бозон Хіггса безпосередньо, але продукти його розпаду, які живуть досить довго для того, щоб бути зареєстрованими, можуть. Наприклад, лептони, на які розпадаються Z-бозони. Однак, і в цьому полягає одна з основних проблем , ті ж самі частинки, на які розпадається Хіггс, можуть бути народжені і в результаті абсолютно інших процесів, які до Хіггс-бозона ніякого відношення не мають. і таких процесів набагато більше, ніж процесів з народженням і розпадом бозона Хіггса ", - розповідає у астнік експерименту ATLAS, старший науковий співробітник ФІАН, кандидат фіз.-мат.наук Володимир Тихомиров.

Однак коли на руках у археологів є знайдені через багато років шматочки стародавньої вази або інший дивовижної речі, вони можуть відновити її зовнішній вигляд. Так і тут, маючи в арсеналі маси і енергії частинок - продуктів розпаду, вчені можуть відновити маси батьківських частинок, в результаті розпаду яких вони утворилися. Але тут знову заковика. Справа в тому, що теорія, в рамках якої передбачається існування бозона Хіггса, - Стандартна Модель, - масу цього бозона не передвіщає.

"" Маса бозона Хіггса в Стандартної моделі - це вільний параметр, вона може бути будь-хто. Тому, в якому діапазоні мас його шукати, спочатку відомо не було ".

", - коментує учасник колаборації CMS, головний науковий співробітник ФІАН, доктор фіз.-мат.наук Ігор Дремін.

Вирішення цієї проблеми наступне. Вчені будують розподіл мас частинок, тобто число подій, в яких народжуються частинки з певними масами, відновленими за характеристиками можливих продуктів розпаду, наприклад, пари гамма-квантів. Більшість подій в цьому розподілі є фоновими, оскільки велика частина реєстрованих пар ніякого відношення до бозона Хіггса не має. Але якщо серед всіх цих пар гамма-квантів дійсно є ті, які є результатом розпаду шуканого бозона, то ці пари, з точністю до акуратності вимірювань, будуть кожен раз давати одну і ту ж масу. Тоді на фоновому розподілі, складеному з випадкових подій, в районі маси шуканої частки буде спостерігатися певний надлишок подій у вигляді додаткового піку.

Таке ж розподіл можна побудувати і для інших можливих каналів розпаду Хіггс-бозона. І якщо на ньому виявиться пік з тим же значенням маси, що і на попередньому, то це буде свідчити на користь явної закономірності, за якою, цілком ймовірно, криється бозон Хіггса. Для того, щоб визначити, наскільки ймовірно, що ми дійсно маємо справу з продуктами розпаду бозона Хіггса, а не зі статистичними флуктуаціями, залучають теорію ймовірності. Для визначення ступеня достовірності результату вчені повинні визначити, з якою ймовірністю можна випадковим чином отримати такий же надлишок подій у вигляді додаткового піку, що виходить за рамки фонового розподілу.

Пітер Хіггс

Ступінь статистичної достовірності результату прийнято вказувати в кількості так званих сигма, які характеризують розмах розподілу ймовірностей. Чим більше сигм, тим менше ймовірність того, що подія піде за межі розподілу випадковим чином. Наприклад, для 3 сигма така ймовірність становить приблизно 0.3%, тобто випадково таке можливо приблизно в трьох випадках з тисячі. Результатом, гідним довіри, в науковому співтоваристві домовилися вважати тільки той результат, який відповідає 5 сигма і більше. Що стосується бозона Хіггса, то згідно з поданими спільним результатами експериментів CMS і ATLAS, ймовірність того, що надлишок подій в одній і тій же галузі мас буде випадковим чином отриманий в результаті обробки даних про розпад як на два Z-бозона, так і на два гамма -кванта, менше 10-6, що відповідає 5 сигма. При цьому найбільш ймовірне значення маси бозона Хіггса дорівнює приблизно 126,5 ГеВ - згідно з даними колаборації ATLAS, і 125,3 ± 0,6 ГеВ - згідно з даними CMS.

Слайд з презентації представника колаборації CMS Джо Інкандела

Слайд з презентації представника колаборації ATLAS Фабіоли Джанотті

У 2013 році Великий Адронний Коллайдер призупинить свою роботу приблизно на півтора року. Під час цього тривалої перерви буде відбуватися підготовка гігантської машини до переходу на повну енергію - 14 ТеВ на два пучка - (в 2011 році було 7 ТеВ, а в 2012 - 8 ТеВ) і повну світність. Наступний запуск коллайдера на повну потужність дозволить детально вивчити властивості знайденої частки, зокрема, уточнити її масу і визначити ймовірності розпаду по різних каналах. Величезний інтерес також представляє і пошук інших, що не входять в Стандартну Модель, гіпотетичних частинок, які передбачаються деякими теоріями. Так що не виключено, що виявлення бозона Хіггса - це лише перший крок у низці фундаментальних відкриттів, які принесуть експерименти на ВАК.

джерело МодКос