Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира - Шон Кэрролл

Итак, вы получили бозон Хиггса! Примите поздравления. Теперь начинается самое интересное: как вы об этом узнаете?

Тяжелые частицы, как правило, стремятся развалиться, а бозон Хиггса по-настоящему очень тяжелый. По оценкам, время его жизни несколько меньше цептосекунды (10-21 секунды), а значит, до своего распада он пролетит меньше нескольких миллиардных долей сантиметра. Даже с очень совершенными детекторами, такими как ATLAS и CMS, невозможно увидеть такой трек. Вместо этого мы увидим то, на что бозон Хиггса распадается. Еще мы увидим много частиц, на которые распадаются другие частицы – не бозон Хиггса, и многие из них выглядят так же, как продукты распада бозона Хиггса. Проблема заключается в том, как выделить крошечный сигнал на фоне огромных шумов.

В качестве первого шага нужно выяснить, на что именно бозон Хиггса будет распадаться и как часто. В общем, бозон Хиггса больше взаимодействует с тяжелыми частицами, так что мы могли бы ожидать, что он часто распадается на истинный и прелестный кварки, W– и Z-бозоны, и тау-лептон и реже – на более легкие частицы, например на верхние и нижние кварки и электроны. И это в основном так и есть, хотя и здесь есть свои тонкости (наверное, вы и не думали, что их не будет).

Вероятность появления бозона Хиггса с массой 125 ГэВ, распадающегося на различные частицы. Из-за округления сумма всех вероятностей не равна в точности 100 %.

Во-первых, бозон Хиггса не может развалиться на что-то более тяжелое, чем он сам. Он, конечно, может временно превратиться в более тяжелые виртуальные частицы, которые сами быстро распадаются, но такие процессы становятся очень редкими, если виртуальные частицы намного тяжелее, чем исходный бозон Хиггса. Если масса бозона Хиггса была бы равна 400 ГэВ, он бы легко разваливался на истинный и антиистинный кварки, каждый с массой 172 ГэВ. Но для более правдоподобного значения массы бозона Хиггса – примерно 125 ГэВ – получить истинные кварки при его распаде невозможно, и скорее всего он будет распадаться на прелестные кварки. Это одна из причин того, почему более тяжелые версии бозона Хиггса (до 600 ГэВ) на самом деле было бы гораздо легче найти, даже если это потребовало бы для их создания большей энергии – вероятность распада на тяжелые частицы гораздо выше.

На рисунке показана круговая диаграмма, дающая приблизительное соотношение вероятностей различных механизмов распада бозона Хиггса с массой 125 ГэВ, рассчитанных по Стандартной модели. Бозон Хиггса будет большую часть времени распадаться на прелестный и антипрелестные кварки, но есть и ряд других важных каналов распада. Хотя при значении массы бозона Хиггса 125 ГэВ его трудно обнаружить, но как только мы это сделаем, появится огромное количество интересной физики – мы исследуем каждый механизм распада отдельно и сравним его вероятность с теоретическими предсказаниями. Любое отклонение будет намеком на то, что физика вышла за пределы Стандартной модели: например, появились какие-то новые частицы или необычные взаимодействия. Мы на самом деле даже уже увидели намеки на то, что такие отклонения наблюдались.

Однако мы пока еще не закончили. Обратимся опять к нашему обсуждению детекторов частиц, которое было проведено в главе 6, где мы рассмотрели, как разные слои детектора-луковицы помогают нам идентифицировать различные частицы – электроны, фотоны, мюоны и адроны. Теперь посмотрим опять на эту круговую диаграмму. Более 99 % времени бозон Хиггса распадается не на то, что мы непосредственно наблюдаем в нашем детекторе, а на нечто, которое в свою очередь тоже распадается (или преобразуется) уже на что-то другое, и это что-то мы в конечном итоге и регистрируем. Это делает жизнь сложнее – или иначе – интересней – все зависит от вашей точки зрения.

Около 70 % времени бозон Хиггса распадается на кварки (пары прелестный-антипрелестный или очарованный-антиочарованный) или глюоны. Это частицы, обладающие цветом и не гуляющие на воле по-одному. Когда они рождаются, начинают активизироваться сильные взаимодействия, и они заставляют кварки объединяться в облако, состоящее из кварков, антикварков и глюонов, которые фрагментируют в струи адронов. Именно эти струи мы в калориметрах и обнаруживаем. Проблема – причем очень большая проблема – в том, что такие струи производятся во всех видах процессов. При столкновении протонов друг с другом при высокой энергии эти струи возникают в огромном количестве, но только очень малая часть их общего количества рождается в результате распада хиггсовских бозонов. Экспериментаторы, конечно, делают все возможное, чтобы разобраться и соотнести данные по струям с модельными механизмами, но это не самый легкий способ найти бозон Хиггса. По оценкам физиков, в течение первого года работы БАКа было произведено более 100 000 бозонов Хиггса, но большинство из них распались на струи, которые потерялись в какофонии сильных взаимодействий.

Когда бозон Хиггса не распадается прямо на кварки или глюоны, он, как правило, распадается на W-бозоны, Z-бозоны, или пары тау-антитау лептонов. Все эти каналы полезно просмотреть, а детали зависят от того, на что сами эти массивные частицы распадаются. Когда рождаются тау-пары, они, как правило, распадаются на W-бозон соответствующего заряда плюс тау-нейтрино, поэтому анализ в чем-то похож на то, что происходит, когда бозон Хиггса напрямую распадается на W-бозоны. Часто при распадах W– или Z-бозонов будет рождаться кварки, фрагментирующие в струи, которые трудно выделить из фона, но в принципе возможно, и адронные распады экспериментаторами рассматриваются очень пристально. Но это не будет чистым результатом.

Часть времени, однако, W– и Z-бозоны могут распадаться на лептоны. W-бозон может распасться на заряженный лептон (электрон или мюон) и связанное с ним нейтрино, в то время как Z-бозон может распасться прямо на заряженный лептон и его античастицу. Если в процессе не возникают струи, сигналы получаются относительно чистыми, хотя это и случается довольно редко. Примерно 1 % времени бозон Хиггса распадается на два заряженных лептона и два нейтрино, и около 0,01 % – на четыре заряженных лептона. Когда W-бозон распадается с образованием нейтрино, из-за унесенной им энергии эти события трудно идентифицировать, но они все еще бывают полезными. В событиях распадов Z-бозонов на четыре заряженных лептона не возникает потерянной энергии, запутывающей ситуацию, поэтому это абсолютные самородки, но, к сожалению, они очень редки.

А иногда с помощью виртуальных заряженных частиц бозон Хиггса может распадаться на два фотона. Поскольку фотоны не имеют массы, они не рождаются непосредственно из бозона Хиггса, но из него может сначала родиться заряженная массивная частица, а уже потом та может превратиться в пару фотонов. Это происходят с вероятностью примерно 0,2 %, но именно в этих событиях мы получаем самый чистый сигнал из всех возможных для бозона Хиггса с массой около 125 ГэВ. Производительность коллайдера достаточно велика, чтобы получить нужное количество событий, а шумы достаточно малы, чтобы на их фоне можно было увидеть сигнал Хиггса. Большинство всех собранных в настоящий момент доказательств существования бозона Хиггса получено из двухфотонных распадов.