Достучаться до небес. Научный взгляд на устройство Вселенной - Лиза Рэндалл

Другой вариант рождения бозона Хиггса реализуется, когда кварки испускают два виртуальных слабых калибровочных бозона, которые затем сталкиваются и порождают один бозон Хиггса, как можно видеть на второй схеме рис. 51. В этом случае хиггс возникает вместе с двумя струями, которые формируются вокруг кварков, разлетающихся после появления калибровочных бозонов. И этот, и предыдущий механизм порождают не только бозоны Хиггса, но и другие частицы. В первом случае Хиггс рождается в связке с калибровочным бозоном. Во втором — а для БАКа он имеет большее значение — бозон Хиггса возникает вместе со струями.

Но бозоны Хиггса могут рождаться и сами по себе. Это происходит, когда сталкиваются глюоны, порождая истинный кварк и его антикварк, которые затем аннигилируют с образованием бозона Хиггса, как можно увидеть на третьей схеме. На самом деле истинные кварк и антикварк — частицы виртуальные и живут недолго, но квантовая механика утверждает, что этот процесс происходит довольно часто — ведь истинный кварк активно взаимодействует с хиггсом. Этот механизм возникновения частицы, в отличие от двух первых, не оставляет никаких следов, кроме следа непосредственно бозона Хиггса, который затем распадается.

РИС. 51. Три модели рождения бозона Хиггса (сверху вниз): излучение Хиггса, W‑Z–синтез, глюон–глюонный синтез

Так что, несмотря на то что сам хиггс не обязательно слишком уж тяжел — по массе он, скорее всего, сравним со слабыми калибровочными бозонами и уступает истинному кварку, — в его рождении, вероятно, должны быть задействованы тяжелые частицы, такие как калибровочные бозоны или истинные кварки. Поэтому высокоэнергетические столкновения (к примеру, в БАКе) и, разумеется, громадная их частота создают прекрасные условия для возникновения бозонов Хиггса.

Но, несмотря на то что хиггсы в БАКе должны возникать с достаточно высокой частотой, для их наблюдения и регистрации существует еще одно серьезное препятствие — характер распада этих частиц. Бозон Хиггса, подобно многим другим тяжелым частицам, нестабилен. Обратите внимание: распадается именно частица Хиггса, а никак не поле. Поле Хиггса пронизывает вакуум и придает массу элементарным частицам; оно никуда не пропадает. А вот бозон Хиггса — это реальная элементарная частица, обнаружимое следствие работы механизма Хиггса. Подобно другим частицам, она может возникать в коллайдере. И точно так же, подобно другим нестабильным частицам, не может жить вечно. Поскольку распад хиггса происходит практически мгновенно, единственный способ обнаружить эту частицу— это зарегистрировать продукты ее распада.

Бозон Хиггса распадается на частицы, с которыми он способен взаимодействовать, а именно — на любые частицы, приобретающие массу через механизм Хиггса и достаточно легкие, чтобы на их образование хватило энергии. Когда при распаде бозона Хиггса рождаются частица и соответствующая ей античастица, масса каждой из них должна составлять меньше половины его массы, чтобы не нарушался закон сохранения энергии. При этом чаще всего частица Хиггса будет распадаться на самые тяжелые частицы, на которые сможет при этом условии. Но это, к сожалению, означает, что относительно легкий бозон Хиггса лишь изредка распадается на те частицы, которые можно без труда обнаружить и распознать.

Если бозон Хиггса, вопреки ожиданиям, окажется действительно тяжелым — вдвое с лишним тяжелее, чем W–бозон (но менее чем вдвое тяжелее истинного кварка), то искать его будет относительно несложно. Тяжелый хиггс будет практически всегда распадаться на пару W- или Ζ–бозонов (на рис. 52 показана схема распада на W–бозоны). Экспериментаторы знают, как распознать получившиеся при этом частицы, так что бозон Хиггса можно будет обнаружить без большого труда.

РИС. 52. Тяжелый бозон Хиггса может распадаться на пару калибровочных W–бозонов

Следующий наиболее вероятный сценарий распада относительно тяжелого бозона Хиггса должен проходить с участием красивого кварка и соответствующей ему античастицы. Однако частота такого распада была бы намного меньше, потому что масса красивого кварка невелика, и поэтому он гораздо слабее взаимодействует с бозоном Хиггса, чем калибровочный W–бозон. Если хиггс достаточно тяжел, чтобы распадаться на W–бозоны, он будет давать при распаде красивые кварки меньше чем в одном случае из ста. Распад на еще более легкие частицы будет происходить еще реже. Так что если бозон Хиггса все же окажется достаточно тяжелым — тяжелее, чем мы ожидаем, — он будет распадаться на слабые калибровочные бозоны.· А регистрировать такие распады относительно несложно.

Однако, как уже говорилось ранее, и теория, и экспериментальные данные Стандартной модели говорят нам, что бозон Хиггса, скорее всего, окажется более легким и не сможет распадаться на слабые калибровочные бозоны. В этом случае наиболее частым вариантом будет распад на красивый кварк и его античастицу — красивый антикварк (рис. 53), — а этот распад зарегистрировать гораздо сложнее. С одной стороны, проблема состоит в том, что при столкновении протонов рождается множество активно взаимодействующих кварков и глюонов, которые легко можно спутать с небольшим количеством красивых кварков, родившихся при гипотетическом распаде бозона Хиггса. Мало того, в БАКе будет возникать так много истинных кварков, что их распад с образованием красивых кварков тоже будет маскировать сигнал от бозона Хиггса. Теоретики и экспериментаторы сейчас ищут способ надежно регистрировать финальную стадию распада хиггса в виде красивых кварка и антикварка. Тем не менее, несмотря на максимальную частоту, это, вероятно, не самый перспективный режим для поиска хиггса в БАКе, хотя теоретики и экспериментаторы, скорее всего, найдут способ воспользоваться и этим вариантом.

РИС. 53. Легкий бозон Хиггса будет распадаться преимущественно на красивые кварки

Так что ученым придется исследовать и альтернативные финальные состояния хиггсового распада, хотя наблюдаться они будут намного реже. Самые перспективные кандидаты — тау–частица и анти–тау–частица или пара фотонов. Напомню, что тау–частица — самый тяжелый из трех типов заряженных лептонов и самая тяжелая, помимо красивого кварка, частица, на пару которых может распадаться бозон Хиггса. Частота фотонного распада намного меньше — бозоны Хиггса распадаются на фотоны только через квантовые виртуальные эффекты, — зато фотоны относительно несложно регистрировать. Вообще, это непростой режим, но экспериментаторы умеют так хорошо измерять характеристики фотонов, что, как только бозонов распадется достаточное количество, смогут безошибочно распознать бозон Хиггса, при распаде которого они образовались.