Достучаться до небес. Научный взгляд на устройство Вселенной

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.

Поскольку обнаружение бозона Хиггса имеет для науки принципиальное значение, на обеих экспериментальных установках — и на CMS, и на ATLAS — предусмотрены хитроумные и точные стратегии поиска фотонов и тау–частиц; более того, детекторы обеих установок проектировались с расчетом на поиск бозона Хиггса. Электромагнитные калориметры, описанные в главе 13, рассчитаны на тщательное измерение энергии фотонов, а мюонные детекторы помогают регистрировать распады еще более тяжелых тау–частиц. Считается, что вместе эти средства достаточны для того, чтобы убедиться в существовании бозона Хиггса, а как только хиг- гсы будут обнаружены, свойства их тоже можно будет установить.

Как рождение, так и распад бозона Хиггса ставят перед экспериментаторами достаточно серьезные проблемы, но ученые БАКа должны оказаться на высоте и достойно ответить на этот вызов. Физики надеются, что в ближайшие несколько лет мы сможем отпраздновать открытие бозона Хиггса и больше узнать о свойствах этой частицы.

СЕКТОР ХИГГСА

Итак, мы ожидаем в скором времени обнаружить бозон Хиггса. В принципе, он мог бы родиться и при пробном пуске Большого адронного коллайдера на половинной мощности — ведь энергия столкновения при этом более чем достаточна для создания этой частицы. Однако мы уже говорили о том, что бозон Хиггса возникает при столкновении протонов лишь в очень небольшой доле случаев. Это означает, что частицы Хиггса будут рождаться только тогда, когда столкновений будет много, а это подразумевает высокую светимость коллайдера. Скорее всего, число столкновений, которые первоначально планировалось получить до остановки коллайдера на полтора года и подготовки его к новому пуску уже на целевых энергиях, слишком мало; бозонов Хиггса в этот период возникло бы слишком мало, чтобы их можно было заметить. Однако новый план, который предусматривает работу БАКа в течение всего 2012 г., а затем остановку его на год, может оказаться более удачным в этом смысле. Не исключено, что именно в этот период ученым удастся «поймать» неуловимый бозон Хиггса [54] . Разумеется, позже, когда БАК будет работать на полную мощность, его светимость будет достаточно высокой, а поиск хиггса станет для работающих на БАКе ученых одной из основных целей.

54

Так оно и случилось! Четвертого июля 2012 г. было официально объявлено, что на обеих экспериментальных установках достоверно обнаружены нейтральные частицы–бозоны с энергией 125,3–126,0 ГэВ, которые, вероятно, и являются долгожданными бозонами Хиггса. — Прим. пер.

Может показаться, что экспериментальный поиск бозона Хиггса не так уж необходим, — ведь ученые совершенно уверены в его существовании, а искать его трудно и дорого. Но на самом деле игра стоит свеч, причем по нескольким причинам. Самая, пожалуй, важная из них состоит в том, что возможности теоретического прогнозирования не бесконечны. Большинство людей доверяет — и небезосновательно — только реальным научным результатам, подтвержденным наблюдениями. Бозон Хиггса — частица в своем роде уникальная и очень отличается от всего, что ученым случалось открывать прежде. Это единственный фундаментальный скаляр [55] , с которым мы когда-либо сталкивались. В отличие от векторных частиц, таких как кварки и калибровочные бозоны, скаляры, то есть частицы с нулевым спином, остаются неизменными при вращении или при движении относительно них вашей системы отсчета. До сих пор единственными частицами с нулевым спином оставались связанные состояния кварков, которые сами по себе обладают ненулевым спином. Мы не можем утверждать, что скаляр Хиггса существует, пока он не появится и не оставит в детекторе видимых следов.

55

Скаляр (от лат. scalaris — ступенчатый) — величина, каждое значение которой может быть выражено одним (действительным) числом. Примерами скаляров являются длина, площадь, время, масса, плотность, температура и т. п. — Прим. ред.

После того как мы обнаружим (если обнаружим, конечно) бозон Хиггса и убедимся в его существовании, нам захочется познакомиться с его свойствами. Самое важное неизвестное — его масса. Важно узнать также о том, как и при каких условиях он распадается. Ожидаемые параметры нам известны, но нужно экспериментально определить, согласуются ли реальные данные с предсказанными. Это поможет нам понять, верна ли простая теория, описывающая поле Хиггса, или это лишь часть более сложной теории. Измерив свойства бозона Хиггса, мы сможем заглянуть за пределы Стандартной модели.

К примеру, если бы за нарушение электрослабой симметрии отвечало два поля Хиггса, а не одно, этот факт серьезно изменил бы наблюдаемые взаимодействия бозона Хиггса. В других моделях частота рождения бозона Хиггса может оказаться отличной от ожидаемой. А существование других частиц, заряженных относительно взаимодействий Стандартной модели, могло бы повлиять на относительную частоту различных вариантов распада бозона Хиггса.

Это приводит нас еще к одной причине изучать бозон Хиггса — мы пока не знаем, как именно реализуется механизм Хиггса. В простейшей модели — той самой, что излагалась до сих пор в этой главе — экспериментальным сигналом должен служить один бозон Хиггса. Хотя мы уверены, что за массы элементарных частиц отвечает механизм Хиггса, мы пока не знаем точно, какой набор частиц участвует в его реализации. Большинство ученых до сих пор считают, что мы, скорее всего, обнаружим легкий бозон Хиггса. Если так и произойдет, это открытие станет важным подтверждением важной идеи.

Но в альтернативных моделях фигурирует более сложный сектор Хиггса, позволяющий сделать больше проверяемых прогнозов. К примеру, модели суперсимметрии, речь о которых пойдет в следующей главе, предсказывают существование в этом секторе не одной, а нескольких частиц. При этом сам бозон Хиггса тоже предполагается обнаружить, но его взаимодействия будут отличаться от тех, которые предсказывает модель с одной частицей Хиггса. К тому же остальные частицы сектора Хиггса могли бы дать нам собственные интересные данные, если, конечно, они достаточно легкие и их можно получить.

Некоторые модели даже предполагают, что фундаментальный скаляр Хиггса не существует, а механизм Хиггса реализуется более сложной частицей, причем не фундаментальной; сторонники этой модели считают, что эта частица представляет собой скорее связанное состояние других, более элементарных частиц — вроде спаренных электронов, придающих в сверхпроводящем материале массу фотону. Если дело обстоит именно так, то сложная частица Хиггса должна оказаться удивительно тяжелой, а по параметрам взаимодействия отличаться от любого фундаментального бозона Хиггса. В настоящее время эти модели не пользуются особой популярностью, потому что их трудно согласовать со всеми имеющимися экспериментальными данными. Тем не менее их тоже надо проверить.

ПРОБЛЕМА ИЕРАРХИИ В ФИЗИКЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Надо сказать, что бозон Хиггса — лишь верхушка айсберга. Каким бы интересным он ни был, его получение вовсе не является единственной целью ученых. Возможно, главный повод изучать масштаб слабого взаимодействия заключается в том, что никто не считает хиггс единственной неизвестной величиной. Физики предполагают, что бозон—лишь один из элементов гораздо более сложной модели, которая сможет многое рассказать нам о природе вещества и пространства.