4 июля 2012 года физики Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) объявили об открытии "частицы, по своим параметрам очень похожей на бозон Хиггса" (Higgs boson), последнего составного элемента основной физической теории — Стандартной модели.
Стандартной моделью сегодня принято называть теорию, наилучшим образом отражающую современные представления об исходном материале, из которого изначально построена Вселенная. Она же описывает, как именно материя образуется из этих базовых компонентов, и силы и механизмы взаимодействия между ними.
Стандартная модель предполагает, что существует еще одно поле, которое практически неотделимо от пустого пространства. Его принято называть полем Хиггса (по фамилии английского теоретика Питера Хиггса). Считается, что все пространство Вселенной заполнено этим полем, и что частицы приобретают массу путем взаимодействия с ним. Те из них, которые сильно взаимодействуют с полем Хиггса, являются тяжелыми частицами, а слабовзаимодействующие — легкими.
Через поле Хиггса проходят абсолютно все частицы, из которых строятся атомы, молекулы, ткани и целые живые организмы. Без этого поля частицы, не имея массы, просто разлетелись бы по космическому пространству.
Согласно теории, полю Хиггса должна соответствовать, по крайней мере, одна частица — квант этого поля, называемая частицей Хиггса или бозоном Хиггса. Его наличие теоретически предположил Питер Хиггс в 1964 году. Бозон Хиггса был единственным не открытым до последнего времени элементом Стандартной модели.
Обнаружить бозоны Хиггса очень трудно, так как после Большого взрыва микроскопические частицы образовали однородное поле. Для того чтобы их обнаружить необходимо воспроизвести те начальные условия — условия Большого взрыва. Однако и в этой ситуации "поймать" бозон непросто — едва появившись, он тут же распадается на более мелкие частицы. Поэтому в экспериментах регистрируются частицы — продукты распада бозона Хиггса, и уже по ним восстанавливается картина того, что произошло.
Согласно теоретическим предсказаниям, существует несколько вариантов рождения и последующего распада бозона Хиггса на другие частицы. Это вероятностный процесс, поэтому предсказать заранее, на какие частицы в каждом конкретном случае распадется искомый бозон нельзя.
Еще одной проблемой является то, что те же самые частицы, на которые распадается бозон Хиггса, могут быть рождены и в результате совершенно других процессов, которые к нему никакого отношения не имеют. И таких процессов гораздо больше, чем процессов с рождением и распадом бозона Хиггса.
Теория не позволяет точно установить массу бозона, поэтому для его обнаружения ученые прибегли к методу эксперимента. Они предположили, что частица находится в области масс от 100 до 1000 гигаэлектронвольт (ГэВ).
В этой области науки массу измеряют в единицах энергии, и в качестве единицы энергии используют электронвольт (эВ) — энергию, которую приобретает электрон, проходя разность потенциалов один вольт.
Значение массы в 100 гигаэлектронвольт примерно в 107 раз больше массы протона.
Первые серьезные попытки отловить бозон Хиггса были предприняты на рубеже ХХ и ХХI веков на Большом электронно-позитронном коллайдере (Large Electron-Positron Collider, LEP) в ЦЕРНе.
В результате многочисленных экспериментов на ускорителе LEP был установлен нижний порог массы бозона Хиггса — 114,4 гигаэлектронвольт. Эксперименты LEP были завершены в 2001 году.
Следующие циклы поисков проводили на коллайдере Теватрон (Tevatron), построенном в 1983 году в Лаборатории имени Ферми (Fermilab, штат Иллинойс, США). Энергия столкновений в нем составляла около двух тераэлектронвольт.
В 2004 году экспериментальным методом на Теватроне была установлена верхняя граница массы частицы Хиггса — 251 гигаэлектронвольт.
В ноябре 2009 года Теватрон исключил возможность существования бозона Хиггса в интервале 163 до 166 гигаэлектронвольт, а в июле 2010 года — в интервале масс от 158 до 175 гигаэлектронвольт.
Окончательные результаты Теватрона, завершившего свою работу осенью 2011 года, показали, что масса бозона Хиггса находится в интервале от 115 до 135 гигаэлектронвольт.
Дальнейшие работы по поиску свидетельств существования бозона Хиггса были продолжены на Большом адронном коллайдере (БАК, Large Hadron Collider — LHC), созданном учеными из многих стран на площадке ЦЕРНа в пригороде Женевы (Швейцария). Он является самым большим в истории ускорителем элементарных частиц и предназначен для получения принципиально новых данных о природе материи и фундаментальных физических законах.
Все эксперименты, проведенные до сих пор, не могли справиться с поиском бозона Хиггса из-за недостаточно большой энергии частиц.
Суть процесса работы коллайдера состоит в столкновении пучков протонов и ядер высокой энергии, которые разгоняются во встречных направлениях до скорости, близкой к скорости света. Столкновение происходит в четырех точках, оснащенных специальными детекторами, фиксирующими процессы, происходящие во время столкновения, — два крупных ((A Toroidal LHC ApparatuS — ATLAS и Compact Muon Solenoid —CMS) и два средних (A Large Ion Collider Experiment — ALICE и Large Hadron Collider beauty experiment — LHCb).
Детекторы способны увидеть до 600 миллионов "событий", происходящих во время столкновения частиц. На каждом из детекторов работают коллаборации (коллективы) ученых. Поисками бозона Хиггса независимо друг от друга занимаются две группы учёных, работающих на детекторах ATLAS и CMS. Для успешных поисков бозона Хиггса ученым необходимо было набрать большую "статистику", то есть проанализировать большое количество столкновений. Чем больше набраннных данных о столкновениях — тем более редкие процессы могут "почувствовать" детекторы. Чтобы быстрее набрать статистику, ученые стараются поднять число столкновений, увеличивая плотность пучков, то есть светимость — число частиц, пролетающих через определенную площадь за секунду.
В декабре 2011 года физики, работающие на детекторе ATLAS, объявили, что видят некоторое превышение сигнала над фоном в интервале от 116 до 130 гигаэлектронвольт. Группа CMS тогда же сообщала о признаках существования Хиггса в области масс между 115 и 127 гигаэлектронвольт. Позже диапазон ещё больше сузился.
В июне 2012 года количество столкновений и плотность потока протонов в Большом адронном коллайдере были доведены до уровня, при котором в ускорителе должен рождаться и распадаться на другие частицы один бозон Хиггса в час.
4 июля 2012 года, после трех лет экспериментов на Большом адронном коллайдере физики ЦЕРНа объявили об открытии "частицы, по своим параметрам очень похожей на бозон Хиггса". Они установили, что масса новой частицы составляет 125-126 гигаэлектронвольт (неопределённость связана с погрешностью измерений). Она не имеет электрического заряда и нестабильна.
Найденная частица проявляла себя наиболее четко в двух самых чистых каналах распада: это распад на два фотона и распад на два Z-бозона с их последующим распадом на четыре лептона (электрона или мюона). Поиски велись еще в трех каналах распада, но из-за больших статистических погрешностей и сильного фона заметить проявления бозона Хиггса в них не удавалось.
На тот момент ученым не было в точности ясно, насколько открытая ими частица соответствует предсказаниям Стандартной модели. К марту 2013 года физики получили достаточно данных о частице, чтобы официально объявить, что это бозон Хиггса.
8 октября 2013 года британскому физику Питеру Хиггсу и бельгийцу Франсуа Энглеру, открывшему механизм нарушения электрослабой симметрии (благодаря этому нарушению элементарные частицы могут иметь массу), была присуждена Нобелевская премия по физике за "теоретическое открытие механизма, который обеспечил понимание происхождения масс элементарных частиц".
В декабре 2013 года, благодаря анализу данных с помощью нейронных сетей, физики ЦЕРНа впервые зафиксировали следы распада бозона Хиггса на фермионы — тау-лептоны и пары b-кварк и b-антикварк.
В июне 2014 года ученые, работающие на детекторе ATLAS, после обработки всей накопленной статистики, уточнили результаты измерения массы хиггсовского бозона. По их данным масса бозона Хиггса равна 125,36 ± 0,41 гигаэлектронвольт. Это практически совпадает — как по значению, так и по точности — с результатом ученых, работающих на детекторе CMS.
По словам академика, члена Президиума РАН Валерия Рубакова, физикам в обозримом будущем предстоит уточнить характеристики найденного бозона, чтобы разобраться, такой ли он, как его предсказывает теория. Для этого им понадобятся уже не столкновения протонов с протонами, которые являются составными частицами, а электрон-позитронные столкновения, при которых удастся провести более точные измерения.
Материал подготовлен на основе информации РИА Новости и открытых источников
