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, которой 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.
Это современная теория строения и взаимодействий элементарных частиц многократно проверена экспериментально. Она базируется на очень небольшом количестве постулатов и позволяет теоретически предсказывать свойства тысяч различных процессов в мире элементарных частиц.
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.
Поле Хиггса отвечает не за всю массу всех частиц. Оно дает массу электронам, мюонам, некоторым другим тяжелым частицам. Масса протонов и нейтронов возникает почти целиком за счет совсем другого механизма. Так что это поле отвечает примерно за 1% от массы всего вещества вокруг нас.
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 бозон Хиггса очень трудно, так как эта частица очень не стабильна. Едва появившись, он тут же распадается. 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 позволяла точно установить массу бозона, хотя от этого параметра кардинально зависела вероятность рождения и картина предпочтительных распадов бозона Хиггса, а значит, и стратегия его поиска. 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. Масса электрона в этих единицах равна 0,5 мегаэлектронвольта, протона — примерно один гигаэлектронвольт, масса самой тяжелой известной элементарной частицы, t-кварка, — 173 гигаэлектронвольт.
Бозон Хиггса родиться в природных процессах не может. Для его рождения нужны условия, которые возникли сразу после Большого взрыва.
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 нем был установлен нижний порог массы бозона Хиггса — 114,4 гигаэлектронвольт. Эксперименты LEP были завершены в конце 2000 года.
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 от 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, в его 27-километровом кольце сталкиваются разогнанные почти до световой скорости пучки протонов.
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).
На каждом из детекторов работают коллаборации (коллективы) ученых. Поисками бозона Хиггса независимо друг от друга занимались две группы ученых, 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 набранных данных о столкновениях — тем более редкие процессы могут "почувствовать" детекторы. Чтобы быстрее набрать статистику, ученые старались 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 еще 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 физики ЦЕРНа объявили об открытии "частицы, по своим параметрам очень похожей на бозон Хиггса". Они установили, что масса новой частицы составляет 125-126 гигаэлектронвольт (неопределенность 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 совпадало — как по значению, так и по точности — с результатом ученых, работающих на детекторе CMS.
В марте 2015 года коллаборации ATLAS и CMS уточнили предыдущие данные по массе бозона: 125,09±0.24 гигаэлектронвольт, что примерно на 0,2 % точнее предыдущего значения.
Открыв бозон Хиггса, физики из ЦЕРН, работающие с детекторами БАК, провели последние годы, наблюдая за различными сценариями распада этой частицы, пытаясь найти в них следы нарушения Стандартной модели физики. В целом результаты проведенного ими анализа показывают, что распады бозона Хиггса в целом укладываются в Стандартную модель, однако им удалось найти следы нескольких аномалий и нарушений сразу в нескольких вариантах дезинтеграции этой частицы или в сценариях его рождения. Как считает чешский физик Любош Мотль (Lubos Motl), подобные отклонения могут говорить в пользу того, что на самом деле существует не один, а два разных бозона Хиггса, распадающихся разными путями.
Материал подготовлен на основе информации РИА Новости и открытых источников
