Як шукали бозон Гіґґса

Сьогодні, 4 липня 2012 року, у Женеві відбувся науковий семінар, підсумки якого підбили на наступній пресконференції. Керівництво CERN оголосило узагальнені результати пошуку бозона Гіґґса, отримані під час обробки експериментальних даних за 2011-2012 роки. З дуже високою ймовірністю невловиму частинку знайдено. Про те, як шукали бозон Гіґґса й у чому полягає важливість відкриття, розповіли співробітники ФІАН, які беруть участь у двох головних експериментах Великого адронного колайдера (ВАК) — CMS та ATLAS.

Важливість відкриття бозона Гіґґса визначається тим, що це єдина досі не знайдена частинка так званої Стандартної моделі, яка описує взаємодії всіх відомих частинок у Всесвіті. Ба більше, вона відіграє особливу роль, визначаючи маси всіх інших частинок, що рухаються в полі Гіґґса. Існування бозона Гіґґса може пояснити загадку настільки різних мас елементарних частинок — від нейтрино до топ-кварка. Але довести його існування не так просто.

Унаслідок зіткнення протонів у зустрічних пучках Великого адронного колайдера народжується багато вторинних частинок. Серед них є порівняно довгоживучі частинки, здатні пролетіти сантиметри й метри, а є короткоживучі, які розпадаються на інші частинки, практично не встигнувши відійти від точки народження. Бозон Гіґґса — надзвичайно короткоживуча частинка: він існує мізерно короткий час і дуже швидко розпадається. Варіантів розпаду, або, як їх називають фахівці, каналів розпаду, досить багато. Наприклад, в одному випадку «частинка Бога» може розпастися на два Z-бозони (які згодом розпадаються на 4 лептони), в іншому — на два гамма-кванти. Це ймовірнісний процес, тому наперед передбачити, на які саме частинки розпадеться шуканий бозон у кожному конкретному випадку, неможливо.

«Детектори на ВАК не можуть зареєструвати бозон Гіґґса безпосередньо, але можуть зареєструвати продукти його розпаду, які живуть достатньо довго. Наприклад, лептони, на які розпадаються Z-бозони. Проте — і в цьому полягає одна з головних проблем — ті самі частинки, на які розпадається бозон Гіґґса, можуть народжуватися й унаслідок зовсім інших процесів, які не мають до нього жодного стосунку. І таких процесів значно більше, ніж процесів із народженням і розпадом бозона Гіґґса», — розповідає учасник експерименту ATLAS, старший науковий співробітник ФІАН, кандидат фізико-математичних наук Володимир Тихомиров.

Однак коли археологи мають знайдені через багато років уламки стародавньої вази чи іншої дивовижної речі, вони можуть відновити її зовнішній вигляд. Так само й тут: знаючи маси та енергії частинок — продуктів розпаду, учені можуть відновити маси батьківських частинок, унаслідок розпаду яких вони утворилися. Але тут знову є заковика. Річ у тім, що теорія, яка передбачає існування бозона Гіґґса, — Стандартна модель — не передбачає його маси.

«Маса бозона Гіґґса у Стандартній моделі — вільний параметр, вона може бути будь-якою. Тому спочатку не було відомо, у якому діапазоні мас його шукати.

Цю проблему розв’язують так. Учені будують розподіл мас частинок, тобто кількості подій, у яких народжуються частинки з певними масами, відновленими за характеристиками можливих продуктів розпаду, наприклад пари гамма-квантів. Більшість подій у цьому розподілі фонові, оскільки переважна частина зареєстрованих пар не має жодного стосунку до бозона Гіґґса. Але якщо серед усіх цих пар гамма-квантів справді є утворені внаслідок розпаду шуканого бозона, то ці пари, у межах точності вимірювань, щоразу даватимуть одну й ту саму масу. Тоді на фоновому розподілі, складеному з випадкових подій, поблизу маси шуканої частинки спостерігатиметься надлишок подій у вигляді додаткового піка.

Такий самий розподіл можна побудувати й для інших можливих каналів розпаду бозона Гіґґса. І якщо на ньому виявиться пік із тим самим значенням маси, що й на попередньому, це свідчитиме на користь явної закономірності, за якою, цілком імовірно, стоїть бозон Гіґґса. Щоб визначити, наскільки ймовірно, що ми справді маємо справу з продуктами розпаду бозона Гіґґса, а не зі статистичними флуктуаціями, залучають теорію ймовірностей. Для оцінки достовірності результату вчені мають визначити, з якою ймовірністю можна випадково отримати такий самий надлишок подій у вигляді додаткового піка, що виходить за межі фонового розподілу.

Ступінь статистичної достовірності результату заведено вказувати кількістю так званих сигм, які характеризують розкид розподілу ймовірностей. Що більше сигм, то менша ймовірність того, що подія випадково вийде за межі розподілу. Наприклад, для 3 сигм така ймовірність становить приблизно 0.3%, тобто випадково це можливе приблизно у трьох випадках із тисячі. У науковій спільноті домовилися вважати гідним довіри лише результат, що відповідає 5 сигмам і більше. Щодо бозона Гіґґса, то згідно з представленими спільними результатами експериментів CMS та ATLAS імовірність випадкового отримання надлишку подій в одній і тій самій області мас під час обробки даних про розпад як на два Z-бозони, так і на два гамма-кванти менша за $10^{-6}$, що відповідає 5 сигмам. При цьому найімовірніше значення маси бозона Гіґґса становить приблизно 126,5 ГеВ за даними колаборації ATLAS і 125,3±0,6 ГеВ за даними CMS.

Слайд із презентації представника колаборації CMS Джо Інкандели

Слайд із презентації представниці колаборації ATLAS Фабіоли Джанотті

Що далі?

У 2013 році Великий адронний колайдер призупинить роботу приблизно на півтора року. Під час цієї тривалої перерви гігантську машину готуватимуть до переходу на повну енергію — 14 ТеВ на два пучки (у 2011 році було 7 ТеВ, а у 2012 — 8 ТеВ) — та повну світність. Подальший запуск колайдера на повну потужність дасть змогу докладно вивчити властивості знайденої частинки, зокрема уточнити її масу й визначити ймовірності розпаду за різними каналами. Величезний інтерес становить також пошук інших гіпотетичних частинок, які передбачають деякі теорії та які не входять до Стандартної моделі. Тож не виключено, що виявлення бозона Гіґґса — лише перший крок у низці фундаментальних відкриттів, які принесуть експерименти на ВАК.

Лише зареєстровані користувачі можуть залишати коментарі. Увійдіть або зареєструйтеся.