Физики увидели, как бозон Хиггса придает массу частицам

Известно, что бозон Хиггса, открытый в 2012 году, придаёт остальным элементарным частицам массу. Но механизм, в ходе которого это происходит, до сих пор оставался тайной, поскольку обнаружить его ещё труднее, чем саму «частицу Бога». Данный процесс, представляющий собой рассеяние двух одинаково заряженных частиц, называемых W-бозонами, является строгой проверкой Стандартной модели — общепринятой теории поведения элементарных частиц.

Теперь физики, работающие с Большим адронным коллайдером в рамках эксперимента ATLAS, сообщают о том, что  им удалось косвенно засвидетельствовать таинственный процесс. Об открытии они сообщили в статье, принятой к публикации в журнал Physical Review Letters.

«Лишь примерно одно из 100 триллионов протон-протонных столкновений приведёт к искомому событию. Для свидетельства процесса необходимо провести массу сеансов наблюдения, чтобы понять, что эксперимент согласуется с теоретическими предсказаниями. Мы наблюдали за миллиардами протон-протонных столкновений в БАКе, прежде чем обнаружили следы распада», — рассказывает ведущий автор исследования Марк-Андре Плейе (Marc-André Pleier) из Брукхейвенской национальной лаборатории.

Чтобы проверить механизм Хиггса, учёные сравнивали распределение продуктов распада, происходящего при рассеянии W-бозонов. По сути, они определяли, как часто наблюдают определённые продукты распада с определённой энергией и геометрической конфигурацией.

«Это можно сравнить с отпечатками пальцев. У нас есть образец отпечатка для сравнения и следы, которые мы изучаем. Если отпечатки совпадают, то мы понимаем, что бозон Хиггса придаёт частицам массу так, как и предполагали теоретики. Но если бы в данных возникли нестыковки, то мы бы поняли, что в механизм может быть вовлечён не только бозон Хиггса», — поясняет Плейе.

Рис. 1. Наблюдения за бозоном Хиггса проводились в рамках эксперимента ATLAS на Большом адронном коллайдере (иллюстрация CERN).

Анализ экспериментов начался в 2012 году, и в нём принимала участие крупная международная команда исследователей из Европы и США. Предварительные результаты были представлены на Конференции по квантовой хромодинамике и физике высоких энергий в марте 2014 года, а теперь учёные рассказывают о более полных итоговых данных.

Анализ основан на 34 сеансах наблюдаемых событий, и измеренная скорость взаимодействия прекрасно согласуется с теоретическими предсказаниями в рамках Стандартной модели.

«До сих пор Стандартная модель ещё ни разу не ошибалась, однако мы точно знаем, что она неполная, поскольку не учитывает существования ни тёмной материи, ни даже гравитации. К тому же, с помощью этой блестящей теории невозможно объяснить барионную асимметрию Вселенной, то есть преобладание вещества над антивеществом. Поэтому мы постоянно ищем брешь в с виду идеальной теории», — говорит Плейе.

Как поясняют физики, до строительства БАКа у них не было возможности протестировать процесс взаимодействий W-бозонов, поскольку уровни энергии всегда были недостаточными. Теперь, благодаря наличию огромной базы данных, учёные смогли сделать открытие уровня значимости 3,6 сигма (уверенным доказательством, напомним, является 5 сигма).

«Вероятность того, что механизм распада был фоновым явлением, очень мала — приблизительно один к шести тысячам. Однако мы продолжим наше исследование, чтобы собрать больше доказательств», — поясняет Плейе в пресс-релизе.

Рис. 2. Ведущий автор исследования Марк-Андре Плейе за работой (фото Brookhaven Lab/ATLAS).

Своей работой Плейе и его коллеги планируют определить, действительно ли бозон Хиггса ведёт себя так, как предсказывали ранее теоретики. На сегодняшний день существует целый ряд версий того, как элементарные частицы обретают свою массу.

Изучение процессов рассеяния, утверждают учёные, является универсальной проверкой Стандартной модели и одновременно окном в Новую физику.

По итогам своего исследования учёные исключили некоторые модели и прогнозы, на которые они прежде опирались. Теперь им предстоит повторить эксперимент при более высоких энергиях, чтобы увидеть «отпечатки пальцев» более чётко.

Предыдущие эксперименты проводились при энергиях в 8 тераэлектронвольт (ТэВ), тогда как весной 2015 года уровень повысят до 13 ТэВ. База данных для проверки эксперимента будет расширена в 150 раз по сравнению с имеющимися сегодня, и тогда учёные смогут понаблюдать за каждым «движением» бозона Хиггса.