Большой адронный коллайдер. Фото с сайта dailymail.co.uk

В охоте за Хиггсом легко ошибиться

Результаты в физике элементарных частиц оцениваются в масштабе от ноля до пяти «сигм». В прошлом декабре команды ATLAS и CMS объявили, что они получили результаты, согласно которым частица Хиггса имеет массу приблизительно 125 ГэВ — приблизительно 125 масс протона, положительно заряженной частицы в ядре атома — с вероятностью в две сигмы.

«Это был первый раз, когда мы ожидали [исключить] Хиггса, но не смогли», - сказал Тим Барклоу, экспериментальный физик из команды ATLAS, который работает в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Стэндфордского университета.

Две сигмы – это 95 процентов вероятности, что результат — не случайность. Тем не менее это далеко от пяти сигм, которые традиционно требуются физикам для официального подтверждения открытия. Пять сигм означают: вероятность того, что открытие случайное – меньше одной миллионной.

«Мы придерживаемся этих правил, потому что, когда работаешь в малоисследованной области науки, легко самого себя ввести в заблуждение», - сказал Майкл Пескин, физик-теоретик в SLAC.

Сегодня ученые, основываясь на июльском открытии ЦЕРНа, смогли достигнуть уровня в четыре сигмы — то есть они на 99,9936 процента уверены, что частица Хиггса существует в массовом диапазоне 125 ГэВ. Этого недостаточно для официального заявления, но любой физик готов поспорить, что об открытии можно будет объявить в ближайшее время.

Отрицательный результат был бы не менее захватывающим открытием для ученых, потому что это был бы намек на совершенно новую физику, требующую переосмысления сформулированных законов Вселенной.

Результат столкновения, полученный в ЦЕРНе, который может указать на присутствие бозона Хиггса (изображение: ЦЕРН)

Хиггс – это ключевая часть мозаики нашей Вселенной?

Бозон Хиггса — одна из ключевых частей загадки, необходимых для полного понимания стандартной модели физики — успешной до сих пор теории, которая объясняет, как элементарные частицы взаимодействуют с элементарными силами природы.

Так называемая частица бога была предложена в 1960-х годах физиком Питером Хиггсом для объяснения того, почему некоторые частицы, такие как кварки, формирующие блоки протонов, и электроны, имеют массу, в то время как другие, такие как несущие свет фотоны, — не имеют.

Питер Хиггс (изображение: Corbis). Фото с сайта dailymail.co.uk

Идея Хиггса состояла в том, что Вселенная погружена в невидимое поле, подобное магнитному. Каждая частица ощущает это поле — теперь известное как поле Хиггса, — но в разной степени.

Если частица может свободно перемещаться в этом поле с минимальным взаимодействием, значит она имеет минимальную массу. Альтернативно, если частица будет взаимодействовать с полем Хиггса в значительной степени, то у нее более высокая масса.

Идея поля Хиггса требует принятия новой частицы: бозона Хиггса

Согласно стандартной модели, если бы область Хиггса не существовала, Вселенная была бы совсем другим местом, сказал Пескин.

«Было бы очень трудно сформировать атомы, - добавил он. - Наш аккуратный мир, где материя состоит из атомов и электронов и формируются химические связи, — не существовал бы, если бы не было поля Хиггса».

Другими словами: ни галактики, ни звезды, ни планеты, ни жизнь на Земле – не существовали бы.

Природа против тех, кто ищет частицу бога

На французско-швейцарской границе, в БАК – овальном туннеле 27 километров длиной - противовращающиеся лучи протонов, доведенные почти до скорости света, создают управляемые столкновения.

Экзотические элементарные частицы, некоторые из которых, вероятно, не существовали с ранних моментов после Большого Взрыва, создавались в высокоэнергетических столкновениях. Некоторые из этих странных частиц существуют лишь фракции секунды, прежде чем распасться в другие частицы.

Теория предсказывает, что «жизнь» бозона Хиггса слишком коротка, чтобы ее возможно было зарегистрировать инструментами БАКа, но физики думают, что они могут подтвердить ее существование, если смогут определить частицы, в которые он распадается.

Если, основываясь на этих наблюдениях, действительно окажется, что у Хиггса масса приблизительно 125 ГэВ, как свидетельствовали предыдущие данные, этот результат поможет объяснить, почему частица бога так долго не могла быть обнаружена.

Эта масса просто слишком высокая, чтобы ее могли зарегистрировать такие ускорители, как Большой электронно-позитронный коллайдер, который мог исследовать частицы в пределах 115 ГэВ.

В то же самое время 125 ГэВ – это не такая масса, которая производит продукты распада, настолько необычные, что их обнаружение было бы очевидным доказательством существования Хиггса.

В действительности Хиггс, кажется, преобразовывается в относительно банальные продукты распада, такие как кварки, которые миллионами производятся в БАК.

«Это именно так — природа действительно против нас. В диапазоне, в котором находится бозон Хиггса, сложнее всего что-то найти», - сказал Дэвид Эванс, участник эксперимента ALICE в ЦЕРНе.

Чтобы обнаружить сигнал Хиггса среди сильного фонового шума, ученые должны очень точно вычислить, каково будет распределение частиц для столкновения при данной энергии, и сколько они ожидают увидеть дополнительных составляющих частицы, если был создан бозон Хиггса.

Дополнительно, чтобы гарантировать, что сигнал – это не случайность, физики БАК требуют большого количества столкновений — ускоритель ядерных частиц может произвести приблизительно 800 миллионов столкновений в секунду, — чтобы получить достаточно столкновений, при которых создается бозон Хиггса.

В то время как поиск Хиггса был основной мотивацией для строительства БАК, работу самого большого в мире ускорителя ядерных частиц не остановят, если существование бозона Хиггса будет подтверждено.

С одной стороны, некоторые вопросы потребуют многих лет дополнительной работы, например определение каналов распада частицы бога — то есть в какие частицы преобразовывается бозон Хиггса, когда снижается энергия. Это позволит понять, та ли это частица, за которой столько лет охотились ученые, или это нечто еще более экзотическое.