Бозон Хиггса через десять лет после его открытия
Десять лет назад, 4 июля 2012 года, коллаборация ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере (БАК) объявила об открытии новой частицы с характеристиками, согласующимися с характеристиками бозона Хиггса, предсказанными Стандартной моделью физики элементарных частиц. Это открытие стало важной вехой в истории науки и привлекло внимание всего мира. Годом позже Франсуа Энглер и Питер Хиггс получили Нобелевскую премию по физике за предсказание, сделанное десятилетиями ранее вместе с покойным Робертом Браутом, нового фундаментального поля, известного как поле Хиггса, которое пронизывает Вселенную и проявляет себя как Бозон Хиггса и придает массу элементарным частицам.
«Открытие бозона Хиггса стало монументальной вехой в физике элементарных частиц. Оно ознаменовало как конец многолетнего исследования, так и начало новой эры изучения этой очень особенной частицы», — говорит Фабиола Джанотти, директор ЦЕРНа. -Генерал и руководитель проекта («представитель») эксперимента ATLAS на момент открытия. «Я с волнением вспоминаю день объявления, день огромной радости для мирового сообщества физиков элементарных частиц и для всех людей, которые неустанно работали на протяжении десятилетий, чтобы сделать это открытие возможным».
Всего за десять лет физики сделали огромные шаги вперед в нашем понимании Вселенной, не только подтвердив на раннем этапе, что частица, открытая в 2012 году, действительно является бозоном Хиггса, но и позволив исследователям начать строить картину того, как повсеместное присутствие бозона Хиггса Поле во всей Вселенной было установлено через десятую миллиардную долю секунды после Большого Взрыва.
Новое путешествие до сих пор
Новая частица, открытая международными коллаборациями ATLAS и CMS в 2012 году, очень похожа на бозон Хиггса, предсказанный Стандартной моделью. Но была ли это на самом деле та долгожданная частица? Как только открытие было сделано, ATLAS и CMS приступили к подробному изучению того, действительно ли свойства обнаруженной ими частицы соответствуют предсказанным Стандартной моделью, пишет издание Android-Robot.
Эксперименты показали, что новая частица не имеет собственного углового момента или квантового спина — точно так же, как бозон Хиггса, предсказанный Стандартной моделью. Напротив, все другие известные элементарные частицы имеют спин: материальные частицы , такие как «верхний» и «нижний» кварки, которые образуют протоны и нейтроны, и переносящие взаимодействие частицы, такие как бозоны W и Z.
Наблюдая за тем, как бозоны Хиггса образуются из пар бозонов W или Z и распадаются на них, ATLAS и CMS подтвердили, что они приобретают свою массу за счет взаимодействия с полем Хиггса, как и предсказывает Стандартная модель. Сила этих взаимодействий объясняет малый радиус действия слабого взаимодействия, которое отвечает за форму радиоактивности и инициирует реакцию ядерного синтеза, питающую Солнце.
Эксперименты также показали, что верхний кварк, нижний кварк и тау-лептон — самые тяжелые фермионы — получают свою массу в результате взаимодействия с полем Хиггса, как и предсказывает Стандартная модель. Они сделали это, наблюдая, как в случае верхнего кварка бозон Хиггса рождается вместе с парами верхних кварков, а в случае нижнего кварка и тау-лептона — распад бозона на пары нижних кварков и тау-лептонов соответственно. . Эти наблюдения подтвердили существование взаимодействия или силы, называемой взаимодействием Юкавы, которая является частью Стандартной модели, но отличается от всех других сил в Стандартной модели: она опосредована бозоном Хиггса, и ее сила не квантуется. то есть он не кратен определенной единице.
ATLAS и CMS измерили массу бозона Хиггса в 125 миллиардов электронвольт (ГэВ) с впечатляющей точностью почти один промилле. Масса бозона Хиггса — фундаментальная константа природы, не предсказываемая Стандартной моделью. Более того, вместе с массой самой тяжелой из известных элементарных частиц, топ-кварка и другими параметрами, масса бозона Хиггса может определять стабильность вакуума Вселенной.
Это лишь некоторые из конкретных результатов десятилетних исследований бозона Хиггса на самом большом и мощном коллайдере в мире — единственном месте в мире, где эта уникальная частица может быть получена и детально изучена.
«Большие выборки данных, предоставленные LHC, исключительная производительность детекторов ATLAS и CMS, а также новые методы анализа позволили обеим коллаборациям расширить чувствительность своих измерений бозона Хиггса за пределы того, что считалось возможным при планировании экспериментов». — говорит представитель ATLAS Андреас Хокер.
Кроме того, с тех пор, как БАК начал сталкивать протоны с рекордными энергиями в 2010 году, и благодаря беспрецедентной чувствительности и точности четырех основных экспериментов коллаборации БАК обнаружили более 60 составных частиц, предсказанных Стандартной моделью, некоторые из которых являются экзотическими. «тетракварки» и «пентакварки». Эксперименты также выявили ряд интригующих намеков на отклонения от Стандартной модели, которые требуют дальнейшего изучения, и с беспрецедентными подробностями изучили кварк-глюонную плазму, которая наполняла Вселенную в ее ранние моменты. Они также наблюдали множество процессов с редкими частицами, сделали еще более точные измерения феноменов Стандартной модели и открыли новые горизонты в поисках новых частиц, выходящих за рамки предсказанных Стандартной моделью.
Модель, включающая частицы, которые могут составлять темную материю , составляющую большую часть массы Вселенной.
Результаты этих поисков вносят важный вклад в наше понимание фундаментальной физики. «Открытия в физике элементарных частиц не обязательно должны означать появление новых частиц», — говорит директор ЦЕРНа по исследованиям и вычислениям Иоахим Мних. «Результаты БАК, полученные за десятилетие работы машины, позволили нам расширить сеть наших поисков, установить жесткие границы возможных расширений Стандартной модели и разработать новые методы поиска и анализа данных. «
Примечательно, что все полученные до сих пор результаты LHC основаны всего на 5% от общего объема данных, которые коллайдер предоставит за время своего существования. «С этим «маленьким» образцом БАК сделал большой шаг вперед в нашем понимании элементарных частиц и их взаимодействий», — говорит теоретик CERN Микеланджело Мангано. «И хотя все полученные до сих пор результаты согласуются со Стандартной моделью, остается еще много места для новых явлений, выходящих за рамки того, что предсказывает эта теория».
«Сам бозон Хиггса может указывать на новые явления, в том числе те, которые могут быть ответственны за темную материю во Вселенной», — говорит представитель CMS Лука Мальгери. «ATLAS и CMS проводят множество поисков, чтобы исследовать все формы неожиданных процессов, связанных с бозоном Хиггса».
Путешествие, которое еще впереди
Что еще предстоит узнать о поле Хиггса и бозоне Хиггса десять лет спустя? Много. Сообщает ли поле Хиггса массу более легким фермионам, или может действовать другой механизм? Бозон Хиггса — элементарная или составная частица? Может ли он взаимодействовать с темной материей и раскрыть природу этой загадочной формы материи? Что порождает массу и самодействие бозона Хиггса? У него есть близнецы или родственники?
Поиск ответов на эти и другие интригующие вопросы не только поможет нам лучше понять Вселенную в мельчайших масштабах, но также может помочь раскрыть некоторые из самых больших тайн Вселенной в целом, например, как она стала такой, какая она есть. и какова его окончательная судьба. Самодействие бозона Хиггса, в частности, может дать ключ к лучшему пониманию дисбаланса между материей и антиматерией и стабильности вакуума во Вселенной.
Хотя ответы на некоторые из этих вопросов могут быть получены с помощью данных предстоящего третьего запуска БАК или крупной модернизации коллайдера высокой светимости БАК, начиная с 2029 года, ответы на другие загадки, как считается, находятся за пределами досягаемости ученых. LHC, требующий будущей «фабрики Хиггса». По этой причине ЦЕРН и его международные партнеры изучают техническую и финансовую осуществимость гораздо более крупной и мощной машины, Кругового коллайдера будущего, в ответ на рекомендацию, сделанную в последнем обновлении Европейской стратегии по физике частиц.
«Высокоэнергетические коллайдеры остаются самым мощным микроскопом в нашем распоряжении для изучения природы в мельчайших масштабах и открытия фундаментальных законов, управляющих Вселенной», — говорит Джан Джудиче, глава теоретического отдела ЦЕРНа. «Более того, эти машины также приносят огромную пользу обществу».
Исторически сложилось так, что ускорители, детекторы и вычислительные технологии, связанные с высокоэнергетическими коллайдерами, оказали большое положительное влияние на общество благодаря таким изобретениям, как Всемирная паутина, разработки детекторов, которые привели к созданию сканера ПЭТ (позитронно-эмиссионной томографии) и разработка ускорителей для адронной терапии при лечении рака. Кроме того, проектирование, строительство и эксплуатация коллайдеров и экспериментов по физике элементарных частиц привели к обучению новых поколений ученых и специалистов в других областях, а также к созданию уникальной модели международного сотрудничества.
