«Охота на бозон Хиггса. Что же нашли физики?»

4 июля 2012 г. в ЦЕРНе состоялся открытый для прессы семинар, за онлайн-трасляцией которого следили сотни тысяч землян. Все ожидали объявления об обнаружении бозона Хиггса. Происходившее в ЦЕРНе не оставляло сомнений, что ученые уверены, что нашли то, что искали. "I think we have it! Do you agree?" ("Я думаю, что мы ее получили! Вы согласны?") - заключил директор лаборатории ЦЕРН Рольф Хойер под бурные аплодисменты присутствующих. Аплодировали и ученые, съехавшиеся на самую крупную в физике высоких энергий слайдами коллаборации CMS с семинара в ЦЕРНе.

По современным представлениям, весь материальный мир вокруг нас состоит из элементарных частиц. Из соображений симметрии теория запрещает этим частицам иметь массу. Однако из наблюдений мы знаем, что даже легкие электроны имеют ненулевую массу, не говоря уже о более тяжелых элементарных частицах.  Выход из этого затруднительного положения был предложен в 1964 году одновременно несколькими группами ученых-теоретиков, но чаще всего решение проблемы приобретения элементарными частицами массы связывается с именем шотландского ученого Питера Хиггса. Свою модель Питер Хиггс изложил в короткой оригинальной статье, которую он направил в редакцию престижного физического журнала Physics Letters.

Если коротко, модель Хиггса сводится к тому, что вакуум, в который погружен весь наш материальный мир, отнюдь не пуст, а наполнен вязким полем, с которым в свою очередь взаимодействуют изначально безмассовые элементарные частицы. Двигаясь сквозь это поле, они приобретают эффективную массу и эта масса тем больше, чем сильнее их взаимодействие с полем. Ответ редакции журнала автору статьи не заставил себя долго ждать и сводился к тому, что редакторы не усмотрели практических выводов из предложенной модели  и в публикации Питеру Хиггсу отказали.

Нисколько не отчаявшись, Питер Хиггс добавил к своей статье всего один короткий абзац, объясняющий, что у поля, существование которого он предположил, как и у всякого другого поля есть кванты, т.е. реальные частицы, рождение которых можно наблюдать на ускорителях. С такой поправкой статья П. Хиггса появилась в печати, а частица-квант поля, бозон Хиггса, получил его имя. С тех пор, вот уже почти полвека продолжается охота физиков-экспериментаторов на эту гипотетическую частицу. 

В теории предсказать массу самого бозона Хиггса невозможно, зато можно надежно предсказать другие его свойства, такие как вероятность рождения или вероятность распада его на другие частицы. К несчастью экспериментаторов, вероятность рождения бозонов Хиггса на ускорителях частиц оказалась чрезвычайно мала, и как позже выяснилось, масса Хиггсовской частицы слишком велика. Поэтому для обнаружения бозона Хиггса необходимо было построить ускоритель частиц, сталкивающий как можно больше частиц  с максимально возможной энергией. Таким ускорителем стал Большой адронный коллайдер, построенный в лаборатории ЦЕРН, расположенной рядом с Женевой на границе Швейцарии и Франции.

В результате столкновений протонов на Коллайдере  рождается множество разных частиц. Зачем они все нужны природе – никто не знает, но свойства абсолютного их большинства уже достаточно хорошо изучены. Среди всей этой разлетающейся от соударения протонов в разные стороны каши очень редко, но всё же попадаются и новые неизвестные частицы. Одна из них - (предположительно) бозон Хиггса. Непосредственно рождение бозона Хиггса наблюдать нельзя, зато его присутствие косвенно можно установить по его распаду на другие более легкие долгоживущие частицы, например, на два фотона или две пары лептонов. Именно эти два канала распада Хиггсовского бозона и были в первую очередь зарегистрированы в экспериментах CMS и ATLAS на Большом адронном коллайдере.

Трудность обнаружения следов бозона Хиггса на Коллайдере состоит в том, что фотоны и лептоны рождаются в столкновениях протонов и без всяких хиггсовских частиц. Комбинаторика перебора всех пар рожденных частиц даже в одном событии очень велика. Но, масса случайной пары частиц распределена случайным образом в очень широком диапазоне, зато правильная комбинация из распада реальной тяжелой частицы всегда будет иметь одно и то же значение массы. Поэтому на гладком комбинаторном фоновом спектре масс реальные частицы выглядят как сравнительно узкие пики. Экспериментаторы среди известных уже положений пиков от уже известных частиц пытаются разглядеть незначительный горбик на новом месте, связанный с рождением и распадом новой частицы.

Экспериментаторам на Большом адронном коллайдере несказанно повезло – им удалось обнаружить маленький, но статистически значимый «горбик» в спектре масс пар фотонов. Везение заключалось в том, что по какой-то неизвестной причине вероятность распада новой частицы на пару фотонов оказалась выше, чем предсказывалось в теории для бозона Хиггса. Именно, регистрация распадов новой частицы с массой примерно 125 масс протона на два гамма кванта и стала основой сделанного открытия.

К сожалению, другой канал распада этой новой частицы на две пары лептонов оказался не только не усилен, но несколько подавлен относительно предсказаний для Хиггсовского бозона. Однако, несмотря на это обстоятельство, суммарная статистическая значимость обнаружения новой частицы в каждом из двух экспериментов по отдельности составила пять стандартных отклонений. Именно такой порог доверия экспериментальным результатам, позволяющий объявить об открытии, был установлен в физике элементарных частиц.

Объявление об открытии новой частицы с массой примерно 125 ГэВ было сделано 4 июля на научном семинаре в лаборатории ЦЕРН. Достоверно стало известно, что частица эта не обладает зарядом и ее спин, вероятнее всего, равен нулю, т.е. она – бозон. Однако, пока ученые-физики осторожны в плане заявлений об открытии именно Хиггсовской частицы.  Не все ясно и с другими каналами распада обнаруженной частицы. Так, ожидания увидеть сигнал в наиболее вероятной моде распада Хиггсовского бозона на b-кварки, пока не оправдались. Отсутствует сигнал и в распаде обнаруженного бозона на пару тау-лептонов.

Ответить на все возникшие вопросы можно будет только в будущем, когда в экспериментах на Коллайдере будет накоплено достаточно статистики, чтобы подробно изучить свойства новой частицы.  Очевидно, Природа будет дозировано расставаться со своими секретами. А открытие, о котором в среду заявили ученые-физики, станет лишь первым шагом на этом пути.