Экспериментаторы на Большом адронном коллайдере (Церн, Швейцария) учатся фиксировать двойное рождение бозонов Хиггса. Обнаружение большого количества двойных Хиггсов может указывать на частицы или силы, существующие за пределами Стандартной модели, а также помочь объяснить дисбаланс материи и антиматерии во Вселенной, – пишет sciencemag.org.

Для физиков частиц, желающих исследовать новые рубежи, обнаружение бозона Хиггса стало неоднозначным триумфом. Долгожданная частица, открытая в 2012 году на Большом адронном коллайдере, заполнила последний пробел в Стандартной модели фундаментальных частиц и сил. И с тех пор Модель не давала никаких намеков на новую физику. Теперь сам бозон Хиггса предлагает выход из тупика.

Бозон Хиггса играет важную роль вСстандартной модели, которая описывает, как десятки разных частиц взаимодействуют с помощью трех сил: электромагнетизма, слабых и сильных ядерных сил. Модель не объясняет гравитацию и существование темной материи. Силы в Модели возникают из-за определенных математических симметрий. Эта математика работает только до тех пор, пока частицы не приобретают массу. Масса должна возникать в результате взаимодействия между безмассовыми частицами.

Именно здесь появляется Хиггс. Физики предполагают, что в пространстве есть поле Хиггса – немного похожее на электрическое поле, генерируемое бозонами Хиггса, скрывающееся в вакууме. Частицы взаимодействуют с полем для получения энергии и массы.

Этот механизм Хиггса ошеломил ученых 6 лет назад, когда экспериментаторы, работающие с двумя самыми большими детекторами частиц ATLAS и CMS, взорвали частицу весом в 133 раза больше, чем протон. Частица распалась так, как это предполагается для бозона Хиггса – на пару фотонов.

События двойного рождения Хиггса могут раскрыть, насколько сильно поле Хиггса взаимодействует с самим собой. Электрическое поле исчезает, если вокруг нет заряда, но поле Хиггса должно всегда сохраняться в вакууме, иначе оно не сможет передать массу другим частицам. Стандартная модель предполагает, что поле Хиггса взаимодействует с самим собой, а его энергия, не исчезая, принимает ненулевую силу.

Математически существует множество способов создания такой схемы, а в Стандартной модели используется простейшая, управляемая одним параметром. Этот параметр предсказывает скорость, с которой пары Хиггса должны возникать при столкновениях частиц, давая физикам возможность протестировать Стандартную модель.

Модель предсказывает, что на каждые 10 000 столкновений протонов в Большом адронном коллайдере, производящих один бозон Хиггса, примерно шесть будут давать пару. Рождение сразу двух Хиггсов должно создавать беспорядочные потоки других частиц, что еще более затрудняет их выявление. Большой адронный коллайдер уже, вероятно, произвел около 1000 событий с двойным Хиггсом, но ATLAS и CMS пока не могут приблизиться к просеиванию сигнала через фоновый шум.

Однако экспериментаторы оптимистично оценивают свои шансы, особенно потому, что их методы определения бозонов Хиггса совершенствуются. В прошлом месяце они объявили, что обнаружили особенно «грязный» режим распада, в котором Хиггс порождает пару массивных частиц, называемых нижними кварками. И это происходит в 60% всех распадов. Это служит хорошим предзнаменованием для поисков двойных бозонов.  

Теперь могут понадобиться годы на то, чтобы увидеть сигнал. Во-первых, в этом году БАК останавливается на два года для модернизации. Такой же перерыв в работе, необходимый для того, чтобы повысить скорость столкновения, начнется в 2016 году. Коллайдер высокой яркости света (LHC High-Luminosity) будет работать до 2034 года. Ученые считают, что только полный запуск даст достаточное количество данных для проверки стандартной модели. Однако некоторые физики полагают, что могут оптимизировать это расписание, так как их алгоритмы распознавания Хиггса продолжают улучшаться. Катерина Верньери, член CMS в Fermilab считает, что они смогут приблизиться к стандартным прогнозам модели до того, как начнет действовать LHC High-Luminosity.

Конечно, все экспериментаторы в Церне надеются, что частота событий двойного рождения бозона Хиггса превысит предсказания стандартной модели. Она не может быть заоблачно высокой, потому что есть прямые ограничения, установленные благодаря наблюдениям за распадом Хиггса, – объяснила Елени Врионид – теоретик ЦЕРН. Тем не менее, она считает, что частота появления двойного Хиггса может быть в шесть раз выше, чем это предсказывает стандартная модель.

Это указывает на сильно самодействующее поле Хиггса и может иметь последствия далеко за пределами физики частиц – считает Марсела Карена – теоретик из Фермилаба. Например, физики не знают, почему в изначальной вселенной больше материи, чем антиматерии. Но Карена говорит, что внезапное появление сильного поля Хиггса может быть ответственно за этот дисбаланс.