Алексей Левин
«Популярная механика» №5, 2013

4 июля 2012 года было официально объявлено, что эксперименты по поиску бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере (БАК) с очень высокой степенью вероятности увенчались успехом.

Зачем физикам вообще понадобился этот бозон? Симметрии Стандартной модели (см. «ПМ» № 3’2012) запрещают элементарным частицам иметь ненулевые массы. Проблему можно обойти, если предположить, что все пространство заполнено особого рода полем, которое нарушает эти симметрии и придает массу всем частицам, за исключением фотона, глюона и, возможно, нейтрино.

По традиции, заложенной в 1966 году американским физиком Бенджамином Ли, его называют полем Хиггса. В СМ фигурирует четыре хиггсовских поля и, соответственно, четыре скалярных бозона, три из которых не имеют массы. Они наделяют массой векторные бозоны W⁺, W^– и Z, но сами при этом исчезают. А вот массивный квант четвертого поля, который может появляться в результате столкновения частиц высоких энергий, на очень короткое время возникает в качестве самостоятельной частицы. Он-то и есть бозон Хиггса, или просто хиггс.

Загон для бозона

Теория не дает возможности определить массу хиггсовского бозона — это можно сделать только экспериментально. Долгое время не удавалось сделать даже приблизительных оценок этой массы, была известна лишь ее верхняя граница — примерно 1000 ГэВ.

СМ позволяет вычислить вероятности различных способов (каналов) рождения и распада хиггса в экспериментах на ускорителях. Однако результаты этих вычислений сильно зависят от его массы, которая изначально неизвестна. С другой стороны, необходимы хотя бы гипотетические значения этих вероятностей, иначе следы распадов попросту утонут в великом множестве прочих событий, следующих за столкновениями высокоэнергетичных частиц.

Поэтому задолго до начала экспериментов на ускорителях теоретики обсчитали вероятности различных процессов рождения и распада хиггса. Первая такая работа была опубликована еще в 1975 году, хотя ее авторы рассматривали процессы, характерные для массы бозона 10 ГэВ (возможности ускорителей в то время были ограничены).

Свидетельство о рождении:

Согласно СМ, бозоны Хиггса на БАК рождаются разными путями. Так, парные столкновения глюонов влекут за собой рождение виртуального t-кварка, который распадается с образованием хиггса. Еще одним итогом такого соударения может оказаться появление пары «кварк–антикварк» плюс хиггсовский бозон. Пара сталкивающихся «внутрипротонных» кварков может дать начало двум реальным кваркам меньших энергий и двум виртуальным тяжелым векторным бозонам (W или Z), которые совместно порождают бозон Хиггса. И наконец, возможны процессы, вырывающие из вакуума бозон Хиггса в компании с W- или Z-бозоном. Но любой из актов сотворения хиггсов происходит чрезвычайно редко: за полтора года несчетные мириады столкновений баковских протонов могут породить лишь 200 000 хиггсов.

Но с начала 1990-х годов, когда началась настоящая охота на неуловимую частицу, физики постепенно стали огораживать красными флажками области масс, где хиггса быть не может. С 1989 по 2000 год в ЦЕРНе функционировал Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP), для которого был сооружен подземный круговой 27-километроывй туннель (сейчас там находится главное кольцо БАК).

Энергию столкновения частиц в LEP, которая вначале не превышала 90 ГэВ, со временем удалось увеличить более чем вдвое. Анализ экспериментов LEP показал, что масса хиггса не может быть меньше 114,4 ГэВ. С 2007 по 2011 год его искали на американском протон-антипротонном ускорителе Tevatron, что еще более сузило (правда, статистически не слишком достоверно) диапазон масс хиггса — до 115–135 ГэВ.

Обнародованные в конце 2011 года результаты экспериментов на БАК позволили предположить, что масса хиггса находится точно в середине этого интервала, в промежутке между 124 и 126 ГэВ. Поэтому экспериментальные данные 2012 года обсчитывали на основе допущения, что она составляет 125 ГэВ.

Протонная сборка

В отличие от LEP и Tevatron, где сталкиваются частицы и античастицы, БАК оперирует только протонами. В 2010–2011 годах их энергия составляла 3,5 ГэВ, а в 2012 году возросла до 4 ТэВ. В феврале этого года БАК закрыли до 2016 года на модернизацию, по завершении которой энергию частиц в каждом пучке доведут до 7 ТэВ (следовательно, суммарная энергия составит 14 ТэВ), а также увеличат частоту столкновений (светимость коллайдера).

В процессе поиска бозона Хиггса в коллайдере одновременно крутились 500 трлн протонов, сгруппированных приблизительно в 2800 сгустков (банчей). Поиск вели на главных детекторных комплексах коллайдера ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) и CMS (Compact Muon Solenoid). В детекторах управляющие электромагнитные поля сводят протоны с параллельных траекторий и направляют навстречу друг другу.

Слоеные пироги

Комплексы ATLAS и CMS содержат трековые детекторы, определяющие траекторию частиц, и электромагнитный калориметр для измерения энергии фотонов, электронов и позитронов. Энергии адронов измеряются с помощью адронного калориметра, мюонов — мюонного спектрометра. Нейтрино ускользают из всех детекторов, но уносят с собой часть суммарного импульса

Хотя в столкновении двух банчей и участвуют сотни миллиардов частиц, в 2011 году среднее число межпротонных соударений на один такой контакт не превышало десятка, а в 2012-м увеличилось до двадцати. Но поскольку банчи пересекались 20 млн раз в секунду, то суммарное количество ежесекундных столкновений измерялось сотнями миллионов.

Лобовой удар двух протонов (которые состоят из кварков и антикварков, скрепленных глюонным полем), разогнанных почти до световой скорости, порождает множество вторичных частиц, среди которых могут встретиться и хиггсы.

Отпечатки пальцев

Бозон Хиггса не только трудно изготовить — его очень нелегко обнаружить. Время его жизни, согласно СМ, составляет 1,6·10^–22 с, а расстояние между точками его возникновения и исчезновения не превышает нескольких десятков фемтометров. И хотя детекторы БАК — чудо измерительной техники, столь короткие дистанции они измерить не в состоянии. Поэтому бозон Хиггса можно обнаружить исключительно по продуктам его распада.

И вот тут-то возникают сложности. Если масса хиггса равна 125 ГэВ, то он с вероятностью около 70% превращается либо в пару «b-кварк — b-антикварк», либо в пару глюонов, которые в ходе дальнейших превращений дают начало джетам — коническим струям из десятков частиц. Их легко обнаружить... но очень сложно отличить от джетов нехиггсовского происхождения. Еще в 27% случаев на месте исчезнувшего хиггса возникают W-бозоны или самые массивные лептоны, тау-частицы, которые тоже оставляют в детекторе малоразличимые подписи.

Но природа подарила ученым еще два шанса обнаружить заветный бозон. Будучи электрически нейтральным, он не способен непосредственно производить фотоны, но может сделать это через промежуточную инстанцию. СМ разрешает хиггсу порождать массивные заряженные виртуальные частицы, которые тут же исчезают и оставляют после себя пару гамма-квантов. Хиггс может также превратиться в два нейтральных Z-бозона (тоже виртуальных, иначе нарушится закон сохранения энергии, поскольку удвоенная масса Z-бозона намного больше массы хиггса).

Планетарный масштаб

•           Для записи всех следов одного межпротонного столкновения нужно не менее мегабайта, а весь поток «сырых» данных от детекторов БАК составляет 300 Гбайт/с.

•           Избыточная информация отсеивается с помощью двухуровневой системы компьютерной фильтрации, так что поток данных удается снизить до «скромных» 300 Мбайт/с.

•           Годовой объем записываемых данных с детекторов БАК в 2010 году составил около 13 петабайт, к 2012 году эта цифра увеличилась до 25 петабайт.

•           Эти данные передаются в информационную сеть Worldwide LHC Computer Grid, объединяющую более 170 вычислительных центров в 36 странах мира. Эта сеть позволяет ученым всего мира анализировать десятки петабайт информации о 300 трлн столкновений на БАК.

Научно-инженерные команды каждого из детекторов ATLAS и CMS насчитывают более чем 3000 специалистов из 40 с лишним стран мира.

Каждый из них, в свою очередь, распадается на электрон и позитрон или на положительный и отрицательный мюоны, так что в конечном счете хиггс превращается в четверку лептонов. Эти распады дают наиболее четкую подпись в детекторах, но их суммарная вероятность очень мала: при массе хиггса в 125 ГэВ она равна 0,23% для двухфотонного канала и 0,013% — для четырехлептонного. Ведь такому тяжеловесу, как хиггс, гораздо легче трансформироваться в массивные частицы, нежели в фотоны, электроны и мюоны.

Официальное представление

Поиск иголки в стоге сена — детская забава по сравнению с охотой на хиггса. Так, коллаборация CMS за полтора года экспериментов выявила лишь пять (!) четырехлептонных событий, которые должны следовать за распадом хиггса на пару Z-бозонов. Тем не менее оба коллектива не только зарегистрировали рождение «хиггсоподобной» частицы (электрически нейтральной, с целочисленным спином, не равным единице, и положительной четностью) с очень низкой вероятностью ошибки, но и практически одинаково оценили ее массу: 126,0±0,6 ГэВ (ATLAS) и 125,3±0,6 ГэВ (CMS).

Июльские результаты содержали и мелкие неожиданности. Новая частица проявляла себя в двухфотонном канале распада в полтора раза чаще, нежели ей предписано СМ. Распадов хиггса на b-кварки и W-бозоны заметить не удалось (на это физики особо и не надеялись), но экспериментаторы не обнаружили и следов распада хиггса на тау-частицы, хотя шансов на их выявление было несколько больше. Участники коллаборации ATLAS также заявили о расхождении в оценках масс новой частицы, выявленных в двухфотонном и четырехлептонном каналах.

В первом случае она практически совпала с прежней величиной, но во втором оказалась меньше приблизительно на 3 ГэВ. Это тем более странно, что коллаборация CMS месяцем раньше (в ноябре 2012 года) опубликовала собственную уточненную оценку массы частицы по ее четырехлептонному распаду, которая практически совпала с июльской оценкой. Физики склоняются к мнению, что обнаруженная нестыковка объясняется статистическими флуктуациями.

Физика: старая или новая?

«Повышенная частота распадов предполагаемого хиггса на пару гамма-квантов еще не нашла однозначного объяснения. Рождение и исчезновение виртуальных частиц-посредников вполне может увеличить частоту событий двухфотонного канала по сравнению с ожиданиями Стандартной модели, — комментирует для «ПМ» сложившуюся ситуацию физик-теоретик из Калифорнийского технологического института Шон Кэрролл, автор недавно вышедшей книги о поисках бозона Хиггса. — Поэтому данные по двухфотонному распаду могут оказаться знамением новой физики. Но это лишь гипотеза, и не исключено, что их удастся объяснить в рамках СМ».

Как полагает Кэрролл, расхождение в 3 ГэВ между массами бозонов тоже можно списать на новую физику. Но в этом случае придется признать, что обнаружены распады двух разных, но очень похожих бозонов. Придумать теорию, допускающую сосуществование таких бозонов, сложно.

Возможно, всё гораздо проще: число обнаруженных распадов чрезвычайно мало, и даже небольшие различия в оценках масс, вычисленных на базе каждого отдельного события, способны заметно изменить итоговый результат. Поэтому нестыковка, скорее всего, исчезнет по мере накопления и уточнения экспериментальных данных.

По мнению Кэрролла, все опубликованные данные по новой частице пока не ставят на повестку дня коррекцию Стандартной модели. Ситуация может измениться в 2015 году, когда БАК запустят после модернизации. А до тех пор СМ ничего не угрожает. Научное сообщество считает так же: в начале марта 2013 года на прошедшей в Италии научной конференции Moriond-2013 были доложены результаты анализа практически всех показаний детекторов БАК, накопленных в 2011–2012 годах. Общий вывод уже не звучал как сенсация: новооткрытая частица всё больше напоминает бозон Хиггса — в том виде, как он описывается Стандартной моделью.