История поисков бозона Хиггса
3 июля 2012 года
Физики Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) утром в среду поставят точку в полувековых поисках бозона Хиггса, сообщив о новых результатах, полученных на Большом адронном коллайдере.
Бозон Хиггса - последний недостающий элемент современной теории элементарных частиц, так называемой Стандартной модели, объединяющей все виды взаимодействий, кроме гравитационного - сильное (связывающее кварки в протонах и нейтронах), слабое (взаимодействие между электронами и нейтрино) и электромагнитное. О факте существования бозона Хиггса, который отвечает за массу элементарных частиц, впервые высказал предположение английский физик Питер Хиггс в 1960-е годы.
Согласно принципам Стандартной модели, в момент рождения Вселенной после Большого взрыва частицы приобрели массу под действием Хиггсовского поля, сформированного бозонами Хиггса. Без этого поля не могло бы произойти образование атомов, а частицы, не имеющие массу, просто разлетелись бы по космическому пространству. Согласно теории, неуловимые бозоны Хиггса существуют везде. Через поле Хиггса, заполняющее пространство Вселенной, проходят абсолютно все частицы, из которых строятся атомы, молекулы, ткани и целые живые организмы.
Обнаружить бозон Хиггса, который получил в СМИ название "частицы Бога", пока не удалось, хотя этим занимаются ученые многих стран. Если бозон Хиггса не будет обнаружен, это докажет ограниченность Стандартной модели. В результате возникнет необходимость поиска альтернативной теории происхождения массы в соответствии с так называемой новой физикой.
Теория не позволяет точно установить массу бозона, поэтому для его обнаружения ученые прибегли к методу эксперимента. Массы частиц физики измеряют в единицах энергии - электронвольтах. Значение массы в 100 гигаэлектронвольт (ГэВ) примерно в 107 раз больше массы протона.
Согласно теоретическим предсказаниям, бозон Хиггса распадается сразу же после рождения на разные частицы. Одним из способов ("каналов") такого распада может быть распад на два Z-бозона, четыре лептона (электрона или мюона), на два гамма-кванта. Поэтому в экспериментах регистрируются частицы - продукты распада бозона Хиггса, и уже по ним восстанавливается картина того, что произошло.
Первые серьезные попытки отловить бозон Хиггса были предприняты на рубеже ХХ и ХХI веков на Большом электронно-позитронном коллайдере (Large Electron-Positron Collider, LEP) в Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН).
В результате многочисленных экспериментов на ускорителе LEP был установлен нижний порог массы бозона Хиггса - 114,4 гигаэлектронвольт. Эксперименты LEP были завершены в 2001 году.
Следующие циклы поисков проводили на коллайдере Теватрон (Tevatron), построенном в 1983 году в Лаборатории имени Ферми (Fermilab), в штате Иллинойс, США. Энергия столкновений в нем составляла около 2 тераэлектронвольт.
В 2004 году экспериментальным методом на Теватроне была установлена верхняя граница массы частицы Хиггса - 251 гигаэлектронвольт, а нижняя - 114 гигаэлектронвольт. В ноябре 2011 года цифры были скорректированы: 141 и 115 гигаэлектронвольт соответственно.
Окончательные результаты Теватрона, завершившего свою работу осенью 2011 года, показали, что масса бозона Хиггса находится в интервале от 115 до 135 гигаэлектронвольт.
Ученые рассчитывают, что найти частицу (или убедиться в том, что ее не существует) позволят эксперименты на Большом адронном коллайдере (Large Hadron Collider - LHC), созданном учеными из многих стран на площадке ЦЕРН в пригороде Женевы (Швейцария). Он является самым большим в истории ускорителем элементарных частиц и предназначен для получения принципиально новых данных о природе материи и фундаментальных физических законах. Одной из главных целей экспериментов на Большом адронном коллайдере (БАК) - поиск свидетельств существования бозона Хиггса.
На этом ускорителе ученые сталкивают разогнанные до околосветовой скорости протоны, а затем следят за результатами - частицами и излучением, которые порождает столкновения.
Ливни частиц и излучение, возникающие при столкновениях, фиксируют четыре специализированных детектора - два крупных (ATLAS и CMS) и два средних (ALICE и LHCb), которые расположены в точках пересечения пучков.
Чем выше энергия протонов, тем больше шансов обнаружить следы интересных для физиков процессов, в частности, рождения бозона Хиггса. На Большом адронном коллайдере поисками бозона Хиггса независимо друг от друга занимаются две группы учёных, работающих на детекторах ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) и CMS (Compact Muon Solenoid).
В 2010 году первыми положительными результатами работы коллайдера стало рождение четырех неустойчивых элементарных частиц - мюонов (неустойчивые элементарные частицы с отрицательным электрическим зарядом), образовавшихся в результате столкновения протонов. Физики предположили, что в цепочке превращений от протонов до мюонов промежуточным звеном мог быть неуловимый бозон Хиггса. В дальнейшем физики не сумели повторить успешный эксперимент по получению мюонов.
Для "поимки" бозона Хиггса коллайдер должен набрать достаточно большую интегральную (накопленную) светимость, то есть накопить достаточно много данных о столкновениях частиц в ускорителе. Ранее физики заявляли, что порог, за которым коллайдер начнет "чувствовать" бозон Хиггса, находится на уровне пяти обратных фемтобарн. Пять обратных фемтобарн соответствуют примерно 350 квадриллионам столкновений протонов.
Этот порог был перейден в октябре 2011 года и к концу протонного сеанса интегральная светимость на детекторе ATLAS и детекторе CMS достигла уже 5,7 и 5,5 фемтобарн.
В октябре 2011 года СМИ сообщили, что согласно завершившимся исследованиям группы ученых Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, Института теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН и Кёльнского университета, спектральный индекс космологических возмущений согласуется с наблюдениями, если хиггсовская масса лежит в интервале от 136 до 185 гигаэлектронвольт, в пределах которого предполагается открытие хиггсовской частицы на детекторе ATLAS. Обе границы этого интервала определены из экспериментальных данных спутника WMAP, а не из чисто теоретических ограничений.
Опираясь на данные, собранные спутником WMAP, физики изучили спектральные особенности реликтового излучения,. В 2008 году один из участников исследовательской группы Андрей Барвинский из Физического института им. П.Н. Лебедева предположил, что границы окна поиска массы и других параметров бозона Хиггса можно значительно сузить, изучив особенности фонового микроволнового излучения космоса, которое хранит в себе "след" событий в первые мгновения жизни Вселенной.
По расчетам ученых, расширение ранней Вселенной могло идти совершенно различными путями, в зависимости от массы бозона Хиггса. Как отмечают исследователи, расширение материи "отпечаталось" в реликтовом излучении, что позволяет оценить правдоподобность того или иного сценария Большого взрыва.
В декабре 2011 года группы ученых ATLAS и CMS заявили, что видят некоторые "намеки" на бозон Хиггса. Тогда физики, работающие на детекторе ATLAS, объявили, что видят некоторое превышение сигнала над фоном в интервале от 116 до 130 гигаэлектронвольт. Статистическая значимость такого превышения около значения 126 гигаэлектронвольт составляла 2,8 сигма, то есть вероятность случайных флуктуаций (от лат. fluctuatio - колебание) составляет 1 к 144 (но для открытия требуется значение 5 сигма - 1 к 3,5 миллиона). Группа, работающая на детекторе CMS, сообщила о признаках существования бозона Хиггса в области масс между 115 и 127 гигаэлектронвольт.
В июне 2012 года количество столкновений и плотность потока протонов в Большом адронном коллайдере были доведены до уровня, при котором в ускорителе должен рождаться и распадаться на другие частицы один бозон Хиггса в час - если, конечно, он существует.
В конце июня 2012 года в блоге математика Питера Войта (Peter Woit) из Колумбийского университета в Нью-Йорке (США) появилась информация о параметрах бозона Хиггса, якобы полученных на двух главных детекторах коллайдера - ATLAS и CMS. Согласно этим данным, анализ всего объема данных, полученных коллайдером в 2011 и 2012 годах, указывает на существование бозона Хиггса с массой 124 гигаэлектронвольта.
По данным интернет-издания Nature News, масса обнаруженной частицы составляет около 125 гигаэлектронвольт, что близко к значениям, представленным ранее. Уровни статистической значимости новых результатов, полученных на ATLAS и CMS, составляют от 4,5 до 5 стандартных отклонений (сигма). Физики говорят о "свидетельствах" существования новой частицы, когда этот параметр достигает уровня 3 сигма.