Велике полювання на хіггса

4 липня 2012 року було офіційно оголошено, що експерименти з пошуку бозона Хіггса на Великому адронному колайдері (БАК) з дуже високим ступенем ймовірності увінчалися успіхом.

Навіщо фізикам взагалі знадобився цей бозон? Симетрії Стандартної моделі (див. «ПМ» № 3 «2012) забороняють елементарним частинкам мати ненульові маси. Проблему можна обійти, якщо припустити, що весь простір заповнений особливого роду полем, яке порушує ці симетрії і надає масу всім частинкам, за винятком фотона, глюону і, можливо, нейтрино.

За традицією, закладеною 1966 року американським фізиком Бенджаміном Лі, його називають полем Хіггса. У ДВ фігурує чотири хіггсовські поля і, відповідно, чотири скалярні бозони, три з яких не мають маси. Вони наділяють масою векторні бозони W +, ^W— і Z, але самі при цьому зникають. А ось масивний квант четвертого поля, який може з’являтися в результаті зіткнення частинок високих енергій, на дуже короткий час виникає в якості самостійної частинки. Він-то і є бозон Хіггса, або просто хіггс.

Загін для бозона

Теорія не дає можливості визначити масу хіггсовського бозону — це можна зробити тільки експериментально. Довгий час не вдавалося зробити навіть приблизних оцінок цієї маси, була відома лише її верхня межа — приблизно 1000 ГЕВ.

СМ дозволяє обчислити ймовірності різних способів (каналів) народження і розпаду хіггса в експериментах на прискорювачах. Однак результати цих обчислень сильно залежать від його маси, яка спочатку невідома. З іншого боку, необхідні хоча б гіпотетичні значення цих ймовірностей, інакше сліди розпадів просто потонуть у великій безлічі інших подій, що прямують за зіткненнями високоенергетичних частинок.

Тому задовго до початку експериментів на прискорювачах теоретики обрахували ймовірності різних процесів народження і розпаду хіггса. Перша така робота була опублікована ще в 1975 році, хоча її автори розглядали процеси, характерні для маси бозона 10 ГЕВ (можливості прискорювачів в той час були обмежені).

Свідоцтво про народження

Згідно з ДП, бозони Хіггса на БАК народжуються різними шляхами. Так, парні зіткнення глюонів тягнуть за собою народження віртуального t-кварку, який розпадається з утворенням хіггса. Ще одним підсумком такого ударіння може виявитися поява пари «кварк-антикварк» плюс хіггсовський бозон. Пара стикаються «внутрішньопротонних» кварків може дати початок двом реальним кваркам менших енергій і двом віртуальним важким векторним бозонам (W або Z), які спільно породжують бозон Хіггса. І нарешті, можливі процеси, що виривають з вакууму бозон Хіггса в компанії з W- або Z-бозоном. Але будь-який з актів створення хіггсів відбувається надзвичайно рідко: за півтора року незліченні міріади зіткнень баківських протонів можуть породити лише 200 000 хіггсів.

Але з початку 1990-х років, коли почалося справжнє полювання на невловиму частинку, фізики поступово стали обгороджувати червоними прапорцями області мас, де хіггса бути не може. З 1989 по 2000 рік в ЦЕРНі функціонував Великий електрон-позитронний колайдер (LEP), для якого був споруджений підземний круговий 27-кілометровий тунель (зараз там знаходиться головне кільце БАК).

Енергію зіткнення частинок в LEP, яка спочатку не перевищувала 90 ГЕВ, з часом вдалося збільшити більш ніж удвічі. Аналіз експериментів LEP показав, що маса хіггса не може бути менше 114,4 ГЕВ. З 2007 по 2011 рік його шукали на американському протон-антипротонному прискорювачі Tevatron, що ще більше звузило (правда, статистично не надто достовірно) діапазон мас хіггса — до 115-135 ГЕВ.

Оприлюднені наприкінці 2011 року результати експериментів на БАК дозволили припустити, що маса хіггса знаходиться точно в середині цього інтервалу, в проміжку між 124 і 126 ГЕВ. Тому експериментальні дані 2012 року обраховували на основі допущення, що вона становить 125 ГЕВ.

Протонна збірка

На відміну від LEP і Tevatron, де стикаються частинки і античастинки, БАК оперує тільки протонами. У 2010-2011 роках їх енергія становила 3,5 ГЕВ, а в 2012 році зросла до 4 ТЕВ. У лютому цього року БАК закрили до 2016 року на модернізацію, по завершенні якої енергію частинок у кожному пучку доведуть до 7 ТЕВ (отже, сумарна енергія становитиме 14 ТЕВ), а також збільшать частоту зіткнень (світність колайдера).

У процесі пошуку бозона Хіггса в колайдері одночасно крутилися 500 трлн протонів, згрупованих приблизно в 2800 згустків (банчів). Пошук вели на головних детекторних комплексах колайдера ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) і CMS (Compact Muon Solenoid). У детекторах керуючі електромагнітні поля зводять протони з паралельних траєкторій і направляють назустріч один одному.

Шарі піро

Комплекси ATLAS і CMS містять трекові детектори, що визначають траєкторію частинок, і електромагнітний калориметр для вимірювання енергії фотонів, електронів і позитронів. Енергії адронів вимірюються за допомогою адронного калориметра, мюонів — мюонного спектрометра. Нейтрино вислизають з усіх детекторів, але забирають з собою частину сумарного імпульсу

Хоча в зіткненні двох банчів і беруть участь сотні мільярдів частинок, в 2011 році середня кількість міжпротонних співударінь на один такий контакт не перевищувала десятка, а в 2012-му збільшилася до двадцяти. Але оскільки банчі перетиналися 20 млн разів на секунду, то сумарна кількість щомиті зіткнень вимірювалася сотнями мільйонів.

Лобовий удар двох протонів (які складаються з кварків і антикварків, скріплених глюонним полем), розігнаних майже до світлової швидкості, породжує безліч вторинних частинок, серед яких можуть зустрітися і хіггси.

Відбитки пальців

Бозон Хіггса не тільки важко виготовити — його дуже нелегко виявити. Час його життя, згідно з ДП, становить 1, 6· ^10-22 с, а відстань між точками його виникнення і зникнення не перевищує декількох десятків фемтометрів. І хоча детектори БАК — диво вимірювальної техніки, настільки короткі дистанції вони виміряти не в змозі. Тому бозон Хіггса можна виявити виключно по продуктах його розпаду.

І ось тут-то виникають складнощі. Якщо маса хіггса дорівнює 125 ГЕВ, то він з імовірністю близько 70% перетворюється або на пару «b-кварк — b-антикварк», або на пару глюонів, які в ході подальших перетворень дають початок джетам — конічним струменям з десятків частинок. Їх легко виявити… але дуже складно відрізнити від джетів нехіггсовського походження. Ще в 27% випадків на місці зниклого хіггса виникають W-бозони або наймасивніші лептони, тау-частинки, які теж залишають у детекторі малорозмислені підписи.

Але природа подарувала вченим ще два шанси виявити заповітний бозон. Будучи електрично нейтральним, він не здатний безпосередньо виробляти фотони, але може зробити це через проміжну інстанцію. СМ дозволяє хіггсу породжувати масивні заряджені віртуальні частинки, які тут же зникають і залишають після себе пару гамма-квантів. Хіггс може також перетворитися на два нейтральних Z-бозона (теж віртуальних, інакше порушиться закон збереження енергії, оскільки подвоєна маса Z-бозона набагато більше маси хіггса).

Планетарний масштаб

• Для запису всіх слідів одного міжпротонного зіткнення потрібно не менше мегабайта, а весь потік «сирих» даних від детекторів БАК становить 300 Гбайт/с.
• Надлишкова інформація відсіюється за допомогою дворівневої системи комп’ютерної фільтрації, так що потік даних вдається знизити до «скромних» 300 Мбайт/с.
• Річний обсяг записуваних даних з детекторів БАК 2010 року становив близько 13 петабайтів, до 2012 року ця цифра збільшилася до 25 петабайтів.
• Ці дані передаються в інформаційну мережу Worldwide LHC Computer Grid, що об’єднує понад 170 обчислювальних центрів у 36 країнах світу. Ця мережа дозволяє вченим усього світу аналізувати десятки петабайт інформації про 300 трлн зіткнень на БАК.
• Науково-інженерні команди кожного з детекторів ATLAS і CMS налічують більш ніж 3000 фахівців з 40 з гаком країн світу.

Кожен з них, у свою чергу, розпадається на електрон і позитрон або на позитивний і негативний мюони, так що в кінцевому рахунку хіггс перетворюється на четвірку лептонів. Ці розпади дають найбільш чіткий підпис у детекторах, але їх сумарна ймовірність дуже мала: при масі хіггса в 125 ГЕВ вона дорівнює 0,23% для двофотонного каналу і 0,013% — для чотирилептонного. Адже такому важковаговику, як хіггс, набагато легше трансформуватися в масивні частинки, ніж у фотони, електрони та мюони.

Офіційне представлення

Пошук голки в копиці сіна — дитяча забава порівняно з полюванням на хіггса. Так, колаборація CMS за півтора року експериментів виявила лише п’ять (!) чотирилептонних подій, які повинні слідувати за розпадом хіггса на пару Z-бозонів. Проте обидва колективи не тільки зареєстрували народження «хіггсоподібної» частинки (електрично нейтральної, з цілочисельним спином, не рівним одиниці, і позитивною чітністю) з дуже низькою ймовірністю помилки, але і практично однаково оцінили її масу: 126,0 0,6 ГЕВ (ATLAS) і 125,3 0,6 ГЕВ (CMS).

Липневі результати містили і дрібні несподіванки. Нова частинка проявляла себе в двофотонному каналі розпаду в півтора рази частіше, ніж їй наказано СМ. Розпадів хіггса на b-кварки і W-бозони помітити не вдалося (на це фізики особливо і не сподівалися), але експериментатори не виявили і слідів розпаду хіггса на тау-частинки, хоча шансів на їх виявлення було дещо більше. Учасники колаборації ATLAS також заявили про розбіжність в оцінках мас нової частинки, виявлених у двофотонному і чотирилептонному каналах.

У першому випадку вона практично збіглася з колишньою величиною, але в другому виявилася менше приблизно на 3 ГЕВ. Це тим більше дивно, що колаборація CMS місяцем раніше (у листопаді 2012 року) опублікувала власну уточнену оцінку маси частинки за її чотирилептонним розпадом, яка практично збіглася з липневою оцінкою. Фізики схиляються до думки, що виявлена нестиковка пояснюється статистичними флуктуаціями.

Фізика: стара чи нова?

«Підвищена частота розпадів передбачуваного хіггса на пару гамма-квантів ще не знайшла однозначного пояснення. Народження і зникнення віртуальних частинок-посередників цілком може збільшити частоту подій двофотонного каналу в порівнянні з очікуваннями Стандартної моделі, — коментує для «ПМ» ситуацію, що склалася фізик-теоретик з Каліфорнійського технологічного інституту Шон Керролл, автор нещодавно вийшла книги про пошуки бозона Хіггса. Але це лише гіпотеза, і не виключено, що їх вдасться пояснити в рамках СМ «.

Як вважає Керролл, розбіжність у 3 ГЕВ між масами бозонів теж можна списати на нову фізику. Але в цьому випадку доведеться визнати, що виявлені розпади двох різних, але дуже схожих бозонів. Придумати теорію, що допускає співіснування таких бозонів, складно.

Можливо, все набагато простіше: число виявлених розпадів надзвичайно мало, і навіть невеликі відмінності в оцінках мас, обчислених на базі кожної окремої події, здатні помітно змінити підсумковий результат. Тому нестиковка, швидше за все, зникне в міру накопичення і уточнення експериментальних даних.

На думку Керролла, всі опубліковані дані по новій частці поки не ставлять на порядок денний корекцію Стандартної моделі. Ситуація може змінитися в 2015 році, коли БАК запустять після модернізації. А доти СМ нічого не загрожує. Наукова спільнота вважає так само: на початку березня 2013 року на науковій конференції, що пройшла в Італії, Moriond-2013 були доповнені результати аналізу практично всіх показань детекторів БАК, накопичених у 2011-2012 роках. Загальний висновок вже не звучав як сенсація: нововідкрита частинка все більше нагадує бозон Хіггса — в тому вигляді, як він описується Стандартною моделлю.