Время жизни бозона Хиггса измерено с точностью до септиллионных долей секунды
Физики из ЦЕРНа измерили продолжительность жизни бозона Хиггса с большей точностью, чем когда-либо прежде. Поскольку легендарная частица живет лишь крошечную долю секунды, ученые придумали творческий обходной путь, чтобы вычислить новое значение.
Гипотеза о существовании частицы была выдвинута в 1960-х годах и бозон Хиггса был последней элементарной частицей, предсказанной Стандартной моделью, а другие частицы набирают массу за счет взаимодействия с ней. Его обнаружение в 2012 году стало одним из самых важных научных открытий за столетие, благодаря которому ученые, сформулировавшие эту идею (Питер Хиггс и Франсуа Энглер), получили Нобелевскую премию по физике 2013 года.
С тех пор бозон Хиггса (квант поля Хиггса) регулярно производился на Большом адронном коллайдере (БАК), что позволяет физикам изучать его свойства, но некоторые из них сложно точно определить, потому что он живет всего несколько септиллионтов секунды, прежде чем распадается на другие частицы.
Фактически, его срок жизни сам по себе является одним из самых трудных для непосредственного измерения свойств, поскольку он не позволяет пройти достаточному количеству времени, чтобы добраться до детекторов.
Поэтому для нового исследования ученые из CMS Collaboration использовали косвенный метод для более точного измерения продолжительности жизни бозона Хиггса. Они обратились к другому свойству, называемому массовой шириной — диапазон возможных масс, которые может иметь частица. По сути, чем больше массовая ширина частицы, тем короче срок ее жизни, что позволяет физикам вычислять последнее, измеряя первое.
Номинальная масса бозона Хиггса — его обычное, наиболее распространенное значение — составляет 125 гигаэлектронвольт (ГэВ). Но из-за квантовой странности принципа неопределенности Гейзенберга* иногда также производятся версии с большей массой.
Команда ученых проанализировала данные второго сеанса наблюдений, чтобы вычислить соотношение бозонов Хиггса «на оболочке» (близких к номинальной массе) к бозонам Хиггса «вне оболочки» (с массой намного большей, чем обычно).
Используя эту технику, исследователи подсчитали, что время жизни бозона Хиггса составляет 210 йоктосекунд, то есть с точностью до септиллионных долей секунды, или до десятичной запятой, за которой следуют 22 нуля. Погрешность этого значения составляет (+ 2,3 / -0,9) x 10-22 секунды, что делает его наиболее точным измерением времени жизни бозона Хиггса.
«Наш результат демонстрирует, что образование бозона Хиггса вне оболочки — отличный способ измерить время жизни бозона Хиггса», — говорит Паскаль Ванлаер, физик из CMS.
«И это стало важной вехой в изучении свойств этой уникальной частицы. Ожидается, что в ближайшие годы точность измерения улучшится с появлением данных из следующих прогонов БАК и новых идей анализа».
Следующий прогон наблюдений на БАК должен начаться в 2022 году.
Исследование доступно на сервере документов ЦЕРН.
*В квантовой механике принцип неопределенности (также известный как принцип неопределенности Гейзенберга) — это любое из множества математических неравенств, устанавливающих фундаментальный предел точности, с которой значения для определенных пар физических величин частицы, таких как положение , x и импульс p можно предсказать из начальных условий.
Такие пары переменных известны как дополнительные переменные или канонически сопряженные переменные; и, в зависимости от интерпретации, принцип неопределенности ограничивает, в какой степени такие сопряженные свойства сохраняют свое приблизительное значение, поскольку математическая основа квантовой физики не поддерживает понятие одновременно четко определенных сопряженных свойств, выражаемых одним значением. Принцип неопределенности подразумевает, что, как правило, невозможно предсказать значение величины с уверенностью, даже если указаны все начальные условия.