Ученые обнаружили, что бозон Хиггса, похоже, не содержит предвестников новой физики
Бозон Хиггса был обнаружен в детекторах Большого адронного коллайдера около 12 лет назад. Оказалось, что эту частицу настолько сложно создать и наблюдать, что, несмотря на прошедшее время, ее свойства до сих пор не известны с удовлетворительной точностью. Теперь известно немного больше о его происхождении благодаря только что опубликованной работе международной группы физиков.
Научный мир единодушен во мнении, что величайшим открытием, сделанным с помощью Большого адронного коллайдера (БАК), является знаменитый бозон Хиггса. Двенадцать лет физики пытались как можно точнее узнать о свойствах этой очень важной элементарной частицы. Задача оказалась чрезвычайно сложна как из-за экспериментальных проблем, так и из-за многочисленных вычислительных препятствий.
Теперь, благодаря работе группе физиков из Института ядерной физики Польской академии наук (IFJ PAN) в Кракове, Университета RWTH Aachen (RWTH) в Ахене и Института физики Макса Планка (MPI) в Гархинге под Мюнхеном, в теоретических исследованиях недавно был достигнут значительный прогресс.
Стандартная модель представляет собой сложную теоретическую структуру, построенную в 1970-х годах для последовательного описания известных в настоящее время элементарных частиц материи (кварков, а также электронов, мюонов, тау и связанной с ними троицы нейтрино), а также электромагнитных сил (фотонов) и ядерных сил ( глюоны в случае сильных взаимодействий, W- и Z-бозоны в случае слабых взаимодействий).
Вишенкой на торте создания Стандартной модели стало открытие бозона Хиггса — частицы, которая играет ключевую роль в механизме, ответственном за придание массы другим элементарным частицам. Об обнаружении бозона Хиггса было объявлено в середине 2012 года. С тех пор ученые пытаются получить как можно больше информации об этой принципиально важной частице.
«Для физика одним из наиболее важных параметров, связанных с любой элементарной частицей, является сечение конкретного столкновения. Это потому, что оно дает нам информацию о том, как часто мы можем ожидать появления частицы в столкновениях определенного типа. Мы сосредоточились на теоретическом определении сечения бозона Хиггса в глюон-глюонных столкновениях. Они ответственны за рождение около 90% бозонов Хиггса, следы присутствия которых зарегистрированы в детекторах ускорителя БАК», — объясняет Рене Понселе (IFJ PAN).
«Суть нашей работы заключалась в желании учесть при определении активного сечения рождения бозонов Хиггса некоторые поправки, которыми из-за их, казалось бы, небольших вкладов обычно пренебрегают, поскольку игнорирование их существенно упрощает расчеты. Впервые нам удалось преодолеть математические трудности и определить эти поправки».
О важности роли поправок высших порядков для понимания свойств бозонов Хиггса видно из того, что рассчитанные в статье вторичные поправки, по-видимому, небольшие, вносят почти пятую часть в величину искомого активного сечения. Это сопоставимо с поправками третьего порядка в 3% (но которые уменьшают неопределенность вычислений всего до 1%).
Новизной работы стал учет влияния масс нижних кварков, приводящий к небольшому, но заметному сдвигу около 1%. Здесь стоит напомнить, что на БАКе сталкиваются протоны, т.е. частицы, состоящие из двух верхних и одного нижнего кварков. Временное присутствие кварков с большей массой внутри протонов, таких как прелестный кварк, является следствием квантовой природы сильных взаимодействий, связывающих кварки в протоне.
«Значения активного сечения образования бозонов Хиггса, найденные нашей группой и измеренные в предыдущих столкновениях пучков на БАКе, практически совпадают, естественно, с учетом текущих погрешностей в вычислениях и измерениях. Поэтому кажется, что в механизмах образования бозонов Хиггса, которые мы исследуем, не видно предвестников новой физики — по крайней мере, пока», — резюмирует работу группы Рене Понселе.
Широко распространенное среди ученых убеждение в необходимости существования новой физики связано с тем, что на ряд принципиально важных вопросов невозможно ответить с помощью Стандартной модели.
Почему элементарные частицы имеют такую массу? Почему они создают семьи? Из чего состоит темная материя, следы которой так отчетливо видны в космосе? В чем причина преобладания материи над антиматерией во Вселенной? Стандартную модель также необходимо расширить, поскольку она вообще не учитывает гравитацию, которая является столь распространенным взаимодействием.
Важно отметить, что последние достижения физиков-теоретиков не исключают окончательно присутствия новой физики в явлениях, сопровождающих рождение бозона Хиггса. Многое может измениться, когда начнут анализироваться данные постепенно начинающегося четвертого цикла исследований Большого адронного коллайдера.
Увеличение числа наблюдений новых столкновений частиц может позволить сузить неопределенности измерений таким образом, что измеренный диапазон допустимых сечений рождения бозона Хиггса перестанет совпадать с определенным теорией. Произойдет ли это, физики узнают через несколько лет.
Пока что Стандартная модель может чувствовать себя в большей безопасности, чем когда-либо, и этот факт постепенно начинает становиться самым удивительным открытием, сделанным на БАКе.
Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.