Как охота за невидимыми частицами открывает новые горизонты в науке

Никто никогда не видел бозон Хиггса. На самом деле, из всех частиц в Стандартной модели физики элементарных частиц — удивительно успешной и точной теории, на которой основано все наше понимание взаимодействия частиц — возможно, только фотон (частица или квант света) виден в каком-либо смысле.

Все остальные частицы Стандартной модели — кварки, электроны, мю- и тау-лептоны, нейтрино, глюоны и бозоны W и Z — по разным причинам фактически невидимы для нас.

Что касается бозона Хиггса, то даже для косвенного вывода о его существовании потребовались международные 40-летние поиски и участие самой сложной машины, когда-либо созданной людьми.

Как был открыт бозон Хиггса

Его открытие в 2012 году на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе считается одним из самых важных достижений современной физики и феноменальным успехом Стандартной модели.

Используя комбинацию данных гигантских детекторов ATLAS и CMS, обнаружение бозона Хиггса подтвердило картину того, как фундаментальные частицы (например, кварки и электроны) приобрели свойства, которые мы измеряем сегодня, и как силы природы устроены в ранней Вселенной.

Теперь, когда у нас есть бозон Хиггса, исследователи на БАК надеялись использовать его, чтобы лучше понять саму Стандартную модель или, в идеале, найти намек на «новую физику», которая укажет, какая теория может ее заменить.

Но как физики изучают частицу, которую никто не видит? На что они действительно смотрят? Ответы сложны, но они также затрагивают нечто гораздо более глубокое: существенное переплетение теоретических моделей и экспериментальных данных.

Одна из проблем заключается в том, что бозон Хиггса не существует просто так в «дикой природе», ожидая, когда его поймают. Если вам нужен бозон Хиггса, вы должны его создать.

К счастью, субатомные частицы можно заставить превращаться друг в друга при определенных условиях, основанных на сложной сети взаимодействий, изложенных в Стандартной модели.

На БАК физики сталкивают протоны друг с другом на высоких скоростях, близких к скорости света, зная, что чем больше энергия, тем с большей вероятностью могут появиться более массивные частицы. Достигните большой энергии, и некоторые из них будут бозонами Хиггса.

Однако создание частиц — это только полдела. После рождения бозона Хиггса его время жизни составляет менее одной миллиардной триллионной доли секунды.

Это означает, что после того, как вы приложили все усилия для создания бозона Хиггса, он немедленно распадется на другие частицы (опять же, со скоростью, зависящей от сложного набора правил Стандартной модели).

Это происходит так стремительно, что даже невероятно быстрые срабатывания детекторов на БАК не могли этого заметить.

Параметры Стандартной модели учитывают обе стороны этого процесса: появление бозона Хиггса и то, как он распадается. Это ключевой аспект современной физики.

Связь между теорией (здесь — Стандартная модель) и экспериментом (столкновение и обнаружение) носит итеративный характер: теория говорит, чего ожидать от эксперимента, а эксперимент помогает уточнить или опровергнуть теорию.

Без эксперимента ученые не смогли бы проверить теорию, но без теории данные ничего бы не значили.

Первое экспериментальное представление о бозоне Хиггса произошло благодаря двум различным сигнатурам. Одна представляла собой пары высокоэнергетических фотонов, каждый из которых уносил половину энергии (внезапно распавшейся) частицы Хиггса.

Другая была еще менее прямой: бозон Хиггса распался на другие нестабильные частицы, которые сами распались на более долгоживущие частицы, которые, в свою очередь, могли существовать достаточно долго, чтобы их могли обнаружить детекторы ATLAS и CMS.

Заманчиво думать о детекторах частиц как о ловушках, который пытаются поймать частицы. Но в экспериментальной физике обнаружение частиц больше связано с изучением видов взаимодействий, которые могут происходить между целевыми частицами и теми, с которыми могут работать машины (в первую очередь: фотонами, электронами и мюонами).

Даже эти более доступные частицы не видны напрямую, а вместо этого активируют специальные детекторы, которые подсчитывают количество и энергию обнаруженных ими частиц.

Кроме того, на каждом этапе экспериментаторам приходится иметь дело с «фоном» — срабатыванием детектора из-за сбивающего с толку потока частиц, не связанных с теми, которые они ищут.

Как открытие бозона Хиггса породило новые загадки

В мае 2023 года ученые БАК объявили, что они впервые увидели свидетельство распада бозона Хиггса на фотон и Z-бозон (частицу, переносящую слабое ядерное взаимодействие).

Интересно, что признаки этого редкого распада наблюдались примерно в два раза чаще, чем предсказывалось, что может указывать на то, что сеть взаимодействий, возможно, необходимо пересмотреть, чтобы включить некоторые новые частицы, которые в настоящее время не являются частью Стандартной модели.

По мере того, как мы будем углубляться в работу фундаментальной физики, проводя все более мощные эксперименты, мы будем продолжать полагаться на методы, которые, кажется, все более отдаляются от непосредственного «видения» того, что происходит.

Это означает поиск новых способов выделить крошечный эффект на фоне сложного шума, в том числе (как в случае с редким измерением затухания) с использованием таких методов, как машинное обучение.

Древнегреческий ученый и инженер Архимед однажды сказал, что с помощью достаточно длинного рычага и точки опоры он мог бы сдвинуть Землю. БАК, возможно, является самым длинным рычагом, который люди когда-либо создавали, связывая воедино все более сложный набор экспериментальных и теоретических инструментов, чтобы раскрыть фундаментальные принципы работы нашей Вселенной.