Физики опубликовали результаты всесторонних исследований свойств бозона Хиггса

348

Сегодня, 4 июля, ровно через десять лет после объявления об открытии бозона Хиггса, международное сотрудничество ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере БАК) сообщает о результатах своих наиболее полных исследований свойств этой уникальной частицы. Независимые исследования, описанные в двух статьях, опубликованных сегодня в журнале Nature, показывают, что свойства частицы удивительно согласуются со свойствами бозона Хиггса, предсказанными Стандартной моделью физики элементарных частиц.

Исследования также показывают, что частица становится все более мощным средством для поиска новых неизвестных явлений, которые, если они будут обнаружены, могли бы помочь пролить свет на некоторые из самых больших загадок физики, такие как природа загадочной темной материи.

Бозон Хиггса — это частица проявления всепроникающего квантового поля , известного как поле Хиггса, которое имеет фундаментальное значение для описания Вселенной, какой мы ее знаем.

Без этого поля элементарные частицы, такие как кварки, составляющие протоны и нейтроны в атомных ядрах, а также электроны, окружающие ядра, не имели бы массы, равно как и тяжелые частицы (W-бозоны).

Чтобы изучить весь потенциал данных БАК для изучения бозона Хиггса, включая его взаимодействие с другими частицами, ATLAS и CMS объединяют многочисленные взаимодополняющие процессы, в которых бозон Хиггса производится и «распадается» на другие частицы.

Это то, что коллаборации сделали в своих новых независимых исследованиях, используя свои полные наборы данных «БАК прогон 2», каждый из которых включает более 10 000 триллионов протон-протонных столкновений и около 8 миллионов бозонов Хиггса — в 30 раз больше, чем во время эксперимента, когда была открыта частица.

И поле, и бозон названы в честь физика Питера Хиггса, который в 1964 году вместе с пятью другими учеными в трех группах предложил механизм Хиггса, способ, которым некоторые частицы могут приобретать массу. (Все фундаментальные частицы, которые были известны в то время , должны быть безмассовыми при очень высоких энергиях, но полностью объяснить, как некоторые частицы набирают массу при более низких энергиях, было чрезвычайно сложно.) Если бы эти идеи были верны, частица, известная как скалярный бозон, также должна существовать с определенными свойствами. Эта частица была названа бозоном Хиггса и могла быть использована для проверки того, является ли поле Хиггса правильным объяснением.

После 40-летнего поиска субатомная частица с ожидаемыми свойствами была обнаружена в 2012 году с помощью экспериментов ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе.. Впоследствии было подтверждено, что новая частица соответствует ожидаемым свойствам бозона Хиггса. Физики Питер Хиггс и Франсуа Энглерт, были удостоены Нобелевской премии по физике в 2013 году за свои теоретические предсказания.

Каждое новое исследование сочетает в себе беспрецедентное количество и разнообразие процессов образования и распада бозона Хиггса, чтобы получить наиболее точный и подробный на сегодняшний день набор измерений их скорости, а также силы взаимодействия бозона Хиггса с другими частицами.

Все измерения замечательно согласуются с предсказаниями Стандартной модели в диапазоне неопределенностей, зависящих, среди прочего, от распространенности данного процесса. Для силы взаимодействия бозона Хиггса с носителями слабого взаимодействия достигается неопределенность 6%. Для сравнения, аналогичные анализы с полным набором данных прогона 1 привели к 15% неопределенности для этой силы взаимодействия.

 

Диаграмма, обобщающая взаимодействия на уровне дерева между элементарными частицами, описанными в Стандартной модели
Диаграмма, обобщающая взаимодействия на уровне дерева между элементарными частицами, описанными в Стандартной модели. Вершины (затемненные кружки) представляют типы частиц, а ребра (синие дуги), соединяющие их, представляют взаимодействия, которые могут иметь место. Структура диаграммы выглядит следующим образом: верхний ряд вершин (лептоны и кварки) — частицы материи; второй ряд вершин (фотон, W / Z, глюоны) — частицы, опосредующие взаимодействие; а нижний ряд — бозон Хиггса.

«Спустя всего десять лет исследования бозона Хиггса на БАК эксперименты ATLAS и CMS предоставили подробную карту его взаимодействия с носителями силы и частицами материи», — говорит представитель ATLAS Андреас Хеккер.

«Бозон Хиггса напрямую связан с очень глубокими вопросами, связанными с эволюцией ранней Вселенной и ее стабильностью, а также с поразительной массой частиц материи. Открытие бозона Хиггса вызвало захватывающую, глубокую и широкую экспериментальную работу, которая будет распространяться на всю программу БАК».

Новый комбинированный анализ также обеспечивает, помимо других новых результатов, строгие ограничения на взаимодействие бозона Хиггса с самим собой, а также на новые, неизвестные явления за пределами Стандартной модели, такие как распад бозона Хиггса на невидимые частицы, которые могут составлять темную материю.

ATLAS и CMS продолжат раскрывать природу бозона Хиггса, используя данные прогона БАК 3, который начнется завтра на новом рубеже высоких энергий, а также данные основного обновления коллайдера, High-Luminosity LHC.

Предполагается, что в каждом эксперименте третьего прогона будет произведено около 18 миллионов бозонов Хиггса, а в экспериментах на HL-LHC — около 180 миллионов.

Коллаборации рассчитывают не только значительно снизить погрешности измерения взаимодействий бозона Хиггса, определенные к настоящему времени, но и наблюдать некоторые взаимодействия бозона Хиггса с более легкими частицами материи и получить первые существенные доказательства взаимодействия бозона с самим собой.

Подробнее: The CMS Collaboration. A portrait of the Higgs boson by the CMS experiment ten years after the discovery. Nature (2022). doi.org/10.1038/s41586-022-04892-x 
The ATLAS Collaboration, A detailed map of Higgs boson interactions by the ATLAS experiment ten years after the discovery, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04893-w
Смотрите также:
Подписаться
Уведомление о
guest
0 Комментарий
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии