Книга: Достучаться до небес: Научный взгляд на устройство Вселенной

ПОИСК ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДОКАЗАТЕЛЬСТВ

ПОИСК ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДОКАЗАТЕЛЬСТВ

«Хиггс» означает не только человека и механизм, но и название предполагаемой частицы. Бозон Хиггса — ключевое недостающее звено Стандартной модели[53]. Это признак существования механизма Хиггса, который мы надеемся обнаружить в ходе экспериментов на Большом адронном коллайдере. Его открытие подтвердило бы теоретические построения и показало бы, что поле Хиггса действительно пронизывает вакуум. У нас есть серьезные основания считать, что механизм Хиггса действует во Вселенной — ведь никто не может без него сконструировать сколько?нибудь разумную теорию, которая объясняла бы массы элементарных частиц. Мы также считаем, что в самом скором времени должны появиться и какие?то экспериментальные доказательства в пользу наших теоретических построений, поскольку БАК вот–вот должен начать эксперименты на соответствующем масштабе энергий. Скорее всего, этим доказательством будет бозон Хиггса.

Отношения между полем Хиггса, составляющим часть механизма Хиггса, и бозоном Хиггса, который представляет собой реальную частицу, достаточно сложны, но очень напоминают отношения между электромагнитным полем и фотоном. Вы можете ощутить действие классического магнитного поля, просто поднеся магнит к холодильнику, хотя никаких реальных физических фотонов при этом не возникает. Классическое поле Хиггса — поле, существующее даже при отсутствии квантовых эффектов — пронизывает все пространство и может принимать ненулевое значение, оказывая, таким образом, влияние на массы частиц. Но ненулевое значение поля может возникать и в том случае, когда реальных частиц в пространстве нет.

Однако если что?нибудь «заденет» поле, то есть передаст ему немного энергии, то эта энергия может породить флуктуации поля, которые, в свою очередь, приведут к рождению частицы. Если речь идет об электромагнитном поле, родится фотон. Если речь идет о поле Хиггса, родится бозон Хиггса. Поле Хиггса пронизывает пространство и отвечает за нарушение электрослабой симметрии. Частица Хиггса, с другой стороны, возникает из поля Хиггса везде, где есть энергия: к примеру, в БАКе. О том, что поле Хиггса существует, свидетельствует существование массы у элементарных частиц само по себе. Открытие бозона Хиггса на БАКе усилило нашу убежденность в том, что за происхождение этой массы отвечает именно механизм Хиггса.

Иногда пресса — а вслед за ней и публика, падкая на громкие и интригующие названия — называет бозон Хиггса «частицей Бога». Репортерам нравится это название, потому что на него обращают внимание; именно поэтому, кстати, это случайное выражение в устах физика Леона Ледермана было подхвачено с таким энтузиазмом. Бозон Хиггса — замечательное открытие, но его «псевдоним» не стоит воспринимать всерьез.

Возможно, это прозвучит излишне наукообразно, но существование новой частицы, играющей роль бозона Хиггса, очень солидно обосновано. Помимо изложенного выше теоретического обоснования, этого требует структура Стандартной модели. Представьте, что фундаментальная теория предусматривала бы массивные частицы, а механизма Хиггса для объяснения массы не существовало. В этом случае, как объяснялось в начале главы, предсказания для высокоэнергетических взаимодействий выглядели бы абсурдно — в них появлялись бы даже вероятности больше единицы. Разумеется, мы не можем верить таким предсказаниям. Стандартная модель без дополнительных структур неизбежно оказалась бы неполной. Единственный выход — введение дополнительных частиц и взаимодействий.

Теория с участием бозона Хиггса аккуратно обходит проблемы высокоэнергетических прогнозов. Взаимодействия с бозоном Хиггса не только изменяют прогноз для высокоэнергетических взаимодействий, но полностью устраняют «неправильное» поведение частиц на высоких энергиях. Разумеется, это не просто совпадение. Это именно то, что гарантирует механизм Хиггса. Мы пока не знаем наверняка, верно ли мы предсказываем реальные следствия действия механизма Хиггса, но физики уверены, что в масштабе слабого взаимодействия должна появиться новая частица или несколько частиц.

Исходя из этих соображений, мы уверены, что новые частицы или взаимодействия, «спасающие» теорию, не могут быть слишком тяжелыми или происходить при слишком высоких энергиях. При отсутствии дополнительных частиц некорректные предсказания появляются уже на энергиях около 1 ТэВ. Поэтому можно сказать, что бозон Хиггса (или что?то иное, что играет ту же роль) не только существует, но и должен быть достаточно легким, чтобы попасть в пределы доступных БАКу энергий. Точнее говоря, расчеты показывают: чтобы Стандартная модель не давала некорректных предсказаний для высокоэнергетических взаимодействий, необходимо, чтобы масса бозона Хиггса не превосходила 800 ГэВ.

В реальности мы ожидаем, что бозон Хиггса окажется заметно легче этого показателя. Существующие теории тяготеют к относительно легкому бозону Хиггса — большая часть теоретических предположений указывает на массу, лежащую лишь чуть выше предела, достигнутого в экспериментах 1990–х гг. на LEP, то есть чуть выше 114 ГэВ. Если бы бозон Хиггса был легче названной величины, его можно было бы получить и обнаружить на LEP, и многие в то время думали, что стоят на пороге открытия. Сегодня большинство физиков считает, что масса бозона Хиггса должна быть очень близка к этой величине и, по всей видимости, не превосходит 140 ГэВ.

Самый весомый аргумент в пользу легкого бозона Хиггса основан на экспериментальных данных — не только на результатах поиска самого бозона, но и на результатах измерения других величин Стандартной модели. Предсказания Стандартной модели очень хорошо согласуются с результатами измерений, и даже небольшие отклонения могли бы нарушить эту согласованность. Бозон Хиггса влияет на предсказания Стандартной модели через квантовые эффекты. При слишком тяжелом бозоне Хиггса эти эффекты были бы слишком велики, и согласованность между экспериментальными данными и теоретическими предсказаниями нарушалась бы.

Напомню, что согласно квантовой механике в любом взаимодействии принимают участие и виртуальные частицы. Они появляются на краткий миг и исчезают вновь, какое бы начальное состояние вы ни выбрали, и вносят свой вклад в итоговое взаимодействие. Так что хотя многие процессы Стандартной модели проходят вообще без участия бозона Хиггса, обмен частицей Хиггса тем не менее влияет на все предсказания в рамках Стандартной модели, такие как скорость распада калибровочного ?–бозона на кварки и лептоны и отношение масс W- и ?–бозонов. Влияние виртуальных эффектов Хиггса на эти точные электрослабые измерения зависит от массы бозона Хиггса. При этом оказывается, что предсказания хорошо согласуются с экспериментом только в том случае, если масса бозона Хиггса не слишком велика.

Вторая (более умозрительная) причина считать, что бозон Хиггса должен оказаться не слишком тяжелым, имеет отношение к теории так называемой суперсимметрии, к которой мы вскоре обратимся. Многие физики считают, что суперсимметрия реально существует в природе, и исходя из этой теории масса бозона Хиггса должна быть близка к измеренной массе калибровочного ?–бозона, то есть относительно невелика.

Учитывая предположение о том, что бозон Хиггса не слишком тяжел, можно задать вопрос: почему мы видели все частицы Стан-, дартной модели, но никогда не видели бозона Хиггса. Все дело в его свойствах. Даже если масса частицы невелика, мы ее не увидим до тех пор, пока не сумеем получить на коллайдере и зарегистрировать. А наша способность сделать это определяется свойствами этой частицы. В конце концов, частицу, которая вообще ни с чем не взаимодействует, никто никогда не увидит, какой бы легкой она ни была.

Мы немало знаем о том, как должны выглядеть взаимодействия бозона Хиггса, потому что бозон Хиггса и поле Хиггса, хоть это и разные вещи, похоже взаимодействуют с другими элементарными частицами. А о взаимодействиях поля Хиггса с элементарными частицами мы можем судить по массам этих частиц. Поскольку механизм Хиггса отвечает за массы элементарных частиц, мы можем сказать, что поле Хиггса сильнее всего взаимодействует с самыми тяжелыми частицами. А поскольку бозон Хиггса возникает из поля Хиггса, мы можем сказать то же и о его взаимодействиях. Бозон Хиггса, как и поле Хиггса, сильнее взаимодействует с теми частицами Стандартной модели, которые обладают наибольшей массой.

Более сильное взаимодействие между бозоном Хиггса и тяжелыми частицами подразумевает, что для получения бозона Хиггса лучше всего было бы начать с тяжелых частиц и их столкновений. К несчастью, в коллайдерах мы не можем начать с тяжелых частиц.

Представьте, как в БАКе могли бы возникнуть бозон Хиггса или, вообще говоря, любая частица. В столкновениях на БАКе участвуют легкие частицы. Судя по небольшой массе, с частицей Хиггса они взаимодействуют так слабо, что если бы в рождении бозона Хиггса не участвовали никакие другие частицы, то возникал бы он слишком редко, чтобы мы могли его обнаружить на любом из наших коллайдеров.

К счастью, квантовая механика предлагает нам и другие варианты. Бозон Хиггса незаметно рождается в коллайдерах с участием тяжелых виртуальных частиц. При столкновении легких кварков могут родиться тяжелые частицы, которые затем испустят бозон Хиггса. К примеру, легкие кварки могут при столкновении породить виртуальный W–бозон, первый в ряду калибровочных бозонов. Эта виртуальная частица может затем излучить бозон Хиггса (схему этого процесса можно увидеть на первой схеме рис. 51). Поскольку виртуальный W–бозон намного тяжелее и верхнего, и нижнего кварков в составе протона, с бозоном Хиггса он взаимодействует соответственно сильнее. При достаточном количестве протонных столкновений именно так должен рождаться хиггс.

Другой вариант рождения бозона Хиггса реализуется, когда кварки испускают два виртуальных слабых калибровочных бозона, которые затем сталкиваются и порождают один бозон Хиггса, как можно видеть на второй схеме рис. 51. В этом случае хиггс возникает вместе с двумя струями, которые формируются вокруг кварков, разлетающихся после появления калибровочных бозонов. И этот, и предыдущий механизм порождают не только бозоны Хиггса, но и другие частицы. В первом случае Хиггс рождается в связке с калибровочным бозоном. Во втором — а для БАКа он имеет большее значение — бозон Хиггса возникает вместе со струями.

Но бозоны Хиггса могут рождаться и сами по себе. Это происходит, когда сталкиваются глюоны, порождая истинный кварк и его антикварк, которые затем аннигилируют с образованием бозона Хиггса, как можно увидеть на третьей схеме. На самом деле истинные кварк и антикварк — частицы виртуальные и живут недолго, но квантовая механика утверждает, что этот процесс происходит довольно часто — ведь истинный кварк активно взаимодействует с хиггсом. Этот механизм возникновения частицы, в отличие от двух первых, не оставляет никаких следов, кроме следа непосредственно бозона Хиггса, который затем распадается.

РИС. 51. Три модели рождения бозона Хиггса (сверху вниз): излучение Хиггса, W?Z–синтез, глюон–глюонный синтез

Так что, несмотря на то что сам хиггс не обязательно слишком уж тяжел — по массе он, скорее всего, сравним со слабыми калибровочными бозонами и уступает истинному кварку, — в его рождении, вероятно, должны быть задействованы тяжелые частицы, такие как калибровочные бозоны или истинные кварки. Поэтому высокоэнергетические столкновения (к примеру, в БАКе) и, разумеется, громадная их частота создают прекрасные условия для возникновения бозонов Хиггса.

Но, несмотря на то что хиггсы в БАКе должны возникать с достаточно высокой частотой, для их наблюдения и регистрации существует еще одно серьезное препятствие — характер распада этих частиц. Бозон Хиггса, подобно многим другим тяжелым частицам, нестабилен. Обратите внимание: распадается именно частица Хиггса, а никак не поле. Поле Хиггса пронизывает вакуум и придает массу элементарным частицам; оно никуда не пропадает. А вот бозон Хиггса — это реальная элементарная частица, обнаружимое следствие работы механизма Хиггса. Подобно другим частицам, она может возникать в коллайдере. И точно так же, подобно другим нестабильным частицам, не может жить вечно. Поскольку распад хиггса происходит практически мгновенно, единственный способ обнаружить эту частицу— это зарегистрировать продукты ее распада.

Бозон Хиггса распадается на частицы, с которыми он способен взаимодействовать, а именно — на любые частицы, приобретающие массу через механизм Хиггса и достаточно легкие, чтобы на их образование хватило энергии. Когда при распаде бозона Хиггса рождаются частица и соответствующая ей античастица, масса каждой из них должна составлять меньше половины его массы, чтобы не нарушался закон сохранения энергии. При этом чаще всего частица Хиггса будет распадаться на самые тяжелые частицы, на которые сможет при этом условии. Но это, к сожалению, означает, что относительно легкий бозон Хиггса лишь изредка распадается на те частицы, которые можно без труда обнаружить и распознать.

Если бозон Хиггса, вопреки ожиданиям, окажется действительно тяжелым — вдвое с лишним тяжелее, чем W–бозон (но менее чем вдвое тяжелее истинного кварка), то искать его будет относительно несложно. Тяжелый хиггс будет практически всегда распадаться на пару W- или ?–бозонов (на рис. 52 показана схема распада на W–бозоны). Экспериментаторы знают, как распознать получившиеся при этом частицы, так что бозон Хиггса можно будет обнаружить без большого труда.

РИС. 52. Тяжелый бозон Хиггса может распадаться на пару калибровочных W–бозонов

Следующий наиболее вероятный сценарий распада относительно тяжелого бозона Хиггса должен проходить с участием красивого кварка и соответствующей ему античастицы. Однако частота такого распада была бы намного меньше, потому что масса красивого кварка невелика, и поэтому он гораздо слабее взаимодействует с бозоном Хиггса, чем калибровочный W–бозон. Если хиггс достаточно тяжел, чтобы распадаться на W–бозоны, он будет давать при распаде красивые кварки меньше чем в одном случае из ста. Распад на еще более легкие частицы будет происходить еще реже. Так что если бозон Хиггса все же окажется достаточно тяжелым — тяжелее, чем мы ожидаем, — он будет распадаться на слабые калибровочные бозоны.· А регистрировать такие распады относительно несложно.

Однако, как уже говорилось ранее, и теория, и экспериментальные данные Стандартной модели говорят нам, что бозон Хиггса, скорее всего, окажется более легким и не сможет распадаться на слабые калибровочные бозоны. В этом случае наиболее частым вариантом будет распад на красивый кварк и его античастицу — красивый антикварк (рис. 53), — а этот распад зарегистрировать гораздо сложнее. С одной стороны, проблема состоит в том, что при столкновении протонов рождается множество активно взаимодействующих кварков и глюонов, которые легко можно спутать с небольшим количеством красивых кварков, родившихся при гипотетическом распаде бозона Хиггса. Мало того, в БАКе будет возникать так много истинных кварков, что их распад с образованием красивых кварков тоже будет маскировать сигнал от бозона Хиггса. Теоретики и экспериментаторы сейчас ищут способ надежно регистрировать финальную стадию распада хиггса в виде красивых кварка и антикварка. Тем не менее, несмотря на максимальную частоту, это, вероятно, не самый перспективный режим для поиска хиггса в БАКе, хотя теоретики и экспериментаторы, скорее всего, найдут способ воспользоваться и этим вариантом.

РИС. 53. Легкий бозон Хиггса будет распадаться преимущественно на красивые кварки

Так что ученым придется исследовать и альтернативные финальные состояния хиггсового распада, хотя наблюдаться они будут намного реже. Самые перспективные кандидаты — тау–частица и анти–тау–частица или пара фотонов. Напомню, что тау–частица — самый тяжелый из трех типов заряженных лептонов и самая тяжелая, помимо красивого кварка, частица, на пару которых может распадаться бозон Хиггса. Частота фотонного распада намного меньше — бозоны Хиггса распадаются на фотоны только через квантовые виртуальные эффекты, — зато фотоны относительно несложно регистрировать. Вообще, это непростой режим, но экспериментаторы умеют так хорошо измерять характеристики фотонов, что, как только бозонов распадется достаточное количество, смогут безошибочно распознать бозон Хиггса, при распаде которого они образовались.

Поскольку обнаружение бозона Хиггса имеет для науки принципиальное значение, на обеих экспериментальных установках — и на CMS, и на ATLAS — предусмотрены хитроумные и точные стратегии поиска фотонов и тау–частиц; более того, детекторы обеих установок проектировались с расчетом на поиск бозона Хиггса. Электромагнитные калориметры, описанные в главе 13, рассчитаны на тщательное измерение энергии фотонов, а мюонные детекторы помогают регистрировать распады еще более тяжелых тау–частиц. Считается, что вместе эти средства достаточны для того, чтобы убедиться в существовании бозона Хиггса, а как только хиг- гсы будут обнаружены, свойства их тоже можно будет установить.

Как рождение, так и распад бозона Хиггса ставят перед экспериментаторами достаточно серьезные проблемы, но ученые БАКа должны оказаться на высоте и достойно ответить на этот вызов. Физики надеются, что в ближайшие несколько лет мы сможем отпраздновать открытие бозона Хиггса и больше узнать о свойствах этой частицы.