Включив в модели, описывающие механизмы образования бозона Хиггса, игнорируемые до сих пор поправки, физики обнаружили, что нет никаких признаков, указывающих на новую физику, вопреки тому, что исследователи утверждали изначально. Хотя это не исключает возможности появления новых законов физики, связанных с бозоном, многие вопросы о фундаментальных составляющих Вселенной остаются без ответа даже спустя более десяти лет после его открытия.
Впервые обнаруженный в 2012 году с помощью Большого адронного коллайдера (БАК), бозон Хиггса, вероятно, представляет собой одно из величайших открытий в современной физике. Он ответил на давний вопрос о массе элементарных частиц. Эта долгое время неуловимая частица играет ключевую роль в физическом механизме, который придает массу другим элементарным частицам.
Свойства этих элементарных частиц (кварков, электронов, мюонов, тау и нейтрино), а также электромагнитные и ядерные силы изначально были предсказаны Стандартной моделью физики. Однако в этой модели есть пробелы, и, по мнению физиков, необходимы новые законы, чтобы ответить на фундаментальные вопросы, которые до сих пор остаются нерешенными. К таким вопросам относятся, например, природа или состав темной материи и преобладание во Вселенной материи над антиматерией.
С момента открытия бозона Хиггса исследователи полагали, что он может привести к появлению новых законов, объясняющих эти открытия. После его открытия исследования были сосредоточены на изучении его свойств. Однако это чрезвычайно сложная задача, связанная с множеством экспериментальных проблем. Важно помнить, что для проведения экспериментов, приведших к открытию частицы, потребовалось более 40 лет и устройство стоимостью 4,75 миллиарда долларов (БАК).
Исследователи из Университета RWTH в Аахене (Германия), Физического института Макса Планка и польского Института ядерной физики имени Генрика Неводничанского провели новые расчеты в этом направлении. Их результаты, подробно описанные в журнале Physical Review Letters, свидетельствуют о том, что бозон Хиггса может и не привести к долгожданным новым законам физики.
Чтобы изучить свойства бозона Хиггса, исследователи в новом исследовании внесли поправки в расчеты, чтобы определить эффективное сечение, активное при производстве частицы. Эффективное сечение — один из важнейших параметров, связанных со столкновениями элементарных частиц. В частности, оно определяет частоту, с которой частица может появиться при конкретном столкновении.
"Мы сосредоточились на теоретическом определении эффективного сечения бозона Хиггса в глюон-глюонных столкновениях. Именно они ответственны за производство около 90% бозонов Хиггса, следы присутствия которых были зарегистрированы в детекторах ускорителя БАК", — объясняет в пресс-релизе соавтор исследования Рене Понселе из Института ядерной физики имени Генрика Неводничанского.
С другой стороны, из-за их априорно незначительного влияния и для упрощения расчетов некоторыми поправками обычно пренебрегают при описании свойств бозона Хиггса. "Нам впервые удалось преодолеть математические трудности и определить эти поправки", — говорит Михал Чакон (Michal Czakon) из Университета RWTH Aachen, ведущий автор исследования. Исследователи продемонстрировали, что, хотя первоначально они считались незначительными, введенные поправки вносят вклад почти в пятую часть величины эффективного сечения бозона.
Кроме того, физики также учли массу нижних кварков, что привело к сдвигу на 1% по сравнению с предыдущими расчетами. На БАКе сталкиваются протоны, состоящие из двух восходящих и одного нисходящего кварков. Временное присутствие кварка с большей массой (нижнего кварка) обусловлено квантовой природой сильных взаимодействий, которые связывают кварки вместе в протоне. Однако, несмотря на поправки, значения эффективного сечения бозона Хиггса согласуются с теми, что были измерены во время предыдущих столкновений.
"Поэтому кажется, что в изучаемых нами механизмах, ответственных за образование бозона Хиггса, нет признаков новой физики, по крайней мере, на данный момент", — говорит Понселе.
Однако эти результаты не обязательно означают, что из бозона Хиггса не могут быть выведены новые законы физики, отмечают эксперты. Будущие данные с БАК могут ввести новые переменные, которые потенциально могут изменить игру. Кроме того, увеличение числа возможных столкновений частиц может позволить уменьшить погрешность измерений, так что эффективные сечения для производства бозона Хиггса перестанут соответствовать предсказанным теорией.