К марту 2013 года физики получили достаточно данных о частице, чтобы официально объявить: да, это бозон Хиггса. Однако, это не значит, что неожиданности закончились
Бозон Хиггса отмечает свой первый "день рождения" — ровно год назад, 4 июля 2012 года, после трех лет экспериментов на Большом адронном коллайдере физики ЦЕРНа объявили об открытии "частицы, по своим параметрам очень похожей на бозон Хиггса". Так завершились полувековые поиски последнего составного элемента основной физической теории — Стандартной модели, частицы, отвечающей за массу всех других элементарных частиц.
Однако открытия еще не закончились.
Какой тип бозона Хиггса открыли ученые?
Сразу после обнаружения новой частицы ученые избегали называть ее бозоном Хиггса, предпочитая выражения "хиггсоподобный бозон" или "бозон, напоминающий бозон Хиггса". На тот момент ученым не было в точности ясно, насколько открытая ими частица соответствует предсказаниям Стандартной модели.
Многие физики надеялись, что у новой частицы окажутся неожиданные свойства — это означало бы, что Стандартная модель в чем-то неверна, а значит открылась бы возможность расширить эту теорию, которая сейчас никак не описывает, например, гравитацию и темную материю.
К марту 2013 года физики получили достаточно данных о частице, чтобы официально объявить: да, это бозон Хиггса. Однако, это не значит, что неожиданности закончились. В частности, ученые пока не могут сказать, какой из множества теоретически предсказанных вариантов хиггсовского механизма (а значит и частицы Хиггса) существует в реальности. Кроме того, пока неясно, например, почему при распаде хиггса рождается больше фотонов, чем предсказано теорией.
Почему бозон Хиггса такой легкий?
Когда хиггсовская частица была открыта, ученые установили, что ее масса составляет 125 гигаэлектронвольт (точнее, гигаэлектронвольт поделенных на скорость света в квадрате — физики измеряют массу частиц в единицах энергии, опираясь на формулу Эйнштейна E=mc2). Но это значение было неожиданно малым. Если это значение вместе с массами других частиц "подставить" в Стандартную модель, наша Вселенная окажется нестабильной. Поскольку наш мир существует, следовательно, нужно отыскать новые частицы, которые стабилизируют его. "Если бы масса бозона Хиггса оказалась в интервале от 135 до 140 ГэВ, то Вселенная была бы стабильна, и это бы создало перед физиками большие проблемы — они не знали бы, куда двигаться дальше", — говорит Оливер Бухмюллер (Oliver Buchmueller) из Имперского колледжа Лондона, участник коллаборации CMS.
Что еще о бозоне Хиггса сможет рассказать БАК?
Чтобы еще не делали физики, им придется делать это без самого большого ускорителя частиц, который будет стоять в ближайшие несколько лет — Большой адронный коллайдер проходит стадию регламентных работ и апгрейда для работы на более высокой энергии — до 7 тераэлектронвольт на пучок. "Прокачанный" коллайдер, как рассчитывают ученые, позволит обнаружить следы дополнительных измерений или обнаружить темную материю.
Модернизация позволит также значительно увеличить "производство" бозонов Хиггса — их будет рождаться в два раза больше, а значит физики смогут детально исследовать его свойства. Бозон Хиггса имеет нулевой спин, а значит его исследование поможет ученым исследовать "нуль-спиновые" поля, и, может быть, понять природу темной энергии.
Сколько существует бозонов Хиггса?
Большой адронный коллайдер после апгрейда сможет также выяснить, есть ли у бозона Хиггса "братья" или "сестры". "Никто не удивится, если окажется, что в природе существует второй тип бозона Хиггса", — говорит Мэтт Стрэсслер (Matt Strassler) из американского университета Ратгерса.
Он отмечает, что один из способов "размножения" хиггса содержится в рамках одного из расширений Стандартной модели, теории суперсимметрии, которая предсказывает существование как минимум пяти типов хиггса. Хотя признаков подтверждения справедливости теории суперсимметрии пока нет, ученые надеются, что коллайдер может их увидеть после апгрейда.
Где лучше делать бозоны Хиггса?
Как только хиггс был найден, ученые начали говорить о том, как должна выглядеть следующая большая фабрика частиц. В Большом адронном коллайдере сталкиваются протоны, но это "грязный" метод: при столкновении частиц, состоящих из кварков, образуется огромное количество новых частиц, "мусора", который затрудняет исследование свойств хиггса. Столкновения электронов и их античастиц — позитронов, значительно "чище", поэтому ученые для дальнейшего исследования свойств хиггса намереваются создать Международный линейный коллайдер, где будут сталкиваться именно эти частицы.
Однако это будет стоить миллиарды, поэтому нобелевский лауреат Карло Руббиа (Carlo Rubbia) предлагает построить "дешевую" фабрику бозонов Хиггса — ускоритель, где будут сталкиваться мюоны и антимюоны.
Чей же это бозон?
Даже год спустя после открытия некоторые физики продолжают спорить о том, как назвать новую частицу. Конечно, он носит имя Питера Хиггса, британского физика, который впервые предсказал его существование в октябре 1964 года. Однако некоторые теоретики тоже хотят быть причастными к его славе.
Так, в августе 1964 года Робер Бру (Robert Brout) и Франсуа Энглер (Francois Englert) из Бельгии описали механизм, благодаря которому частицы получают массу, однако не указали на частицу, которая отвечает за этот механизм. Поэтому некоторые ученые предпочитают называть бозон Хиггса BEH-бозоном, по первым буквам имен Хиггса и бельгийских физиков. Однако еще трое ученых — Дик Хаген (Dick Hagen), Джеральд Гуральник (Gerald Guralnik) и Том Киббл (Tom Kibble) — также детально описали этот механизм в ноябре 1964 года, и их статья вышла раньше статьи Питера Хиггса. Таким образом название может разрастись до BEHHGK-бозон.
Однако в прошлом месяце Роланд Аллен (Roland Allen) из Техасского университета A&M опубликовал статью, в которой назвал еще трех ученых, причастных к открытию хиггсовского механизма.
Возможно, в конце концов эта частица не будет носить никакого имени — это будет просто скалярный бозон, хотя пресса все равно будет называть его "частицей Бога".