По следите на „божествената частица”

Физиците откриха доказателства за прякото разпадане на Хигс бозона на фермиони.

Международен екип физици от научната колаборация CMS за първи път успя да види как протича нов тип разпад на Хигс бозона, в хода на който знаменитата „божествена частица“ се превръща в истинска материя – тау-лептони и двойка т.нар. b-кварки.

Откритието още веднъж потвърждава съществуването на Хигс бозона и стеснява кръга от възможни конкуренти в Стандартния модел на физиката, се казва в статия, публикувана в сп. Nature Physics.

„Това откритие стана за нас голяма крачка напред. Сега знаем, че частицата на Хигс може да се разпада и на бозони, и на фермиони (протони, неутрони, електрони и други съставни части на видимата и тъмната материя). Това означава, че можем да зачеркнем теориите, които предсказваха, че Хигс бозонът не е свързан с фермионите“, пояснява Винченцо Чиошия от университета на Цюрих (Швейцария).

Той и стотици негови колеги от различни изследователски организации от цял свят в продължение на повече от две години наблюдавали разпадите и формирането на безкрайно множество елементарни частици в Големия адронен колайдер.

Според теорията на Питър Хигс Вселената е пронизана от поле, с което взаимодействат всички съществуващи елементарни частици – колкото по-силно се свързват с полето, толкова по-голяма ще е тяхната маса. Ако това поле на Хигс съществува, то трябва да съществуват и бозоните на Хигс – частици, отговарящи за неговото взаимодействие с протоните, електроните и другите проявления на видимата и тъмната материя.

Както и други бозони, освен фотона, „божествената частица“ се разпада много бързо – тя живее средно 0,1 зептосекунди (трилионни части от наносекундата). Поради това се наложило учените да търсят не самия Хигс бозон, а следи от неговия разпад в колайдера.

Ако следваме Стандартния модел, Хигс бозонът може да се разпада по два начина: да се превръща или в други бозони (фотони и Z бозони), или във фермиони (тау-лептони и b-кварки). През лятото на 2012 година физиците успяха да открият следи от разпада на Хигс бозона по първия сценарий и да изчислят неговата маса – 125 гигаелектронволта, която се оказала много близка до очакваната.

В следващите месеци от работата на Големия адронен колайдер, до спирането на работата му за планирана модернизация през март 2013 година, учените търсили следи от втория тип разпад, което не успели да направят почти две години.

За това време някои изследователи започнали да се съмняват, че предсказанията на Стандартния модел за поведението на „божествената частица“ са верни. Членовете на колаборацията CMS разсеяли опасенията на колегите си, като се научили да отделят от боклука следите от разпада на Хигс бозони на фермиони.

В колайдера присъстват огромно количество фермиони, възникващи в резултат на процеси, несвързани с разпада на Хигс бозона. Така например на учените пречели Z бозони, разпадащи се на въпросните тау-лептони. На физиците се наложило да обединят данните по формиране на тези частици, за които следят различните детектори на Големия адронен колайдер, с помощта на алгоритми за статистически анализ на базата на невромрежи, разработени в ЦЕРН специално за решаването на тази задача.

Чиошия и колегите му успели да отстранят почти целия статистически шум и да открият следи от разпада на Хигс бозони на тау-лептони и двойки b-кварки.

Достоверността на това откритие (изключително важен параметър във физиката) е 3,8 сигма. Това означава, че вероятността от „лъжливо сработване“ е 1:14 000. По негласните правила на ядрената физика учените трябва да стигнат 5 сигма, за да говорят за своето откритие като за факт.

Както отбелязва Дейвид Чарлтън, участник в колаборацията ATLAS – главен конкурент на CMS, – учените едва ли ще успеят да подобрят статистическата достоверност преди завършването на модернизацията и пускането на Големия адронен колайдер по-късно тази година.

Но дори 3,8 сигма е достатъчно да се говори за това, че откритата през лятото на 2012 година частица се държи така, както предсказва Стандартният модел. Това позволява да се твърди, че учените от CMS и ATLAS действително са открили Хигс бозона, а не частица, която само частично прилича на него.

Строителството на Големия адронен колайдер започна през 1998 г. Организаторът на проекта – Европейската организация по ядрени изследвания (ЦЕРН) – разчиташе да открие или докаже невъзможността за съществуването на Хигс бозона – частицата, необходима за обяснението на това, защо всички обекти във Вселената притежават собствена маса.

Съществуването на „божествената частица“, както я наричат днес (вижте защо), е предсказано от британския физик Питър Хигс, белгиеца Фрасоа Енглер и други физици още през 1964 година.