Новые результаты экспериментов на Большом адронном коллайдере продолжают объяснять то, как элементарные частицы приобретают свою массу.

Стандартная модель была сформулирована в 60-х годах прошлого века с целью описать все известные на тот момент элементарные частицы и виды взаимодействий между ними на одном «языке». С момента появления Стандартной модели до её полного экспериментального подтверждения прошло несколько десятилетий. С развитием ускорителей частиц, детекторов и методов обработки полученных данных, физики обнаружили многие не известные на тот момент частицы, предсказанные моделью. Такие эксперименты подтвердили правильность Стандартной модели, хотя физики очень тщательно ищут явления, которые бы не вписались в неё и объяснили то, что нам пока совсем непонятно, например, тёмную материю.

Детектор CMS в ЦЕРНе. Фото: CERN
Открыть в полном размере

Впрочем, и в рамках Стандартной модели есть простор для новых экспериментов. Механизм образования массы частиц в силу технических ограничений долго был чисто теоретической концепцией. Большой прорыв в этой области случился совсем недавно, когда экспериментально открыли бозон Хиггса, последнюю частицу, предсказанную Стандартной моделью. Вместе с ним открылась новая область для изучения. Например, так называемое поле Хиггса объясняет массу слабых векторных бозонов – носителей слабого ядерного взаимодействия, спин которых равен единице (W- и Z-бозоны). Дело в том, что математическая согласованность модели требует нулевой массы для носителей ядерного взаимодействия, но в то же время чрезвычайно короткое расстояние, на котором проявляется эта сила, предполагает участие массивных частиц. Механизм Хиггса разрешает это противоречие: согласно ему, массы слабых векторных бозонов – это не собственные характеристики частиц, они появляются в результате взаимодействия с вездесущим полем Хиггса. Так вот, возможно, что похожий механизм должен объяснять и массу фермионов – частиц с полуцелым спином. Для этого нужно эксперименальное наблюдать взаимодействие бозона Хиггса с фермионами.

На сегодняшний день нам известны 12 элементарных фермионов, которые разделяют на три «поколения». Первое поколение состоит из верхнего и нижнего кварков, электрона и электронного нейтрино. Эти фермионы являются базовыми ингредиентами материи: протоны и нейтроны состоят из верхнего и нижнего кварков, а электронные нейтрино испускаются при некоторых радиоактивных распадах. По причине, которая до сих пор не полностью ясна, у первого поколения фермионов существуют две более «тяжёлые» копии. Второе поколение включает в себя очарованный и странный кварки, мюон и мюонное нейтрино. Заряженные частицы второго поколения весят существенно больше. Третье поколение состоит из b- и t-кварков, тау-лептона и тау-нейтрино, и масса заряженных фермионов в этом поколении ещё больше, чем в предыдущих.

Если масса фермионов действительно появляется при их взаимодействии с полем Хиггса, то разница в массе фермионов из каждой группы должна отразиться на силе их взаимодействия с бозоном Хиггса. Изучением именно этого и занялась коллаборация экспериментов ATLAS и CMS после того, как подтвердила существование бозона Хиггса. Последние данные показывают, что бозон Хиггса распадается на два b-кварка. Это наблюдение подтверждает роль поля Хиггса в образовании массы третьего поколения фермионов.

Наблюдение распада бозона Хиггса на два b-кварка – это результат обработки данных, собранных за последние 6 лет. Оба эксперимента увидели сигнал этого распада со статистической значимостью 5.4 и 5.6 σ (σ – квадратичное отклонение, статистическая значимость 5 σ принята как условие для признания результата действительным в физике частиц). Частота, с которой наблюдается этот распад, согласуется с предсказанием Стандартной модели, хотя погрешность измерений составляет около 20%.

Бозон Хиггса образуется при столкновении высокоэнергетических частиц и практически сразу же распадается на различные частицы. Вероятность каждой разновидности распада зависит от силы взаимодействия бозона Хиггса и частиц, на которые он распадается, а эта сила в свою очередь определяется их массой. Среди элементарных частиц b-кварки – одни из самых тяжёлых, поэтому сценарий распада с их участием наиболее вероятен: он должен происходить в 58% случаев. Вполне вероятно, что b-кварки могут образоваться и при сильном ядерном взаимодействии, которое тоже возможно при протон-протонных столкновениях. Их фон маскирует распад бозона Хиггса, именно поэтому для его первого экспериментального наблюдения, объявленного в 2012 году, физики искали только распады, включающие фотоны, носители электромагнитного взаимодействия, и слабые векторные бозоны, о которых мы упоминали раньше.

Поэтому, чтобы увидеть распад на нижние кварки, исследователи обратились к более редким сценариям образования бозона Хиггса, в частности, к процессам, в которых они образуются вместе со слабыми векторными бозонами. С технической стороны для этого необходимо очень тщательно обработать данные с детектора частиц. Сложносочинённые методы обработки данных включают машинное обучение. Требуется реконструировать энергии и импульсы слабых векторных бозонов, «пометить» пучки частиц, возникших при распаде нижних кварков, и точно смоделировать фон, созданный другими распадами, чтобы выделить сигнал. К сожалению, нынешняя точность экспериментов не позволяет обнаружить отклонения от Стандартной модели.

Тем не менее, последние результаты – это важное достижение в физике частиц. Они напрямую подтверждают взаимодействие бозона Хиггса с третьим поколением фермионов. Совсем недавно были опубликованы данные экспериментов, согласно которым бозон Хиггса распадается на тау-частицы, а так же происходит его образование вместе с t-кварками. Вместе эти результаты означают, что поле Хиггса действительно образует массы частиц третьего поколения фермионов.

Эти эксперименты открывают новую серию высокоточных измерений взаимодействия бозона Хиггса с фермионами. Новые данные с Большого Адронного Коллайдера, особенно после того как мощность его пучка будет увеличена, позволят существенно уточнить измерения. С погрешностью измерений, на порядок меньше нынешней, физики продолжат тестировать Стандартную модель. Другая важная цель экспериментов ATLAS и CMS – изучить взаимодействие бозона Хиггса со вторым поколением фермионов. Распад бозона Хиггса на пару мюонов наконец-то должен быть доступен к наблюдению после обновления коллайдера. К сожалению, из-за сильного фона, распад на очарованные кварки при протон-протонных столкновениях возможен лишь в гигантском электронно-позитронном коллайдере, который пока не существует. Так что бозон Хиггса ещё долго будет занимать наши умы.