Физики в главном зале ЦЕРН слушают представление последних данных с Большого адронного коллайдера. (Источник: CERN)
Это бозон, но какой?
Мы нашли его - теперь мы должны понять, что именно "это". Такова осторожная мысль многих физиков в ЦЕРНе вчера, когда они жадно поглощали информацию о том, что на Большом адронном коллайдере (LHC) открыли бозон Хиггса — или, по крайней мере, что-то вроде бозона Хиггса. Генеральный директор ЦЕРН Рольф-Дитер Хойер (Rolf-Dieter Heuer) был очень осторожен, чтобы описать новую частицу, которая имеет массу около 125 ГэВ/с
2
, как «фундаментальный скалярный бозон». Ведь даже скалярная часть этого описания - что означает, что частица имеет спин, равный нулю - не была полностью прояснена.
Чтобы узнать больше о найденной частице, физикам из ЦЕРН нужно больше информации и больше времени. Поэтому Хойер объявил вчера, что БАК будет работать дополнительно еще три месяца после запланированного в декабре 2012 профилактического отключения, чтобы позволить физикам доделать свои дела. По данным ЦЕРН, работа ускорителя и связанных с этим экспериментов обычно улучшается к концу рабочей сессии, значит есть надежда, что физики могут ожидать еще многие интересных данных до того как LHC временно отключат в начале 2013 года.
Точность измерений
БАК создает бозон Хиггса в протон-протонных столкновениях в гигантских установках ATLAS и CMS, где регистрируются частицы, рождающихся при распаде бозона Хиггса. Это происходит несколькими способами - или "каналами", - и, изучив, каким образом эти распады происходят, физики должны получить более полную картину того, что именно они нашли.
Большая часть данных, способствующих новому открытию исходит от так называемых точных измерений, в которых бозон Хиггса распадается либо на два фотона (дифотонный канал) или на два Z-бозона (ZZ-канал). Так как все продукты распада в этих двух каналах могут быть обнаружены, физики, поэтому вычисляют массу хиггсовского бозона очень точно.
Но есть и целый ряд других каналов, в которых не все продукты распада могут быть обнаружены. С этими каналами сложнее иметь дело, потому что некоторая информация о распаде отсутствует и, следовательно, расчеты массы, основанные на этих каналах не столь точны.
Вчера, исследовательские группы и ATLAS и CMS сообщили, что точность дифотонных и ZZ результатов достаточна, чтобы подтянуть оба эксперимента до заветного уровня значимости в 5σ, который как правило и сигнализирует об открытии в физике элементарных частиц. ATLAS решил не представлять результаты других, менее точных каналов, хотя это и сделано CMS — что и оставило статистическую значимость их результатов на уровне 4.9σ.
За стандартной моделью?
Стандартная модель физики элементарных частиц описывает, как бозон Хиггса должен распадаться по различным каналам, и, сравнивая эти прогнозы с тем, как он распадается на самом деле в LHC, физики могут сказать, имеем ли мы дело со стандартной моделью Хиггса. До сих пор результаты согласуются со стандартной моделью частиц, все каналы выстраиваются согласно Стандартной модели в пределах погрешности.
Однако интрига сохраняется, так как число событий в дифотонном канале как у CMS, так и ATLAS продолжает быть больше, чем ожидалось, по мере того как все больше данных собирается. Этот избыток может стать результатом «новой физики», которая выходит за рамки Стандартной модели, как например новая заряженная частица, существование множества бозонов Хиггса, или, возможно, эффекты «суперсимметрии» - идеи, что все частицы имеют «суперпартнеров» с очень разными спиновыми свойствами.
Дефицит доказательств
Кроме того, что имеется избыток дифотоных событий в результатах LHC, есть еще совсем другой канал распада хиггсовского бозона на два W-бозона — WW-канал. Обычные теории бозона Хиггса прогнозируют, что этот канал должен быть виден на LHC, но на сегодняшний день соответствующих событий гораздо меньше, чем ожидалось. Действительно, если этот канал не существует, это может оказаться серьезным потрясением для теорий физики элементарных частиц, и именно поэтому многие физики в ЦЕРН полагают, что дефицит WW-событий не отражает реальную ситуацию, а просто результат того, что WW-канал сложно измерять.
Но если действительно есть дефицит событий в WW-канале, то можно предположить, что новая частица может и не быть бозоном с нулевым спином. «Поиск WW-канала имеет целью обнаружение безспиновых [скалярных] частиц», признает Билл Мюррей, член группы ATLAS. «Они не рассматривали возможность того, что это может быть частица со спином равным двум». Хотя эксперименты на Тэватроне в лаборатории Ферми, кажется, исключают спин-2 (а спин-1 исключается дифотонными событиями), физики, держат в голове, на всякий случай, ненулевую вероятность того, что эта новая частица не является скалярным бозоном.
Даниэла Бортолетто (Daniela Bortoletto) из Университета Пердью в США, из группы CMS, указывает на то, что каналы, в которых бозон Хиггса распадается на пару тау-лептонов или пару b-частиц, кажется, тоже имеют дефицит событий. Учитывая, что тау и b-частицы являются фермионами, Бортолетто говорит, что если этот дефицит пройдет, когда соберут больше данных, то это могло бы означать, что бозон Хиггса по разному взаимодействует с фермионами и бозонами.
Мюррей, однако, говорит, что дефицит может указывать на «смешанную модель» бозона Хиггса, добавив, что тау-тау и b-b каналы, безусловно, выиграют от трехмесячного продления работы БАК. Действительно, большинство физиков в ЦЕРНе, которые переваривают вчерашнее заявление, считают, что к концу расширенной рабочей сессии БАК они должны иметь гораздо лучшее представление о том, что у них есть стандартная модель Хиггса.
Перспективы на будущее
Но одно важное измерение, которое БАК не сможет сделать, пока не будет обновлен до энергии сталкивающихся протонов 14 ТэВ - вместо 8 ТэВ сегодня - это «самодействие» бозона Хиггса. То есть, как ведут себя два бозона Хиггса, когда они сталкиваются друг с другом - то, что возможно только при более высоких энергиях столкновения, в которых два бозона Хиггса могут родиться. «Важный вопрос: а нужно ли измерять самодействие, прежде чем Вы сможете сказать, что у Вас действительно имеется бозон Хиггса?», говорит Мюррей. Так как обновление БАК до 14 ТэВ вряд ли будет завершено до конца 2014 года в лучшем случае, то, похоже, что дискуссия будет продолжена.
Многих сейчас интересует вопрос: кто же должен получить Нобелевскую премию за это новое открытие? Питер Хиггс, именем которого называют бозон, появился неохотно на вчерашней пресс-конференции, наверное, вследствие этого вопроса, стоявшего у всех в глазах, потому что он всегда утверждал, что был не одинок в разработке основных идей, которые привели к предсказанию бозона Хиггса в начале 1960-х годов. Выступая недавно на
Physics World
, он сказал, что, по крайней мере, пять других теоретиков — включая ныне покойного Роберт Браута (Robert Brout), Франсуа Энглерта (François Englert), Джеральда Гуральника (Gerald Guralnik), Карла Хагена (Carl Hagen) и Тома Кибла (Tom Kibble) - заслуживают того же. Но учитывая, что Нобелевский комитет может присудить премию не более трем физикам за год, ему предстоит сложная работа.
Питер Хиггс говорит, что другие теоретики также заслуживают поздравлений за бозон, который носит его имя.
Об авторе
Хэмиш Джонстон (Hamish Johnston), редактор
physicsworld.com
Весьма важным результатом эксперимента было бы обнаружение значимого числа распадов по каналу двух тау-лептонов, так как эти лептоны подпадают под альтернативную гипотезу. Фундамент гипотезы строится на предположении, что все частицы, с массами более электрона и протона являются цельно кратными возбужденными состояниями этих частиц. Электрон при приближении его скорости к скорости света поглощает энергию E = 70,02586 МэВ. (Длина волны этой энергии соизмерима с классическим радиусом электрона). Массы более 40 гиперонов соответствуют ряду разностей энергий, равных nЕ, где n = 1,2,3... , или ряду E = [l(l+1)] в степени 0.5 х 70 МэВ, где l =1,2,3 .... Массы большого числ мезонов и гиперонов, предсказанные гипотезой, хорошо сходятся с эксп. значениями. По гипотезе масса тау-лептона равна 1784,085 МэВ, эксп. значение 1784,1+2,7 минус 3,6 МэВ (данные на апрель1990). (Более подробно см. П. Д. Шпаков "О физическом пространстве", С.-Петербург, 2008). Обнаружение значимого числа распадов по каналу двух тау-лептонов даст основание искать вид возбуждения, соответствующего массе открытой "частицы".
Э. Ф. Кавун
13 июля 2012 г.
17:22:46
Так странно наблюдать, Олег, непонимание того, ЧТО - на самом деле, фиксируется на БАКе. Как будто и впрямь может существовать некая "частица", ответственная за МАССУ.
Мне жаль "восторгов" по поводу якобы открытого "бозона".
Похоже, техницизм таки "подмял" под себя фундаментальную науку. Не знаю, сколько это продлится. Но выход из этого состояния мне видится совсем не радужным.
Хотя... нынче я уже и не удивился бы, если бы те, кто сейчас "примеряют" лауреатские регалии за это "открытие", через несколько лет, стали бы точно так же претендовать на регалии его развенчателей.
Но, если честно - мне все равно стыдно за все это.