Международная группа (коллаборация) физиков ATLAS, работающая с одноименным детектором Большого адронного коллайдера, представила результаты поиска «двойника» бозона Хиггса. Исследователи, среди которых и заведующий кафедрой высоких энергий МФТИ Александр Зайцев, опубликовали статью, которая позволяет если не исключить наличие второго хиггсовского бозона полностью, то как минимум серьезно ограничить такую возможность.
В школьном курсе все вещество состоит из атомов, а атомы — из положительно заряженного тяжелого ядра и отрицательно заряженных легких электронов. В ядро входят заряженные протоны и нейтральные нейтроны; кроме этих частиц есть еще фотоны — кванты электромагнитных волн.
В Стандартной модели — теории, которая на сегодня считается наиболее полным описанием физики элементарных частиц, —утверждается, что протоны и нейтроны сами по себе не элементарные, а составные частицы, они сделаны из кварков. А фотон — это не только квант электромагнитных волн, но и частица, которая отвечает за появление электромагнитного поля как такового. Даже если электрическое поле статично, то в рамках квантовой теории его можно представить как набор виртуальных частиц, фотонов. Когда два электрических заряда взаимодействуют друг с другом, они обмениваются виртуальными фотонами; фотон называют переносчиком электромагнитного взаимодействия.
«Школьный» мир в Стандартной модели — это два типа кварков (условно их назвали «верхним» и «нижним»), переносчик электромагнитного взаимодействия и электрон. Однако это далеко не все, чем оперирует современная физика.
Оборот «виртуальные частицы» означает, что кванты электрического поля ведут себя не так, как, к примеру, испускаемые лампочкой накаливания. Кванты от лампы летят во все стороны, а виртуальные фотоны перемещаются только между взаимодействующими зарядами. То, что это не просто математическая абстракция, подтверждается очень хорошей согласованностью квантовой электродинамики с экспериментом — на сегодня квантовая электродинамика является самой точной из всех существующих теорий.
Больше кварков!
Кроме нижних и верхних кварков на сегодня известно еще четыре. Эти частицы называют очарованными (charmed, с), странными (strange, s), прелестными (beauty, b) и истинными (truth, t). Все эти частицы отличались от ранее известных наличием неких совершенно новых свойств, которые ученые назвали очарованием, странностью, красотой и истинностью — потому что надо же было как-то заменить неуклюжий оборот «квантовое число, свойственное такой-то частице».
Из четырех «внешкольных кварков» три (c, s, b) могут входить в состав тяжелых составных частиц, которые отчасти напоминают протоны с нейтронами. А t-кварк превращается в b-кварк столь быстро, что не успевает образовать составную частицу — время его жизни составляет около 10-25 секунд.
«Обычные» кварки u и d называют кварками первого поколения, c и s — второго, ну а b и t — третьего. Каждое новое поколение заметно тяжелее предыдущего, и все частицы, составленные из кварков второго (не говоря уж о третьем) поколения, нестабильны, эти кварки довольно быстро превращаются в другие частицы.
Больше лептонов!
Электрон — легкая элементарная частица. Его нельзя разделить, и он существует сам по себе, являясь примером так называемых лептонов. К лептонам также относят мюон и тау-лептон: электрон относят к первому поколению, мюон ко второму, а тау-лептон — к третьему.
Как могут догадаться читатели по аналогии с кварками, лептоны второго и третьего поколения тоже нестабильны и очень быстро превращаются в другие частицы.
Больше полей!
С момента открытия Резерфордом атомного ядра ученых стал занимать вопрос: почему собранные в очень маленький объем одноименные положительные заряды не разлетаются в разные стороны? Ответ был найден в середине XX века — внутри атомного ядра действует ранее неизвестное поле, которое удерживает протоны вместе. Кроме того, оно же удерживает вместе кварки в составе протонов и нейтронов. Это поле назвали «сильным».
Название получилось, строго говоря, не слишком удачным, потому что во множестве других случаев приходится говорить о сильном электрическом или, скажем, сильном магнитном полях. Однако физикам приходилось сталкиваться с таким количеством необычных объектов, что фантазии на название нового поля просто не хватило.
Тем более что «сильное» поле оказалось не единственным. Как выяснилось еще в 1930-е годы, при бета-распаде нейтрон может превращаться в протон, электрон и еще одну частицу, называемую антинейтрино; этот процесс протекает за счет еще одного поля, которое проявляется на очень маленьких расстояниях и намного слабее электромагнитного. Ученые назвали это поле «слабым», и оно оказалось третьим фундаментальным взаимодействием.
Электромагнитное взаимодействие обеспечивает существование атомов, сильное — ядер, а слабое на то и слабое, что проявляется только при распадах некоторых частиц. Как потом выяснилось, слабое поле позволяет кваркам превращаться друг в друга, окончательно запутывая всю картину.
Процессы взаимодействия частиц иллюстрируют при помощи диаграмм Фейнмана (названных по имени Ричарда Фейнмана, физика-теоретика). На этой диаграмме события развиваются слева направо: сначала электрон e— сталкивается с позитроном e+ и аннигилирует, давая квант электромагнитного излучения γ. Тот, в свою очередь, превращается в пару кварк-антикварк (q и q̄), и антикварк испускает глюон g. Диаграммы Фейнмана позволяют наглядно представить достаточно сложные процессы, вдобавок за ними стоят определенные математические расчеты, позволяющие определить вероятность показанных процессов.
Переносчики взаимодействий
Каждое из трех полей имеет свой квант — в рамках квантовой теории поле можно разбить на отдельные порции в виде фотонов. Фотон является квантом электромагнитного поля, глюон — сильного, а вот у слабого поля нашлось целых три переносчика: W+, W— и Z0 бозоны. Знак обозначает заряд — положительный, отрицательный и нейтральный; речь идет об обыкновенном электрическом заряде, а не о какой-нибудь странности или очаровании.
А как же гравитация?
Четвертое фундаментальное взаимодействие — гравитация, сила тяготения. Однако ей места в квантовой теории на сегодня нет, хотя попытки создать единую теорию поля и предпринимаются. Гравитация описывается общей теорией относительности, которая пока плохо стыкуется с квантовой механикой.
А теперь все сократим
В 1960-е годы физикам удалось сократить описание всего паноптикума элементарных частиц и их свойств до очень простой (на фоне множества экспериментально найденных составных частиц и реакций по их взаимопревращению) Стандартной модели.
В ней есть три поколения кварков и лептонов, три сорта нейтрино, а также античастицы ко всему этому: антикварки, антинейтрино и по одной античастице на каждый лептон. Но и это еще не все. Было показано, что в процессах с участием частиц большой энергии слабое поле перестает отличаться от электромагнитного, то есть эти два поля становятся одним.
Когда Вселенная была совсем юной, в первые доли секунды после Большого Взрыва, в ней работало единое электрослабое взаимодействие. Лишь потом два поля стали отделены друг от друга. За теорию электрослабого взаимодействия в 1979 году вручили Нобелевскую премию по физике, а еще раньше группа теоретиков предложила и объяснение того, как была нарушена электрослабая симметрия. Ключевую роль в разрушении единства полей сыграла частица, названная по фамилии одного из авторов идеи: Питера Хиггса.
Стандартная модель. Кварки, лептоны и бозоны, переносчики взаимодействия. Необходимо добавить, что лептоны и кварки имеют свои античастицы, так что элементарных частиц как минимум 24 штуки. «Как минимум» — потому что тех же бозонов Хиггса может оказаться несколько, и именно эту гипотезу о наличии у частицы h двойников проверяли ученые.
Бозон Хиггса
Почему в привычном нам мире электромагнитное взаимодействие работает на сколь угодно больших расстояниях, а слабое с трудом проявляет себя даже в масштабе атомного ядра? Потому что в квантовой теории поля радиус действия той или иной силы зависит от массы ее квантов. Фотоны не имеют массы, и радиус действия электромагнитных сил бесконечен; W- и Z-бозоны очень тяжелые, и поле ограничено крайне небольшим радиусом.
Нейтрино, которое проявляет себя только за счет слабого поля, должно вплотную подобраться к другим частицам — только тогда слабое поле до них «дотянется» своими тяжелыми квантами. С точки зрения статистики столь близкий контакт маловероятен, и физики говорят, что у нейтрино очень мало сечение взаимодействия; у гипотетических частиц темной материи оно может быть еще меньше.
Масса бозонов возникает в результате их взаимодействия с бозонами Хиггса, которые либо окружают частицу и мешают ей изменять свою скорость (а это свойство инертности и есть масса), либо не взаимодействуют с ней, и тогда частица получается безмассовой, как фотон.
В 2011 году бозон Хиггса нашли в ходе экспериментов по столкновению протонов в Большом адронном коллайдере, и на этом история собственно Стандартной модели успешно завершилась, начались поиски физики за ее пределами.
О том, что Стандартная модель — еще не последнее слово в физике, говорят несколько фактов. Например, из астрономических наблюдений следует наличие некой «темной» материи, которая должна либо вовсе не реагировать с обычным веществом (проявляя себя только за счет гравитации), либо вступать с ним в контакт только за счет гравитации и слабого взаимодействия. Частиц темной материи в Стандартной модели нет, а еще она, как отмечалось выше, не включает в себя гравитацию.
Несколько Хиггсов и их масса
Вопрос, на который недавно пыталась найти ответ коллаборация ATLAS, звучал так: есть ли еще один бозон Хиггса? Ведь если в Стандартную модель добавить не один, а несколько разных бозонов Хиггса, хуже она от этого не станет — а природа, вообще говоря, вовсе не обязана исходить из принципа минимализма.
Что, если кроме бозона Хиггса h есть еще частица a? Ряд теоретических моделей не только допускал существование такой частицы, но и давал два теоретических прогноза:
— бозон Хиггса h может распадаться на два бозона Хиггса a;
— масса этих двух a меньше, чем масса бозона Хиггса h. Соответственно, если h имеет массу около 125 ГэВ, то a должны быть в пределах 70 ГэВ.
Тут следует сделать еще несколько замечаний. Во-первых, термин «распадается» условен: если физики говорят о «распаде» некой частицы X на Y и Z, то из этого вовсе не следует наличие внутри X частиц, из которых можно сложить Z и Y — правильнее было бы говорить о том, что частицы превращаются друг в друга.
Во-вторых, массу частиц измеряют не в граммах (хотя, в принципе, это и возможно), а в единицах энергии. Причем не джоулях, а электронвольтах: правила употребления единиц это допускают, поскольку масса того же бозона Хиггса что в граммах, что в джоулях окажется очень маленькой. На практике эту частицу «взвешивают» в гигаэлектронвольтах (ГэВ), и ее масса составляет примерно 125 ГэВ.
Возможность использовать для измерения массы единицы энергии следует из теории относительности, в которой есть такое знаменитое соотношение, как E=mc2. Физический смысл его таков, что масса и энергия могут рассматриваться как одно и то же свойство изучаемого объекта — фактически, это значит то, что взведенная пружина легче ослабленной, движущий автомобиль тяжелее стоящего, а масса керосина и кислорода больше массы полученных при сгорании углекислого газа и воды! Правда, разница в массе, или дефект масс, в перечисленных примерах очень маленькая величина, и для любых инженерных задач ей следует пренебречь. А вот масса частицы, летящей в коллайдере, — совсем другое дело.
Коллайдер
Энергия летящего в Большом адронном коллайдере протона достигает (после модернизации ускорителя в 2015 году) 6500 ГэВ, в то время как масса покоящегося протона, масса покоя, составляет примерно 0,938 ГэВ. Почти вся масса движущейся с околосветовой скоростью частицы обусловлена ее кинетической энергией — и при столкновении летящих навстречу друг другу протонов это приводит к интересному эффекту.
Кинетическая энергия, она же масса летящих протонов, переходит в массу частиц, которые рождаются буквально «из ничего», из кинетической энергии двух протонов. Из места столкновения вылетают потоки самых разных частиц — мезонов (состоят из пары кварк-антикварк) и адронов (в них по три кварка; протон и нейтрон — адроны); по тому, какие частицы и куда вылетели, можно узнать, как взаимодействовали друг с другом кварки в момент столкновения и какие превращения частиц происходили.
А чтобы собрать разлетевшиеся частицы, место столкновения окружает многослойный детектор — сложный прибор размером с многоэтажный дом и массой в тысячи тонн. Подробное описание детектора ATLAS, который использовала одноименная коллаборация, можно найти на «Элементах», здесь же скажем главное: детектор не задерживает частицы в каких-то специальных ловушках (смысла в этом никакого нет, ведь многие живут считанные доли микросекунды), а лишь прослеживает их траекторию и позволяет узнать энергию и импульс.
Далее в дело вступает математическое моделирование. Разные теории дают разные предсказания относительно того, сколько каких частиц должно получится и сколько всего разных событий в среднем произойдет за несколько месяцев работы коллайдера. Здесь важно подчеркнуть, что коллайдер работает в непрерывном режиме, столкновения протонов проводятся без остановки круглые сутки: только так физики могут дождаться особенно редких событий.
Часть коллайдера, которая обычно не попадает на парадные снимки, но хорошо иллюстрирует сложность детекторов: башни системы охлаждения детектора ATLAS. Детектор включает в себя не только устройства для регистрации элементарных частиц, но и сложные электронные схемы для оперативной обработки информации и выделения наиболее интересных с точки зрения физиков событий.
Следы
В новой публикации речь идет о поиске комбинаций из двух мюонов или пары тау-лептонов — именно столько частиц должно было получаться из бозона Хиггса a, если бы таковой вдруг действительно существовал. Поиск усложняло то обстоятельство, что и мюоны, и тау-лептоны должны были получаться и в других процессах, поэтому искомые частицы нужно было как-то выделить из общего потока.
Сделать это на примере одного события — одного распада бозона Хиггса на два бозона a с последующим превращением оных в тау-лептон и /или мюоны — было невозможно, но у физиков были в распоряжении данные о работе коллайдера за несколько месяцев. Это позволило искать мюоны с определенными энергиями и оценить их суммарное количество для того, чтобы потом сопоставить с теоретическими моделями.
Почему надо искать мюоны только с определенной энергией? Потому что процессы распада — или превращения — элементарных частиц подчинены законам сохранения. Соответственно, импульсы продуктов реакции не могут иметь совсем уж произвольных значений.
Модели, описывающие уже известные процессы, оказались очень хорошо подходящими для предсказания числа мюонов с заданной энергией — и из этого следует то, что говорить о существовании еще одного бозона Хиггса, частицы a, не приходится. Ведь если бы она действительно распадалась в детекторе ATLAS, то установка регистрировала бы избыток мюонов, причем с вполне определенными энергиями — но этого не произошло, наблюдавшееся число мюонов с энергией от 2,8 до 70 ГэВ оказалось вполне укладывающимся в «минимальную» Стандартную модель.
Подготовка детектора к работе включала в себя не только его калибровку и проведение первых пробных столкновений протонов, но и генеральную уборку. Сотрудники ЦЕРН, вооружившись пылесосами, собрали скопившуюся в разных местах установки пыль.
