Продолжительность существования частицы, известной как бозон Хиггса, определили с высокой степенью достоверности

Новости МирТесен

Благодаря новым разработкам ученым удалось точно определить продолжительность существования хиггсовского бозона. Для этого был разработан и применен инновационный метод проведения эксперимента и обработки информации. Теперь у человечества есть практическое доказательство ключевых положений Стандартной модели – одной из основополагающих теорий современной физики.

На днях Европейская организация по ядерным исследованиям (ЦЕРН, CERN) опубликовала долгожданный для многих физиков пресс-релиз. Документ содержит доступное для понимания объяснение того, как исследователи, используя информацию, полученную в ходе эксплуатации Большого адронного коллайдера (БАК), смогли установить время существования бозона Хиггса с высокой степенью точности.

В сущности, эта нестойкая субатомная частица сохраняет свое состояние приблизительно 2,1×10 ^-22 секунды, то есть 0,21 зептосекунды или 210 иоктосекунд. Иными словами, порядка триллионной миллиардной доли секунды. Погрешность измерений составляет +2,3/-0,9, что превышает на несколько порядков ранее достигнутый уровень точности. А самое главное — эти значения совпадают с теоретическими данными: согласно расчетам, бозон Хиггса должен распадаться через 1,6×10 ^-22 секунды после своего возникновения.

Для физиков крайне значимо соответствие наблюдаемых результатов предсказаниям Стандартной модели. Если бы эксперимент выявил, что период существования бозона Хиггса меньше теоретически рассчитанного значения, ученые были бы вынуждены искать новые механизмы распада этой частицы. Это потребовало бы пересмотра теории либо в отдельных ее положениях, либо во всей своей совокупности. В противном случае, если время жизни хиггсовского бозона оказалось бы больше ожидаемого, это стало бы неожиданным открытием. Тогда взаимодействие легендарной частицы с другими элементарными компонентами должно было бы быть слабее.

Любые расхождения с теоретическими прогнозами обычно побуждают к поиску иных объяснений. Стандартная модель получила широкое подтверждение в результате многочисленных экспериментов, и открытие «частицы-бунтаря» могло бы сбить ученых с намеченного пути. С одной стороны, это позитивный фактор, поскольку способствует развитию науки. С другой — необходимость радикального пересмотра проверенных теорий из-за единичного отклонения нечасто свидетельствует о проблеме в самой теории, а скорее указывает на существенную ошибку в проведении эксперимента.

Сложность определения времени существования хиггсовского бозона заключается в его чрезвычайно коротком периоде жизни, который не позволяет ему преодолеть заметное расстояние внутри детектора до распада. При этом он существует достаточно долго, чтобы сделать точное измерение косвенными методами затруднительным. Обычно физики определяют этот параметр через оценку «ширины массы» ( mass width) это связано с тем, что принцип неопределенности Гейзенберга обуславливает переменную массу нестабильных частиц.

Наиболее вероятная масса новообразованного бозона Хиггса составляет 125 гигаэлектрон-вольт – это так называемое стандартное значение. Специалисты уже разработали методику получения таких частиц с заданной периодичностью и достигли эффективности в 10% при использовании данного подхода. Однако, учитывая нестабильность хиггсовского бозона, он может появляться значительно реже с большей массой — такой вариант классифицируется как нестандартный или аномальный. В этом случае его распад происходит быстрее – существует прямая пропорциональная зависимость.

В конечном счете, физики разработали способ вычисления приблизительного времени существования бозона Хиггса. Поскольку все характеристики этой частицы связаны между собой определенным образом, частота возникновения «номинальных» ( on-shell) и «аномальных» (off-shell) и корреляция между отклонением массы и скоростью распада – они определили количество хиггсовских бозонов различных масс. Полученное соотношение позволило установить так называемую «ширину распределения по массам», а как следствие, определить типичное время жизни кванта поля Хиггса.

Сбор необходимых данных потребовал нескольких лет и осуществлялся в период второй кампании работы БАК ( Run 2). Для поиска признаков формирования «аномальных» бозонов Хиггса физикам потребовалось обрабатывать колоссальные объемы данных. Однако полученные результаты оказались достойными всех приложенных усилий.