Физика частиц изучает элементарные частицы и их взаимодействия, формируя основу нашего понимания Вселенной. Недавно был сделан большой прорыв в этой области, когда были обнаружены первые признаки редкого распада бозона Хиггса на фотон и Z-бозон. Это открытие может раскрыть существование неизвестных частиц и проложить путь для новых теорий в физике.
Бозон Хиггса, фундаментальная частица, придающая другим частицам массу, которую часто называют «частицей Бога», был открыт в 2012 году на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе. С тех пор коллаборации ATLAS и CMS неустанно работают над изучением свойств этой уникальной частицы и определением различных способов ее образования и распада на другие частицы.
Распад частицы — обычное явление в квантовом мире, но уловить эти эфемерные моменты — настоящая проблема. Подсчитывая следы, оставленные распадом частицы в потоке коллайдера, физики могут составить представление о различных способах, которыми частицы трансформируются в ходе этого процесса и ненадолго появляются в новых формах.
Недавно физики обнаружили первые признаки редкого превращения бозона Хиггса в фотон и Z-бозон. Хотя полученные результаты еще далеки от того, чтобы считаться значительными, они дают первые свидетельства этого чрезвычайно редкого процесса. Об этом открытии было объявлено на конференции по физике БАК, которая проходила в Белграде с 22 по 26 мая 2023 года.
Скрытый распад
Распад бозона Хиггса на фотон и Z-бозон — редкий и сложный процесс, который предсказывается Стандартной моделью физики частиц с вероятностью примерно один на тысячу, или около 0,15% всех распадов бозона Хиггса. Любое отклонение от этой цифры может поддержать альтернативные модели.
Как упоминалось ранее, бозон Хиггса является фундаментальной частицей, которая придает другим частицам массу. Когда он распадается, он превращается в другие частицы. В данном конкретном случае он распадается на фотон — безмассовую частицу света, и Z-бозон — частицу, переносящую слабую силу (одну из четырех фундаментальных сил природы), другими являются гравитация, электромагнетизм и сильная сила. Он отвечает за некоторые виды радиоактивного распада, например, бета-распад, при котором нейтрон превращается в протон.
Однако бозон Хиггса не распадается непосредственно на эти две частицы. Вместо этого распад происходит через промежуточный цикл «виртуальных» частиц, которые появляются и исчезают и не могут быть обнаружены напрямую.
Обнаружение этого редкого распада бозона Хиггса важно, поскольку оно может дать подсказки для существования новых частиц и новых сил, не предсказанных Стандартной моделью, таких как темная энергия, которая «растягивает» пространство. Вот почему физики так заинтересованы в изучении этих распадов бозона Хиггса.
Необходимые дополнительные данные
Чтобы обнаружить первые признаки этого распада, физикам пришлось проанализировать огромное количество данных, полученных за несколько лет протонных столкновений на двух разных детекторах БАК — ATLAS и CMS.
Они использовали передовые методы машинного обучения, чтобы отличать сигнальные события (связанные с этим распадом бозона Хиггса) от фонового шума событий. Объединив наборы данных, собранные во время второго раунда экспериментов БАК, которые проходили в период с 2015 по 2018 год, они смогли значительно повысить статистическую точность и объем своих исследований.
Хотя текущие результаты исследования согласуются с 0,15% Стандартной модели, исследователи лишь умеренно уверены в этом. Конкретно говоря, несмотря на значительный объем данных, они еще не наблюдали достаточно распадов бозона Хиггса, чтобы быть абсолютно уверенными в правильности своих результатов.
Более крупные эксперименты, возможно, с использованием более совершенной технологии, могут выявить небольшие различия, указывающие на существование новых частиц или новых сил, прокладывая путь к новым теориям в физике частиц.
Памела Феррари, координатор по физике эксперимента ATLAS в ЦЕРНе, сказала в пресс-релизе: «Каждая частица имеет особую связь с бозоном Хиггса, что делает поиск редких распадов Хиггса высокоприоритетным». Флоренсия Канелли, координатор по физике детектора CMS в ЦЕРНе, добавляет: «Существование новых частиц может оказать очень значительное влияние на редкие режимы распада Хиггса».
Благодаря третьей серии экспериментов, проводимых на БАК и будущем БАК с высокой светосилой, точность этих тестов Стандартной модели будет повышена, что позволит исследовать еще более редкие распады Хиггса. Это потенциально может привести к пересмотру нашего нынешнего понимания физики частиц.