В результате разработки нового метода эксперимента и анализа данных ученые с высокой точностью измерили время «жизни» хиггсовского бозона. Это дало человечеству эмпирическое подтверждение ключевых элементов Стандартной модели, одной из главных теорий современной физики.
Недавно Европейская организаця по ядерным исследованиям (ЦЕРН) CERN) опубликовала долгожданный для многих физиков пресс-релизВ тексте просто и доступно излагается, как учёные благодаря данным, полученным в ходе работ Большого адронного коллайдера, вычислили продолжительность существования бозона Хиггса с большой точностью.
В среднем нестабильная субатомная частица существует 2,1 × 10… -22Продолжительность жизни составляет доли секунды, то есть 0,21 зептосекунду или 210 иоктосекунд. Другими словами, примерно триллионная миллиардная доля секунды. Погрешность измерений — +2,3/-0,9, что превышает ранее полученные результаты точности на несколько порядков. Значения совпадают с теоретическими данными: по расчетам, бозон Хиггса должен распадаться через 1,6×10… -22 секунды после своего возникновения.
Соответствие экспериментальных данных Стандартной модели очень важно для физиков. Если эксперимент покажет время «жизни» хиггсовского бозона меньше теоретических значений, ученым придется искать новые пути распада частицы и пересматривать теорию в отдельных аспектах или даже в значительной ее части. Если же время существования бозона Хиггса оказалось бы дольше предсказанного, это стало бы настоящим сюрпризом. В этом случае реальное взаимодействие легендарной частицы с другими должно быть слабее.
Отклонения от теоретических расчетов заставили бы искать другие объяснения. Стандартная модель подтверждена множеством экспериментов, и появление «частицы-бунтаря» нарушило бы устоявшиеся представления ученых. С одной стороны, это положительно, так как продвигает науку. С другой — необходимость кардинально пересматривать проверенные теории из-за одиночного отклонения чаще всего указывает на ошибку в эксперименте, а не на недостаток самой теории.
Измерение времени жизни хиггсовского бозона затруднено потому, что эта частица крайне короткоживущая и не успевает пройти значительное расстояние в детекторе перед распадом. С другой стороны, ее время жизни слишком велико для определения его известным косвенным методом. Обычно физики определяют это время, оценивая «ширину масс» . mass widthЧастицы могут обладать разной массой из-за принципа неопределенности Гейзенберга, поскольку неустойчивые частицы не имеют постоянного веса.
Вероятнее всего, бозон Хиггса при образовании обладает массой 125 гигаэлектрон-вольт, это так называемый номинал. Ученые научились получать такие частицы с определенной частотой и добились 10%-ного шанса на успех в этой методике. Но поскольку хиггсовский бозон нестабилен, гораздо реже он может появиться со значительно более большой массой — такой назвали нестандартным, аномальным. Правда, и распадается он в этом случае быстрее — зависимость здесь пропорциональная.
Физики разработали способ вычисления номинального времени «жизни» бозона Хиггса, так как все характеристики частицы связаны друг с другом. on-shell) и «аномальных» (off-shellИсследователи вычислили количество хиггсовских бозонов различных масс, учитывая зависимость между массой и скоростью распада. Соотношение этих количеств дало «ширину масс», а значит, и номинальное время жизни кванта поля Хиггса.
Сбор нужных сведений длился несколько лет и осуществлялся в рамках второго этапа функционирования БАК. Run 2Из-за большого количества информации физики научились искать доказательства появления «аномальных» бозонов Хиггса, и это принесло свои плоды.