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. В книге доступным языком объясняется, как ученые, используя данные, полученные в ходе последних исследований на Большом адронном коллайдере (БАК), смогли с высокой точностью установить продолжительность существования бозона Хиггса.
В сущности, эта нестабильная субатомная частица существует в среднем 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 важно, чтобы экспериментальные данные подтверждали положения Стандартной модели. Если бы эксперимент показал, что время жизни хиггсовского бозона меньше теоретически рассчитанных значений, ученым пришлось бы искать альтернативные способы распада этой частицы. В таком случае потребовалось бы пересматривать теорию либо в отдельных ее частях, либо в значительной степени. Однако, если время существования бозона Хиггса окажется больше предсказанного, это станет неожиданным открытием. В этом случае взаимодействие этой фундаментальной частицы с другими должно быть менее интенсивным.
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.
Определение времени существования хиггсовского бозона затруднено из-за его крайне короткого периода жизни, который не позволяет частице преодолеть заметное расстояние в детекторе до распада. В то же время, время его существования слишком велико для точного определения с использованием общепринятых косвенных методов, основанных на оценке «ширины масс» ( mass width) это связано с тем, что принцип неопределенности Гейзенберга обуславливает переменную массу нестабильных частиц.
Вероятность того, что бозон Хиггса появляется с массой 125 гигаэлектрон-вольт, наиболее высока, и это значение принято считать номинальным. Специалисты освоили методику получения этих частиц с заданной частотой и достигли 10%-ной вероятности успешного результата. Однако, учитывая нестабильность хиггсовского бозона, он может возникать с существенно большей массой, которая обозначается как нестандартная или аномальная. При этом его распад происходит быстрее, причем эта зависимость является пропорциональной.
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), используя данные об отклонении массы и скорости распада, исследователи определили количество хиггсовских бозонов с различной массой. Полученные пропорции указали на «ширину масс», что позволило вычислить приблизительное 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.