Найден Бозон Хиггса! Или что-то другое?!
В Женеве в Европейской организации ядерных исследований (CERN) завершился семинар, на котором были представлены последние данные работы Большого адронного коллайдера, в частности, результаты усилий по поискам бозона Хиггса. Трансляция семинара велась в десятках ведущих центров изучения физики частиц в России и за рубежом, а также на крупнейшей международной конференции по физике частиц, проходящей в эти дни в Австралии.
Руководители обоих экспериментов, занимавшихся поисками бозона Хиггса, — CMS и ATLAS — объявили об открытии новой частицы, но подчеркнули, что для ее точной идентификации понадобится время.
«Мы наблюдали новый бозон с массой 125,3±0,6 ГэВ со статистической значимостью в 4,9 сигма»,
— объявил Джо Инкандела, руководитель коллаборации CMS.«В наших данных мы наблюдали ясные свидетельства существования новой частицы на уровне точности в 5 сигма в области масс в 126 ГэВ. Замечательная работа БАК и детектора ATLAS и огромные усилия десятков людей позволили нам сегодня рассказать о столь замечательных результатах, однако, чтобы довести наши результаты до уровня официальной научной публикации, нужно еще некоторое время», — заявила в ходе своего доклада руководитель эксперимента ATLAS Фабиола Джанотти.
Уровень статистической значимости в 5 сигма означает, что вероятность того, что открытие ошибочно, составляет одну сотую долю процента.
«Выводы пока являются предварительными, но уровень сигнала в 5 сигма вблизи массы в 125 ГэВ, который мы видим, — это кардинально новый результат. Это действительно новая частица. Мы знаем, что это должен быть бозон и что это самый тяжелый бозон, известный на сегодня. Значение этого открытия очень велико, и именно поэтому мы должны быть чрезвычайно аккуратны и внимательны, проводя наши измерения и перекрестные проверки результатов», — подчеркнул руководитель эксперимента CMS Джо Инкандела.
Бозон Хиггса представляет собой последний недостающий элемент современной теории элементарных частиц, так называемой Стандартной модели. Эта гипотетическая частица отвечает за массы всех других элементарных частиц.
«Было бы невозможно представить наши физические результаты сегодня так быстро — через две недели после получения данных, если бы не потрясающая работа нашей распределенной сети обработки данных и вычислений GRID. Десятки людей по всему миру внесли свой вклад в замечательно быструю обработку данных, которые мы получили на нашем детекторе», — отметила Фабиола Джанотти.
Однако вопрос о том, является ли эта частица бозоном Хиггса Стандартной модели или «мостом» к «новой физике», оставлен открытым. Это связано с рядом сложностей наблюдения частиц в современной экспериментальной физике частиц.
«Вариантов распада бозона Хиггса, по которым его можно идентифицировать, очень много. Причем на некоторых экспериментальных установках проще регистрировать одни моды распада, на некоторых — другие. «Тэватрон», например, более чувствителен к распаду бозона Хиггса на b-кварки. На LHC проще наблюдать такие моды распада как H->gamma,gamma (распад на два гамма-кванта) и H->ZZ->llll (распад на два Z-бозона с последующий распадом на 4 лептона). Первый канал имеет большее сечение, во втором канале практически отсутствуют фоны. В детекторе CMS, например, изначально предполагалось, что одним из основных каналов распада станет H->gamma,gamma, и поэтому был создан уникальный электромагнитный калориметр, который не имеет аналогов в мире. Ядро этого калориметра составляют кристаллы вольфрамата свинца, созданные в России на заводах в Богородицке и Апатитах», — пояснил участник эксперимента CMS Андрей Крохотин.
«Эксперименты пронаблюдали два канала распада бозона Хиггса — H->gamma,gamma и H->ZZ->llll. В каждом из этих каналов на сегодня число зарегистрированных событий недостаточно, чтобы сделать открытие, но если их скомбинировать, то получается искомое отклонение от фона в 5 сигма, и это открытие. Однако для уточнения данных о частице нужно еще набирать статистику в отдельных каналах», — отметил он.
Все результаты, обнародованные сегодня, являются предварительными, говорится в официальном сообщении CERN. Они основываются на данных, собранных в 2011 и в 2012 годах, однако информация последних месяцев все еще находится в обработке. Официальная публикация этих результатов в рецензируемом научном журнале планируется на конец июля, причем эксперименты ATLAS и CMS отправят свои статьи одновременно в один и тот же журнал. Эксперименты на БАК продолжаются, поэтому общая картина будет постоянно обновляться и уточняться.
Следующая задача — точно определить природу найденной частицы и ее место в нашей картине понимания устройства Вселенной.
Главный вопрос в том, является ли эта частица долгожданным бозоном Хиггса Стандартной модели, последним отсутствующим ее «ингридиентом», или это что-то совсем другое, новое, экзотическое.
Если верно второе, новая частица может стать мостиком к понимаю природы таинственных темной материи и темной энергии, которым принадлежит 96% массы Вселенной и о которых мы пока ничего не знаем.
«Это веха в нашем понимании природы, великий день. Открытие частицы, похожей на бозон Хиггса, открывает путь к более детальному изучению, для которого требуется больше статистики. Однако оно позволит детально описать свойства новой частицы и, вероятно, прольет свет на тайны нашей Вселенной», — заключил генеральный директор CERN Рольф Хойер.
Дмитрий Дьяконов о бозоне Хиггса
13 декабря в большом зале Европейского центра ядерных исследований ЦЕРН под Женевой состоялась мини-конференция, на котором представители двух
(из четырёх) больших детекторов Большого адронного коллайдера – ATLAS и CMS – отчитались о своих поисках элементарной частицы, которую называют бозоном Хиггса. Большой адронный коллайдер
(БАК) – это ускоритель, где протоны разгоняются практически до скорости света. Сейчас их кинетическая энергия в 3500 раз больше энергии покоя, но со временем она будет увеличена ещё вдвое. Протоны ускоряются и летят внутри двух круговых замкнутых труб, проложенных под землёй в туннеле длиной 27 км: в одной трубе протоны летят по часовой, а в другой – против часовой стрелки. В четырёх местах пучки из двух труб пересекаются, и в этих местах происходит столкновение протонов с энергией, в 3.5 раз выше предыдущего рекорда, достигнутого на ускорителе Тэватрон в США. При столкновении протонов во все стороны летят
«брызги» – элементарные частицы, их в среднем рождается несколько десятков на каждое столкновение, а самих столкновений – миллионы в секунду. Каждую частицу, рождённую при столкновении протонов, надо зарегистрировать: установить точное время появления
«новорожденной», её массу, заряд, скорость и направление вылета. Для этого каждое из четырёх мест столкновения окружают детекторами – большими устройствами размером с многоэтажный дом, начинёнными сложнейшей и быстрой современной электроникой. Основных детектора четыре, они получили название ATLAS, CMS, ALICE и LHCb. По существу БАК – это четыре огромных микроскопа, с помощью которого физики «рассматривают» детали строения материи на рекордно мелком масштабе. Во всех четырёх коллаборациях, связанных с этими детекторами, участвует несколько сотен российских физиков и инженеров – из Петербургского института ядерной физики, из Института физики высоких энергий
(Протвино), Новосибирского института ядерной физики, Института теоретической и экспериментальной физики, Института ядерных исследований и Физического института (Москва), из МГУ, ОИЯИ (Дубна) и других. Российская наука и промышленность активно участвовала и в сооружении сложнейших детекторов, и участвует сейчас в их обслуживании и анализе результатов. А всего в каждой коллаборации тысячи человек со всего земного шара. Героическими усилиями двух поколений физиков, отмеченными многими Нобелевскими премиями, за прошедшие полвека произошёл гигантский прогресс в количественном понимании того, как устроена материя на самом фундаментальном, глубоком уровне. Была создана так называемая Стандартная Модель, которая объединяет на основе простых и общих принципов все фундаментальные взаимодействия, известные сегодня, а именно электромагнитные, слабые и ядерные. Стандартная Модель объясняет количественно и часто с невероятно высокой точностью огромное количество фактов и характеристик нашего мира.
Исключением пока остаётся теория гравитация Эйнштейна: её математическая структура похожа на Стандартную Модель, но пока объединить их не удалось. В шутку эту пока ещё не существующую науку называют
«Теорией Всего» (Theory of Everything). Возможно, эксперименты на БАК в Женеве помогут приблизиться к ней. Одним из краеугольных камней Стандартной Модели является
«бозон Хиггса». Теория предсказывает, что должна существовать новая нейтральная элементарная частица с массой больше, чем сто масс протона, но гораздо меньшего размера. До сих пор эта частица проявляла себя лишь косвенным образом. Одна из задач БАКа – поймать её в детекторе. Напрямую её увидеть невозможно – она живёт слишком короткое время, – но её можно обнаружить по продуктам распада на более лёгкие и известные элементарные частицы. Охотой за «бозоном Хиггса» и заняты, соревнуясь и дополняя друг друга, четыре детектора на БАКе. Трудность состоит в том, что в каждом столкновении рождается очень много частиц, которые создают фон для продуктов распада искомого бозона. Например, бозон Хиггса может распасться на два жёстких гамма-кванта
(фотона). Но если при столкновении рождается много фотонов (а так оно и есть), то очевидно, что отождествить ровно те два фотона, которые происходят именно от распада бозона Хиггса, трудно – особенно если заранее не знаешь, какая у них должна быть суммарная энергия. На заседании 13 декабря две коллаборации – ATLAS и CMS – представили результаты своих анализов по поиску бозона Хиггса. Обе группы видят, причём сразу по нескольким продуктам распада, слабые сигналы, отвечающие примерно одинаковой массе бозона около 130 масс протона. Слова
«слабый сигнал» означает, что число событий распада не сильно превышает естественный фон для таких событий, который был бы и так, даже если бы никакого бозона Хиггса вообще не было. Поэтому физики говорят не об открытии, а только о вероятности НЕоткрытия – она сейчас составляет примерно такую же вероятность как если бы при бросании монетки «орёл» выпал подряд пять раз. Мы понимаем, что такое случается, даже если монетка идеально ровная. Так что может быть, что бозон Хиггса «видят», а может быть, что это случайная вероятностная флуктуация. Нужно больше измерений, больше статистика, чтобы подтвердить или опровергнуть существование бозона Хиггса в этой области масс. Несколько слов об истории вопроса. По существу, то, что сейчас принято называть
«механизмом Хиггса», был придуман Гинзбургом и Ландау в 1950 в той же статье про сверхпроводимость, за которую В.Л. Гинзбург много лет спустя получил Нобелевскую премию. «Явление Хиггса» – это то же самое, что эффект Мейсснера в сверхпроводниках, в просторечии именуемый «гроб Магомета»: фотон приобретают массу, магнитное поле не проникает в сверхпроводник, который поэтому «зависает» в воздухе, если его поместить в магнитное поле. Другой великий физик, американец Филлип Андерсон, тоже отмеченный печатью гения, в 1962 предложил использовать механизм Гинзбурга — Ландау в физике частиц. Современная версия всё той же идеи была предложена одновременно и независимо в работах трёх групп авторов в 1964 году: 1) Robert Brout и Francois Englert, 2) Peter Higgs, 3) Gerald Guralnik, C.R. Hagen, и Tom Kibble, см. http://en.wikipedia.org/wiki/Higgs_mechanism. Но термин
«механизм Хиггса», «бозон Хиггса» исторически выделил лишь одного из многих причастных физиков – видимо потому, что так говорить короче. Д.И.Дьяконов – доктор физ.-мат. наук, зав. сектором теоретической физики высоких энергий Петербургского института ядерной физики, член Европейской Академии
— Вы кредитные карты принимаете?
— Да, конечно.
— Вот, возьмите.
— Но это же енот.
— Простите, не тот карман.
Метки: ATLAS, CERN, CMS, Large Hadron Collider, LHC, БАК, бозон Хиггса, Стандартная модель, физика элементарных частиц
Писано 04.07.2012
