Бозон Хиггса: распад, который может перевернуть физику с ног на голову

Давным-давно, в самом сердце нашего мироздания, скрыт от нашего взора, лежал ключ к пониманию самых глубоких тайн вселенной. И наконец, благодаря усилиям современных физиков элементарных частиц, эта загадка начинает раскрываться. Бозон Хиггса был предсказан в 1960-х годах, но его экспериментальное обнаружение было выполнено только в 2012 году коллаборациями ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере (LHC) в лаборатории CERN. Масса бозона Хиггса была определена как 125 ГэВ.

Для проверки соответствия бозона Хиггса Стандартной модели (СМ) необходимо измерить его связи с другими частицами, которые определяются вероятностями различных режимов распада. СМ предсказывает, что бозон Хиггса может распадаться на разные комбинации частиц с определенными коэффициентами ветвления (КВ). Например, наиболее вероятным режимом распада бозона Хиггса является распад на два бозона W, которые имеют КВ около 22%. Наименее вероятным режимом распада бозона Хиггса в СМ является распад на бозон Z и фотон, которые имеют КВ около 0,15%.

Именно этот режим распада был впервые измерен коллаборациями ATLAS и CMS в 2021 году. Они использовали данные от протон-протонных столкновений, собранные в ходе Второго запуска LHC с 2015 по 2018 год. Для этого запуска энергия в столкновении двух протонов составляла 13 ТэВ. Результаты исследования были опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Однако, измеренное значение КВ распада бозона Хиггса на бозон Z и фотон не согласуется с теоретическим ожиданием. Коллаборации нашли, что КВ этого распада составляет примерно 0,34%, что в 2,2 раза больше, чем предсказывает СМ. Разница составляет 3,4 стандартных отклонения, что означает, что p-значение гипотезы о согласии с СМ составляет около 0,03%. Это еще не достаточно, чтобы отвергнуть гипотезу о согласии с СМ (для этого нужно 5 стандартных отклонений, или p-значение 0,00003%), но достаточно, чтобы вызвать интерес научного сообщества.

Возможные причины этого расхождения могут быть следующие: либо мы наблюдаем эффект новой физики, которая не описывается СМ, либо мы имеем дело с систематической ошибкой, которая влияет на результаты измерений. В первом случае возможно, что бозон Хиггса распадается на бозон Z и фотон не только через топ-кварки или бозоны W, как предполагает СМ, но и через другие, пока неизвестные частицы, которые могут быть посредниками этого распада. Такие частицы могут быть предсказаны различными теориями за пределами СМ, например, суперсимметрией.

Суперсимметрия — это теория, которая предполагает, что каждая частица СМ имеет суперпартнера с другим спином. Суперсимметрия решает многие проблемы СМ, такие как иерархия масс, стабилизация массы бозона Хиггса, объединение фундаментальных сил и темная материя. Однако, пока что ни одна из суперсимметричных частиц не была обнаружена экспериментально.

Во втором случае возможно, что есть некоторые факторы, которые искажают результаты измерений, такие как неточность детекторов, сложность анализа данных, неполнота теоретических расчетов или другие. В этом случае необходимо улучшить методологию исследования, чтобы уменьшить погрешность и повысить точность.

Для разрешения этой загадки нужно больше данных и больше анализа. Коллаборации ATLAS и CMS уже получают новые данные в ходе Третьего запуска LHC, который начался в 2022 году, с повышенной энергией 13,6 ТэВ. Еще больше данных придет от Большого адронного коллайдера с высокой светимостью (HL-LHC), который будет обеспечивать примерно в пять раз больше частоты столкновений протон-протон. HL-LHC планируется запустить в 2028 году.

Эти данные позволят коллаборациям проверить, сохраняется ли расхождение между теорией и экспериментом, или же оно исчезнет. Если первое, то мы можем стать свидетелями революции в физике частиц, которая откроет нам новые горизонты познания природы. Если второе, то мы можем быть уверены, что СМ все еще работает, и продолжать искать ее границы. В любом случае, бозон Хиггса — это начало нового этапа в исследовании физики частиц. Он открывает нам дверь в мир, который может быть гораздо богаче и интереснее, чем мы думали. Мы надеемся, что в ближайшем будущем мы сможем получить ответы на многие вопросы, которые возникают в связи с этой частицей, и понять, как она связана с другими аспектами природы. А пока мы можем наслаждаться красотой и гармонией Стандартной модели, которая все еще остается самой успешной теорией в физике частиц.