Вчені з експерименту ATLAS на Великому адронному колайдері вперше змогли зафіксувати розпад бозона Хіггса на два лептони і фотон. Вчені передбачали теоретичну можливість такого рідкісного розпаду, однак досі його не вдавалося побачити. Це дасть змогу досліджувати порушення СР-симетрії, яка є ознакою електрослабкої взаємодії. Звіт про результати експерименту вчені представили на відкритому семінарі у ЦЕРН, також він доступний на сайті.
ATLAS
Як розпадається бозон Хіггса?
За Стандартною моделлю дві з чотирьох фундаментальних взаємодій, а саме електромагнітна, яка відповідає за все, що має електричний заряд(світло, наприклад) та слабка, що зумовлює бета-розпад атомних ядер та елементарних частинок, є двома проявами однієї сили. Тобто за низьких енергій, ми спостерігаємо два види взаємодії, однак за енергії, близької до 100 гігаелектронвольт, вони об’єднуються в електрослабку. По суті це взаємодія між фотонами та W- і Z- частинками, яка утворює симетрію. І все було б з цією теорією добре, якби останні не виявилися майже у 80 разів «важчими» за протон, хоча мали б бути, як фотони, безмасовими. Так з’явилася необхідність створити механізм, який би порушив електрослабку симетрію і наділив ці частинки масою. Цей механізм назвали хіггсівським, а знайдений 2012 року бозон Хіггса остаточно підтвердив, що симетрія порушена, а Стандартна модель — справедлива.
Оскільки бозон Хіггса взаємодіє з усіма масивними елементарними частинками Стандартної моделі, він має багато можливих шляхів розпаду. Як правило, бозон Хіггса частіше розпадається на важкі ферміони — частинки з напівцілим спіном, оскільки їхня маса пропорційна силі їхньої взаємодії з ним. Тому ми вже бачили розпад бозона Хіггса на пару нижній b-кварк-антикварк та на два тау-лептони — наймасивніші елементарні частинки. Також він може розпадатися на кварки і лептони, реальні чи віртуальні калібрувальні бозони, і в тому числі на безмасові глюони та фотони.
На що розпався бозон під час експерименту?
На Великому адронному колайдері бозон Хіггса народжується зіткненням двох протонів. Зокрема одним зі способів, який і використали фізики, є злиття глюонів, які відповідають за сильну взаємодію між кварками у протоні. Оскільки зараз ВАК знаходиться у відпустці, вчені використали дані другого сезону роботи колайдера за 2015-2018 роки. Як ми згадали вище, розпад бозона тісно пов’язаний з масою частинок, а тому, щоб «відчути» його розпад, вчені вирахували діапазон інваріантної маси для пари лептонів і фотона. Тож якщо маса бозона Хіггса складає 125 гігаелектронвольт, то шукати треба було пару лептонів і фотон у діапазоні від 110 до 160 гігаелектронвольт.
Інваріантність маси вказує на її незалежність від системи відліку, а вираховують її з енергії та імпульсу частинок. У даному випадку маса вказує на інтенсивність того, як розлітаються частинки. Якби ми зафіксували просто якісь окремі лептони, то і маса була б довільною, однак якщо в сумі вони схожі на масу бозона Хіггса, то їх можна віднести до продукту його розпаду.
Фізикам вдалося побачити рідкісний, хоч і передбачений Стандартною моделлю розпад бозона на три частинки: пару лептонів і фотон. Такий тричастинний процес міг статися або за участі Z-бозона(розпад Даліца, Dalitz decay), або безпосередньо з бозона Хіггса з подальшим випромінюванням фотона одним з пари лептонів. Так фізики побачили на графіку пік на відмітці 125 гігаелектронвольт, що стало свідченням розпаду. Щоб відокремити вплив інших процесів, вони враховували лише дані про масу пар лептонів, що складала 30 гігаелектронвольт.
Навіщо вченим потрібен його розпад?
У своїй роботі фізики наголосили, що дослідження такого розпаду на три частинки дасть змогу дослідити явище порушення СР-симетрії — комбінованої парності. І тут вся справа в тому, що хоч ми і домовилися, що Всесвіт складається зі звичайної матерії, бо антиматерії ми у помітних кількостях не бачили(вона мала б взаємодіяти, анігілювати з матерією), все одно виходить так, що наш Всесвіт зарядово несиметричний. На кожну частинку є античастинка, але чомусь протони, нейтрони та інші не анігілювали у перші секунди існування Всесвіту. Мала бути порушена СР-симетрія, тобто процес перетворення частинки на античастинку, а також — дзеркального відображення фізичної системи, коли, наприклад, у задзеркаллі радіоактивний розпад мав би відбуватися так само. Втім, її порушення не поширюється на сильну та електромагнітну взаємодію, а тому вся надія на слабку, учасниками якої є лептони та W- і Z- бозони.
Фізикам недостатньо самої лише знахідки і доказу існування бозона Хіггса для беззаперечності повноти Стандартної моделі. Вона все ще не може відповісти на питання про дисбаланс у Всесвіті між матерією та антиматерією. А також якщо раптом вчені зафіксують непередбачений теорією розпад бозона Хіггса, то це свідчитиме про ще невідомі бозони та фізику поза Стандартною моделлю.