Нові результати експериментів на Великому адронному колайдері продовжують пояснювати те, як елементарні частинки набувають своєї маси.
Стандартна модель була сформульована в 60-х роках минулого століття з метою описати всі відомі на той момент елементарні частинки і види взаємодій між ними однією «мовою». З моменту появи Стандартної моделі до її повного експериментального підтвердження пройшло кілька десятиліть. З розвитком прискорювачів частинок, детекторів і методів обробки отриманих даних, фізики виявили багато невідомих на той момент частинок, передбачених моделлю. Такі експерименти підтвердили правильність Стандартної моделі, хоча фізики дуже ретельно шукають явища, які б не вписалися в неї і пояснили те, що нам поки зовсім незрозуміло, наприклад, темну матерію.
Втім, і в рамках Стандартної моделі є простір для нових експериментів. Механізм утворення маси частинок через технічні обмеження довго був суто теоретичною концепцією. Великий прорив у цій галузі стався зовсім недавно, коли експериментально відкрили бозон Хіггса, останню частинку, передбачену Стандартною моделлю. Разом з ним відкрилася нова область для вивчення. Наприклад, так зване поле Хіггса пояснює масу слабких векторних бозонів - носіїв слабкої ядерної взаємодії, спин яких дорівнює одиниці (W- і Z-бозони). Справа в тому, що математична узгодженість моделі вимагає нульової маси для носіїв ядерної взаємодії, але в той же час надзвичайно коротка відстань, на якій проявляється ця сила, передбачає участь масивних частинок. Механізм Хіггса вирішує цю суперечність: згідно з ним, маси слабких векторних бозонів - це не власні характеристики частинок, вони з'являються в результаті взаємодії з всюдисущим полем Хіггса. Так от, можливо, що схожий механізм повинен пояснювати і масу ферміонів - частинок з напівцілим спином. Для цього потрібно експериментальну спостерігати взаємодію бозона Хіггса з ферміонами.
На сьогоднішній день нам відомі 12 елементарних ферміонів, які поділяють на три «покоління». Перше покоління складається з верхнього і нижнього кварків, електрона та електронного нейтрино. Ці ферміони є базовими інгредієнтами матерії: протони і нейтрони складаються з верхнього і нижнього кварків, а електронні нейтрино випускаються при деяких радіоактивних розпадах. З причини, яка досі не повністю зрозуміла, у першого покоління ферміонів існують дві більш «важкі» копії. Друге покоління включає в себе зачарований і дивний кварки, мюон і мюонне нейтрино. Заряджені частинки другого покоління важать значно більше. Третє покоління складається з b- і t-кварків, тау-лептона і тау-нейтрино, і маса заряджених ферміонів в цьому поколінні ще більше, ніж у попередніх.
Якщо маса ферміонів дійсно з'являється при їх взаємодії з полем Хіггса, то різниця в масі ферміонів з кожної групи повинна відбитися на силі їх взаємодії з бозоном Хіггса. Вивченням саме цього і зайнялася колаборація експериментів ATLAS і CMS після того, як підтвердила існування бозона Хіггса. Останні дані показують, що бозон Хіггса розпадається на два b-кварки. Це спостереження підтверджує роль поля Хіггса в утворенні маси третього покоління ферміонів.
Спостереження розпаду бозона Хіггса на два b-кварки - це результат обробки даних, зібраних за останні 6 років. Обидва експерименти побачили сигнал цього розпаду зі статистичною значущістю 5.4 і 5.6 (- квадратичне відхилення, статистична значущість 5 - прийнята як умова для визнання результату дійсним у фізиці частинок). Частота, з якою спостерігається цей розпад, узгоджується з передбаченням Стандартної моделі, хоча похибка вимірювань становить близько 20%.
Бозон Хіггса утворюється при зіткненні високоенергетичних частинок і практично відразу ж розпадається на різні частинки. Ймовірність кожного різновиду розпаду залежить від сили взаємодії бозона Хіггса і частинок, на які він розпадається, а ця сила в свою чергу визначається їх масою. Серед елементарних частинок b-кварки - одні з найважчих, тому сценарій розпаду з їх участю найбільш вірогідний: він повинен відбуватися в 58% випадків. Цілком ймовірно, що b-кварки можуть утворитися і при сильній ядерній взаємодії, яка теж можлива при протон-протонних зіткненнях. Їх фон маскує розпад бозона Хіггса, саме тому для його першого експериментального спостереження, оголошеного в 2012 році, фізики шукали тільки розпади, що включають фотони, носії електромагнітної взаємодії, і слабкі векторні бозони, про які ми згадували раніше.
Тому, щоб побачити розпад на нижні кварки, дослідники звернулися до більш рідкісних сценаріїв утворення бозона Хіггса, зокрема, до процесів, в яких вони утворюються разом зі слабкими векторними бозонами. З технічного боку для цього необхідно дуже ретельно обробити дані з детектора частинок. Складносочинені методи обробки даних включають машинне навчання. Потрібно реконструювати енергії та імпульси слабких векторних бозонів, «позначити» пучки частинок, що виникли при розпаді нижніх кварків, і точно змоделювати фон, створений іншими розпадами, щоб виділити сигнал. На жаль, нинішня точність експериментів не дозволяє виявити відхилення від Стандартної моделі.
Тим не менш, останні результати - це важливе досягнення у фізиці частинок. Вони безпосередньо підтверджують взаємодію бозона Хіггса з третім поколінням ферміонів. Зовсім недавно були опубліковані дані експериментів, згідно з якими бозон Хіггса розпадається на тау-частинки, а так само відбувається його освіта разом з t-кварками. Разом ці результати означають, що поле Хіггса дійсно утворює маси частинок третього покоління ферміонів.
Ці експерименти відкривають нову серію високоточних вимірювань взаємодії бозона Хіггса з ферміонами. Нові дані з Великого Адронного Коллайдера, особливо після того як потужність його пучка буде збільшена, дозволять істотно уточнити вимірювання. З похибкою вимірювань, на порядок менше нинішньої, фізики продовжать тестувати Стандартну модель. Інша важлива мета експериментів ATLAS і CMS - вивчити взаємодію бозона Хіггса з другим поколінням ферміонів. Розпад бозона Хіггса на пару мюонів нарешті повинен бути доступний до спостереження після оновлення колайдера. На жаль, через сильний фон, розпад на зачаровані кварки при протон-протонних зіткненнях можливий лише в гігантському електронно-позитронному колайдері, який поки не існує. Так що бозон Хіггса ще довго буде займати наші уми.
За матеріалами Nature.