Физика элементарных частиц, исследующая фундаментальные строительные блоки материи и силы их взаимодействия, является краеугольным камнем современного понимания устройства Вселенной. Совсем недавно в этой области был совершен значительный шаг вперед: ученые впервые зафиксировали вероятные признаки чрезвычайно редкого процесса — распада бозона Хиггса на фотон и Z-бозон. Это открытие обладает огромным потенциалом, так как может указать на существование еще не открытых частиц и стать основой для разработки новых физических теорий, выходящих за рамки общепринятой модели.
Бозон Хиггса, часто именуемый «частицей Бога», играет уникальную роль в физике, отвечая за наличие массы у других элементарных частиц. Его историческое открытие в 2012 году на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе стало триумфом науки. С тех пор международные коллаборации ATLAS и CMS непрерывно работают над изучением свойств этой частицы, анализируя различные пути ее рождения и распада в условиях высокоэнергетических столкновений.
В квантовом мире распад частиц — обычное явление, однако зафиксировать эти мгновенные превращения — сложнейшая экспериментальная задача. Ученые подобно детективам исследуют «следы» — продукты распада, оставшиеся в детекторах после столкновений. Анализируя эти следы, физики могут реконструировать, как частицы трансформировались, ненадолго проявляясь в новых комбинациях.
Недавний анализ данных позволил выявить первые намеки на редчайшее превращение бозона Хиггса в пару, состоящую из фотона (частицы света) и Z-бозона (переносчика слабого взаимодействия). Хотя статистическая значимость результата пока недостаточна для окончательного заявления об открытии, полученные данные представляют собой первое прямое указание на существование этого процесса. О достижении было объявлено на конференции по физике БАК, проходившей в Белграде в мае 2023 года.
Скрытый распад: окно в новую физику
Распад бозона Хиггса на фотон и Z-бозон — это канал, предсказанный Стандартной моделью физики частиц, но с крайне низкой вероятностью. Согласно расчетам, лишь около 0,15% всех хиггсовских бозонов должны распадаться именно таким образом. Именно поэтому любое отклонение наблюдаемой частоты этого распада от предсказанного значения становится мощным индикатором «новой физики» — явлений, не описываемых текущей теорией.
Механизм этого распада не является прямым. Бозон Хиггса не превращается в финальные частицы напрямую, а проходит через промежуточную стадию с участием так называемых виртуальных частиц. Эти частицы, рождаясь и аннигилируя в соответствии с принципами квантовой механики, не регистрируются детекторами, но оказывают решающее влияние на процесс.
Обратите внимание: Большой адронный коллайдер обнаружил новые частицы.
Изучение подобных редких каналов распада критически важно, поскольку оно может пролить свет на существование неизвестных частиц или новых фундаментальных сил, таких как темная энергия, ответственная за ускоренное расширение Вселенной.Путь к открытию: данные и технологии
Для того чтобы уловить первые признаки этого эфемерного процесса, ученым потребовалось проанализировать колоссальные массивы данных, накопленных детекторами ATLAS и CMS за годы работы БАК во время второго цикла экспериментов (2015–2018 гг.).
События-кандидаты от ATLAS (слева) и CMS (справа) для бозона Хиггса, распадающегося на Z-бозон и фотон, при этом Z-бозон распадается на пару мюонов. Ключевую роль в анализе сыграли передовые алгоритмы машинного обучения, которые позволили с высокой точностью отделить крайне редкие «сигнальные» события, соответствующие искомому распаду, от фонового «шума» — миллионов других столкновений. Объединение данных с двух крупнейших детекторов значительно повысило статистическую мощность исследования.
На текущий момент полученные результаты согласуются с предсказаниями Стандартной модели, однако уверенность ученых пока умеренна. Для того чтобы заявить об открытии с полной определенностью, необходимо зафиксировать большее количество таких распадов. Именно здесь в игру вступают будущие эксперименты.
Памела Феррари, физический координатор эксперимента ATLAS, подчеркивает: «Каждая частица особым образом взаимодействует с бозоном Хиггса, поэтому поиск его редких распадов является одним из наших главных приоритетов». Флоренсия Канелли, координатор отдела физики CMS, добавляет: «Существование новых частиц может кардинально повлиять на вероятность редких каналов распада бозона Хиггса».
Третий цикл работы БАК, а в перспективе — модернизированный коллайдер высокой светимости (HL-LHC), позволят провести измерения с беспрецедентной точностью. Это откроет возможность изучения еще более редких процессов и, возможно, приведет к революционным открытиям, которые потребуют пересмотра наших фундаментальных представлений о материи и взаимодействиях.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Физика частиц изучает элементарные частицы и их взаимодействия, формируя основу нашего понимания Вселенной.