И. Иванов: Фрагмегнт статьи "Первые шаги хиггсовской физики".
Иванов И.П. - физик-теоретик
Хиггсовский бозон интересен ученым не столько сам по себе, сколько как инструмент познания мира. Он позволяет физикам "прощупать" совершенно особую, недоступную ранее часть глубинного устройства мироздания — хиггсовский сектор.
Хиггсовский механизм нужен Стандартной модели (СМ) для того, чтобы обеспечить фундаментальные частицы массой; ничего сверх этого Стандартная модель от него не требует.
Но никто не знает, довольствуется ли Вселенная таким простым решением. Может статься, что в нашем мире реализовалась какая-то более тонкая, более богатая версия этого явления.
Может даже оказаться, что она связана с загадками Стандартной модели, на которые мы пока не знаем ответа. Если это в самом деле так, физики рассчитывают найти в экспериментах на коллайдере дополнительные бозоны Хиггса — и это позволит им выйти на новый уровень в понимании микромира, уровень более глубокий, чем Стандартная модель.
Открытие новых бозонов Хиггса, конечно, стало бы шикарным подарком природы. Но вот что любопытно: даже без подобного подвига, без прямого обнаружения дополнительных хиггсовских бозонов, экспериментаторы всё равно имеют шанс выяснить, какой хиггсовский механизм заложен в устройстве Вселенной — минимальный или нет.
Для этого им нужно с высокой точностью измерить связь нашего "родного", уже открытого бозона с остальными частицами, а также с самим собой. Ведь Стандартная модель — законченная теория, она не допускает никаких подстроек и совершенно однозначно предсказывает интенсивность взаимодействия бозона Хиггса с каждой из известных частиц.
Эту связь можно проверить экспериментально, если с высокой точностью измерить вероятности различных вариантов рождения и распада бозона (рис. 4).
И если хоть в одном процессе обнаружится существенное отклонение от предсказаний Стандартной модели — всё, Новая физика найдена.
Основные процессы рождения и распада стандартного бозона Хиггса
В 2011–2012 годах, в ходе коллайдерного сеанса Run 1, перед физиками стояла единственная, по сути, задача: обнаружить бозон Хиггса, попутно измерив его массу и выяснив, на какие частицы он способен распадаться.
С этой задачей физики из экспериментов ATLAS и CMS успешно справились, с фанфарами объявив 4 июля 2012 года об открытии бозона.
В тех данных хиггсовский бозон проявился сразу в двух наиболее удобных для изучения каналах распада — на два фотона и на два Z-бозона, которые тут же превращались в четыре лептона. Тот факт, что в обоих процессах отклонение наблюдалось при одинаковой массе, подтверждал, что перед нами проявления одной частицы.
Открытие новой частицы на пороге статистической значимости, как правило, не позволяет проводить тонкие измерения и делать далеко идущие выводы. Но в ранней истории хиггсовского бозона эта самая статистика успела пощекотать физикам нервы — и не раз.
Во-первых, измерения показали, что хиггсовский бозон распадается на фотоны чуть ли не вдвое чаще, чем предсказывала Стандартная модель. Это превышение вызвало восторг теоретиков, поскольку намекало на Новую физику — либо в виде нестандартного взаимодействия бозона Хиггса, либо в форме новых промежуточных частиц, которые ускоряли распад.
Во-вторых, два канала распада — на два фотона и на четыре лептона — показали хоть и близкие, но не идентичные массы новой частицы. Закрадывалось подозрение, что физики обнаружили не один, а сразу два бозона Хиггса с различающимися массами и совершенно разными предпочтениями по распаду. Опять же, раздолье для теоретиков, предлагающих многохиггсовские модели.
Однако по мере того, как шел набор и анализ данных, обе эти аномалии постепенно уменьшались и спустя пару лет сошли на нет. Развитие ситуации можно проследить в наших новостях конца 2012 года, весны 2013 года, середины 2014 года, осени 2014 года, весны 2015 года.
Хотя сеанс Run 1 завершился в 2012 году, анализ накопленных данных продолжался еще несколько лет, да и сами методики поиска сигнала в большом массиве данных совершенствовались.
К концу 2013 года было установлено, что бозон Хиггса способен распадаться на фермионы (частицы материи), а не только на бозоны (переносчики взаимодействий). (Распад бозона Хиггса на частицы материи еще сильнее указывает на его стандартность, «Элементы», 09.12.2013).
Однако вероятность этого распада в пределах погрешностей совпадала с предсказаниями СМ.
2015 год подарил физикам новую надежду: в данных коллайдера обнаружились намеки на распад H→μτ, невозможный в Стандартной модели. Одновременно с этим начали вырисовываться подозрения, что и топ-кварк — самая тяжелая из известных частиц — взаимодействует с бозоном Хиггса сильнее, чем предписано СМ.
Эти отклонения поначалу вызвали новую волну теоретических публикаций (см. инфографику на рис. 3 в обзорной новости Физика элементарных частиц в 2017 году, «Элементы», 26.12.2017).
Однако оптимизм поутих пару лет спустя, когда результаты нового сеанса работы коллайдера не подтвердили оба этих эффекта. Увы, статистические флуктуации на пороге чувствительности в очередной раз сыграли с физиками злую шутку. Хронологию развития и завершения этих сюжетов можно проследить на страницах с «Загадками коллайдера» (распад на мюон и тау-лептон и связь с топ-кварком). Сводку результатов по изучению бозона Хиггса по состоянию на 2015 год можно найти на нашей тематической странице.
Портрет бозона Хиггса. Cеанс Run 1 представлял собой, если можно так сказать, конфетно-букетный период знакомства физиков с хиггсовским бозоном.
В ходе второго сеанса работы коллайдера восторги сменились деловым, методичным исследованием всех параметров открытой частицы.
Коллайдер начал чувствовать все основные процессы рождения бозона Хиггса в протонных столкновениях и его распада. Каждый их этих процессов позволял протестировать связь бозона с другими частицами и тем самым добавлял новые штрихи к его портрету.
К середине 2018 года все процессы, отмеченные на схеме рождения и распада стандартного бозона Хигса, были официально открыты и, в пределах погрешностей, не противоречили предсказаниям Стандартной модели.
Следует подчеркнуть, что работа над "портретом бозона" вовсе не сводилась к банальному накоплению данных. Физики модернизировали детекторы, совершенствовали алгоритмы отбора и анализа данных, находили новые возможности там, где, как казалось раньше, ловить было нечего.
Так, в 2017 году коллайдер начал чувствовать распад бозона Хиггса на b-кварки — процесс, который считался бесперспективным на момент запуска LHC (адронного коллайдера).
Эволюция ситуации с бозоном Хиггса вызывала у физиков двоякие чувства. С одной стороны, здорово, что коллайдер исправно работает, накапливает статистику ударными темпами и выдает надежные результаты, подтверждаемые перекрестными проверками. Безо всяких оговорок, это повод для гордости для более чем десятка тысяч физиков и техников, построивших коллайдер и работающих над анализом его данных.
Но с другой стороны, вырисовывающаяся картина природы несколько удручает: ведь эта новая грань мироздания тоже выглядит совершенно стандартной. И хотя время от времени появляются намеки на новые частицы (например, некоторая аномалия при массе 95 ГэВ в 2018 году, недавний намек на заряженный бозон Хиггса при 130 ГэВ, отклонение в районе 1 ТэВ, обнаруженное буквально пару недель назад), никаких статистически достоверных указаний на новые явления в хиггсовском секторе пока не видно.
С третьей стороны, такая ситуация ни в коей мере не стала для физиков сюрпризом. Строя коллайдер, они, конечно, надеялись на открытие чего-то принципиально нового, неведомого, но при этом они и осознавали, что никаких гарантий громких открытий нет.
Многие физики были готовы к пессимистичному сценарию, при котором коллайдер обнаруживает один-единственный бозон Хиггса, причем с совершенно стандартными свойствами.
Однако этот сценарий вовсе не доказывает, что хиггсовский механизм нашего мира действительно минимальный. Дело в том, что ровно такой же сценарий возникает и в сложных вариантах хиггсовского сектора. В них присутствует несколько бозонов Хиггса, один из которых оказывается очень похожим на стандартный, а все остальные либо очень тяжелы, либо слишком слабо взаимодействуют с другими частицами. Именно поэтому новые частицы вполне могут существовать, но их будет очень трудно заметить на коллайдере (рисунок).
Набор хиггсовских бозонов, предсказываемый двухдублетной хиггсовской моделью: легкий h, тяжелый H, CP-нечетный A, и пара заряженных бозонов Хиггса.
Вверху: иллюстрация наивных ожиданий, что все бозоны будут одинаково хорошо видны на LHC.
Внизу: реальная ситуация, предсказываемая многими вариантами этой модели: один бозон Хиггса виден отлично и напоминает стандартный, а все остальные очень трудно заметить на коллайдере
По мере того как, по данным сеанса Run 2, свойства бозона Хиггса всё больше и больше напоминали стандартные, становилось понятно, что на экзотические открытия рассчитывать не приходится.
Новую физику в хиггсовском секторе придется "выцарапывать" у природы через максимально точные измерения всех доступных характеристик бозона Хиггса. И поэтому надо быть готовым к долгой и кропотливой работе.
Что известно на сегодня. Открытие бозона Хиггса 10 лет назад стало началом "хиггсовской эры" в физике частиц.
Количество научных статей по физике хиггсовского бозона, опубликованных экспериментальными коллективами CMS и ATLAS за это десятилетие, исчисляется уже сотнями.
Разбивку хиггсовских результатов по процессам и величинам можно найти на страницах коллабораций: ATLAS Higgs physics results и CMS Higgs physics results. Пройдемся по ключевым направлениям исследований, стараясь не потонуть в деталях.
Взаимодействие с тяжелыми бозонами. Связь бозона Хиггса с частицами-переносчикам слабого взаимодействия, W- и Z-бозонами, измерена с точностью 10% и согласуется со Стандартной моделью (arXiv:2004.03447, arXiv:2206.09466). Недавно (arXiv:2205.06667) было также открыто и четверное взаимодействие: два бозона Хиггса и два W-бозона (либо Z-бозона). Это лишний раз подтверждает, что открытая десять лет назад частица — действительно хиггсовский бозон, "отголосок" хиггсовского механизма, а не какая-то посторонняя частица.
Взаимодействие с фотонами. Вероятность распада на два фотона измерена с точностью 9% (arXiv:2103.06956) и согласуется со Стандартной моделью.
Этот распад чувствителен к гипотетическим тяжелым заряженным частицам, и тот факт, что измерения не расходятся с предсказаниями СМ, накладывает ограничение на все модели Новой физики, содержащие новые заряженные частицы.
Бозон Хиггса может также распадаться несимметричным способом — на Z-бозон и фотон. Предсказанная СМ вероятность распада H→Zγ еще меньше, чем распада на два фотона, — всего 0,15%. Однако в неминимальных моделях она может оказаться иной. Коллаборации ATLAS и CMS пока не сообщили о надежной регистрации этого распада, но вплотную приблизились к этому.
Обе группы видят небольшой избыток событий на уровне около 2σ и сообщают, что вероятность этого распада превышает предсказания СМ не более чем в 4 раза (arXiv:2005.05382, arXiv:2204.12945).
В ходе следующего сеанса работы коллайдера Run 3 этот распад должен быть открыт.
Взаимодействие с фермионами. Связь бозона Хиггса с фермионами третьего поколения (топ-кварки, b-кварки, тау-лептоны) измерена с точностью 10–30%;
отличий от СМ не обнаружено. Это, однако, вовсе не значит, что взаимодействие бозона с более легкими фермионами из второго или первого поколений будет столь же стандартным.
Существуют теоретические модели, в которых отличие от предсказаний СМ появляется как раз для легких фермионов. А значит, измерение вероятности распада бозона Хиггса на мюон и антимюон или на c-кварк-антикварковую пару даст принципиально новую информацию об устройстве хиггсовского сектора.
Проверка пропорциональности связи бозона Хиггса с остальными частицами и масс этих частиц, предсказываемой Стандартной моделью. Вверху: результаты измерений коллаборации CMS на основе статистики сеанса Run 2; внизу: отношения этих результатов к предсказаниями СМ. Рисунок с сайта cms-results.web.cern.ch
Как отмечено на рисунке ниже, к 2018 году эти распады еще не были обнаружены. Пару лет спустя коллаборация CMS объявила о первом наблюдении распада H→μ+μ− на уровне статистической значимости 3σ (arXiv:2009.04363); коллаборация ATLAS пока остановилась на уровне 2σ (arXiv:2007.07830).
Вероятность этого распада не противоречит СМ, хотя при нынешней точности в 30–50% остается место и для сюрприза.
Связь бозона Хиггса с остальными частицами: ситуация по состоянию на весну 2018 года. Связь с некоторыми частицами обнаружена и измерена, связь с другими частицами еще только предстоит обнаружить. Изображение из доклада D. Sperka, Measurement of the mass and other couplings in ATLAS and CMS
Распад на c-кварк-антикварковую пару пока не зарегистрирован, поскольку на адронных коллайдерах его проявление очень трудно отличить от фоновых процессов. Текущие ограничения сверху (arXiv:2201.11428, arXiv:2205.05550) не слишком впечатляют: распад был бы заметен в нынешних данных, только если бы он протекал в десятки раз более интенсивно, чем в СМ.
Физикам потребуется не только существенно увеличить статистику, но и серьезно поработать над алгоритмами отбора событий, чтобы начать чувствовать этот распад.
