Как искали Бозон Хиггса
4 июля 2012 года в Женеве состоялся научный семинар, который подытожила следующая за ним пресс-конференция. Руководство ЦЕРНа огласило обобщенные результаты поиска бозона Хиггса, полученные в ходе обработки экспериментальных данных за 2011-2012 годы. С очень большой вероятностью неуловимая частица найдена. О том, как происходили поиски бозона Хиггса, и в чем заключается важность открытия, рассказали сотрудники ФИАН, участвующие в двух главных экспериментах Большого Адронного Коллайдера (БАК) - CMS и ATLAS.
В результате столкновения протонов во встречных пучках Большого Адронного Коллайдера рождается множество вторичных частиц. Среди них есть относительно долгоживущие частицы, которые могут пролететь сантиметры и метры, а есть короткоживущие, которые, практически не успев отойти от точки своего рождения, распадаются на другие частицы. Бозон Хиггса - крайне короткоживущая частица, она живет ничтожно короткое время и очень быстро распадается. Вариантов распада, или как их называют специалисты, каналов распада, довольно много. Например, в одном случае "частица Бога" может распасться на два Z-бозона (которые в дальнейшем распадаются на 4 лептона), в другом - на два гамма-кванта. Это вероятностный процесс, поэтому предсказать заранее, на какие частицы в каждом конкретном случае распадется искомый бозон, нельзя.
"Детекторы на БАКе не могут зарегистрировать бозон Хиггса напрямую, но продукты его распада, которые живут достаточно долго для того, чтобы быть зарегистрированными, могут. Например, лептоны, на которые распадаются Z-бозоны. Однако, и в этом заключается одна из основных проблем, те же самые частицы, на которые распадается Хиггс, могут быть рождены и в результате совершенно других процессов, которые к Хиггс-бозону никакого отношения не имеют. И таких процессов гораздо больше, чем процессов с рождением и распадом бозона Хиггса", - рассказывает участник эксперимента ATLAS, старший научный сотрудник ФИАН, кандидат физ.-мат.наук Владимир Тихомиров.
Однако когда на руках у археологов имеются найденные спустя много лет кусочки древней вазы или другой диковинной вещи, они могут восстановить её внешний вид. Так и здесь, имея в арсенале массы и энергии частиц - продуктов распада, ученые могут восстановить массы родительских частиц, в результате распада которых они образовались. Но тут вновь загвоздка. Дело в том, что теория, в рамках которой предсказывается существование бозона Хиггса, - Стандартная Модель, - массу этого бозона не предсказывает.
Решение этой проблемы следующее. Ученые строят распределение масс частиц, то есть число событий, в которых рождаются частицы с определенными массами, восстановленными по характеристикам возможных продуктов распада, например, пары гамма-квантов. Большинство событий в этом распределении являются фоновыми, поскольку бОльшая часть регистрируемых пар никакого отношения к бозону Хиггса не имеет. Но если среди всех этих пар гамма-квантов действительно есть те, которые являются результатом распада искомого бозона, то эти пары, с точностью до аккуратности измерений, будут каждый раз давать одну и ту же массу. Тогда на фоновом распределении, составленном из случайных событий, в районе массы искомой частицы будет наблюдаться некий избыток событий в виде дополнительного пика.
Такое же распределение можно построить и для других возможных каналов распада Хиггс-бозона. И если на нем обнаружится пик с тем же значением массы, что и на предыдущем, то это будет свидетельствовать в пользу явной закономерности, за которой, вполне вероятно, кроется бозон Хиггса. Для того, чтобы определить, насколько вероятно, что мы действительно имеем дело с продуктами распада бозона Хиггса, а не со статистическими флуктуациями, привлекают теорию вероятности. Для определения степени достоверности результата ученые должны определить, с какой вероятностью можно случайным образом получить такой же избыток событий в виде дополнительного пика, выходящего за рамки фонового распределения.
Степень статистической достоверности результата принято указывать в количестве так называемых сигма, которые характеризуют размах распределения вероятностей. Чем больше сигм, тем меньше вероятность того, что событие уйдет за пределы распределения случайным образом. Например, для 3 сигма такая вероятность составляет примерно 0.3%, то есть случайно такое возможно примерно в трех случаях из тысячи. Результатом, достойным доверия, в научном сообществе договорились считать только тот результат, который соответствует 5 сигма и больше. Что касается бозона Хиггса, то согласно представленным совместным результатам экспериментов CMS и ATLAS, вероятность того, что избыток событий в одной и той же области масс будет случайным образом получен в результате обработки данных о распаде как на два Z-бозона, так и на два гамма-кванта, меньше 10-6, что соответствует 5 сигма. При этом наиболее вероятное значение массы бозона Хиггса равно примерно 126,5 ГэВ - согласно данным коллаборации ATLAS, и 125,3±0,6 ГэВ - согласно данным CMS.
"Важность открытия бозона Хиггса определяется тем, что это - единственная из еще не найденных частиц в так называемой Стандартной модели, описывающей взаимодействия всех известных частиц во Вселенной. Более того, она играет специальную роль, определяя массы всех других частиц, движущихся в хиггсовом поле. Тем самым, находится объяснение загадке столь различных масс, начиная от нейтрино и заканчивая топ-кварком", - комментирует участник коллаборации CMS, главный научный сотрудник ФИАН, доктор физ.-мат.наук Игорь Дремин.
