Недавние измерения данных ЦЕРН, похоже, не согласуются с предсказаниями стандартной модели о том, как распадается бозон Хиггса, хотя для подтверждения наблюдений необходим дальнейший анализ.
В июле 2012 года физики на короткое время стали объектом всеобщего внимания общественности, присущего обычно звездам кино и музыки. Солидные международные издания объявили об открытии малоизвестной субатомной частицы под названием бозон Хиггса, также (и очень ошибочно) известной как “частица Бога”. Бозон Хиггса был впервые предложен в 1964 году в качестве объяснения того, почему субатомные частицы, такие как электроны, обладают массой.
Шумиха вокруг бозона Хиггса в СМИ утихла довольно быстро. Однако в физическом сообществе все только разгоралось. Хотя физики были почти уверены, что нашли бозон Хиггса, они не были уверены на все 100%. Данные были предварительными и для полного успеха, необходимо было провести перекрестные проверки. В течение последующего десятилетия многие измерения подтвердили их первоначальное утверждение.
Недавнее измерение, проведенное учеными, анализирующими данные, записанные в лаборатории ЦЕРН в Европе, может рассказать новую историю. (Полное раскрытие информации: я являюсь одним из авторов статьи, в которой сообщается об этом наблюдении).
Согласно принятой теории, бозон Хиггса может распадаться несколькими различными способами, причем каждый распад происходит с разной скоростью. Многие из предсказанных распадов уже наблюдались и их скорости были измерены, и данные хорошо согласуются с предсказаниями. Однако один конкретный способ распада до недавнего времени не наблюдался. Это распад бозона Хиггса на фотон (например, высокоэнергетическую версию обычного света) и Z-бозон (частицу, похожую на свет, но более тяжелую). Z-бозоны очень нестабильны и распадаются за крошечную долю секунды.
Теория предсказывает, что на каждые 10 000 распадов бозона Хиггса должно приходиться 15 распадов на Z-бозон и фотон. Поскольку бозоны Хиггса сами по себе редки, найти этот конкретный распад очень сложно.
Чтобы повысить шансы увидеть этот редкий распад, ученые объединили данные с двух гигантских детекторов: ATLAS и CMS. Вместе мы нашли доказательства того, что наблюдали распад бозонов Хиггса на Z-бозоны и фотоны. Но, к нашему удивлению, скорость распада оказалась гораздо выше, чем ожидалось. Согласно их измерениям, этот распад происходит примерно 34 раза из каждых 10 000 распадов бозонов Хиггса. Это в 2,2 раза больше теоретического значения.
Что же это может означать? Может быть это просто статистическая случайность. Такие вещи случаются в реальных физических измерениях. Но это также может означать, что исследователи видят первые намеки на неизвестную физику.
Бозоны Хиггса не распадаются напрямую на Z-бозон и фотон. Фактический распад – это многоступенчатый процесс. Например, бозон Хиггса распадается на пару очень тяжелых частиц, называемых топ-кварками. После этого один из топ-кварков испускает Z-бозон, и этот кварк сливается с другим, превращаясь в фотон. По сути, этот процесс представляет собой небольшую петлю из топ-кварков, которая разделяет бозон Хиггса и два продукта распада. Петля из топ-кварков – не единственный способ, с помощью которого может происходить распад. Другие частицы тоже могут быть частью петли.
И это одно из возможных объяснений наблюдаемого избытка такого рода распадов бозона Хиггса. Возможно, существуют неизвестные частицы – те, которые еще не открыты, – которые также могут образовывать петлю распада. Таким образом, наблюдение избыточных событий, в которых образуются Z-бозоны и фотоны, может быть первым намеком на то, что происходит нечто неожиданное.
Тем не менее, делать какие-либо заявления о том, что этот наблюдаемый избыток является открытием, еще слишком рано, и в статье таких заявлений не делается. Во-первых, мы должны быть уверены, что наблюдаемый показатель не просто случайность, а единственный способ сделать это – получить больше данных. По сути, “случайный сценарий” – это сценарий, который вы можете легко воспроизвести: возьмите монету и подбросьте ее 10 раз. Хотя вы ожидаете получить равное количество орлов и решек, 10 орлов могут выпасть чисто случайно. Однако если вы подбросите монету 100 раз, то вероятность получить ожидаемое разделение 50 на 50 будет гораздо выше. Возможно, все, что было замечено, является подобной статистической причудой.
Поэтому исследователи будут продолжать анализировать новые данные. Недавно опубликованные данные были собраны в период с 2015 по 2018 год. Данные, полученные в последующие годы, надеюсь, помогут решить, было ли наблюдаемое превышение статистической случайностью или нет.
Количество данных, которые еще предстоит проанализировать, примерно в два раза больше, чем указанные в недавней статье, так что этот вопрос должен быть решен в ближайшее время. Кроме того, ускоритель ЦЕРН модернизируется, и в течение нескольких лет ученые рассчитывают регистрировать в 30 раз больше данных, чем было получено до сих пор. После такого увеличения объема информации мы узнаем, было ли недавнее измерение намеком новой физики или нет.
Доктор Дон Линкольн – старший научный сотрудник Fermilab, соавтор более 1500 научных статей . Был членом команд, открывших топ-кварк в 1995 году и бозон Хиггса в 2012 году.
Читайте также: Первое экспериментальное доказательство самого ужасающего варианта конца Вселенной – распад ложного вакуума