|
Изобретая будущее исследований бозона Хиггса
|
|
|
|
В 1975 году трое теоретиков ЦЕРН, Джон Эллис, Мэри К. Гайяр и Дмитрий Нанопулос, предприняли первое всестороннее исследование коллайдерной феноменологии бозона Хиггса. Почти 40 лет спустя он был обнаружен на БАК. Можем ли мы сейчас, десять лет спустя, обладать таким долгосрочным предвидением, чтобы предвидеть различные пути, по которым могут пойти будущие исследования бозона Хиггса? 4 июля 2022 года, когда я наслаждался множеством прекрасных презентаций на симпозиуме Higgs@10, в моих ушах постоянно звенела фраза: «Совместимо с предсказаниями Стандартной модели (СМ)». Звенели тревожные звоночки. Действительно? Мы уверены? Является ли бозон Хиггса СМ-подобным или нет — это вопрос, который определит экспериментальное будущее исследований бозона Хиггса.
|
|
|
|
Мы можем дать количественный ответ на языке теории эффективного поля, которая является математическим выражением идеи о том, что наиболее эффективный способ описания объекта зависит от масштаба длины, с которого вы его смотрите. Для астронавтов Земля очень эффектно описывается как гладкая сфера. Для летних студентов, отправляющихся в Ле Рекюле, это не так. То же самое и с квантовым миром. Далекий от нейтрального атома, он фактически выглядит как точечная частица с некоторыми оставшимися мультиполярными взаимодействиями с фотонами. На более коротких расстояниях, попадающих среди электронов, это описание совершенно не работает.
|
|
|
То же самое с Хиггсом. Что бы там ни происходило, при энергиях, достаточно близких к mh, оно эффективно описывается как точечная частица с горсткой дополнительных «операторов», которые представляют собой по существу новые взаимодействия частиц, не содержащиеся в СМ (не фигурирующие в эта кружка или футболка), но включают частицы СМ. На глаз астронавт может разглядеть какие-то особенности на Земле и предположить, что там могут быть горы, но на самом деле он не может оценить набор высоты учениками. Точно так же операторы бозона Хиггса, не относящиеся к СМ, могут зафиксировать отдаленные остаточные эффекты микроскопических внутренностей бозона Хиггса, но не раскрыть их во всей красе в деталях. Если все эти дополнительные операторы исчезают, бозон Хиггса подобен СМ. Давайте рассмотрим два отобранных примера и выясним, насколько СМ похож на бозон Хиггса...
|
|
|
|
Насколько он "нечеткий"? Является ли он точечным вплоть до мельчайших масштабов расстояний или, подобно пиону, состоит из других, пока не идентифицированных новых частиц? В последнем случае, как и в случае с пионами и составляющими их кварками и глюонами, непосредственное наблюдение нового материала потребует перехода к более высоким энергиям. В качестве альтернативы, он может быть точечным, но при ближайшем рассмотрении он может выявить контрольные признаки облака новых частиц, с которыми он взаимодействует. Для вашего интереса оператор, который может зафиксировать эти свойства, записывается как (µ|H|2)2. Если он исчезает, бозон Хиггса полностью точечный. Если нет, то это более нечетко, чем ожидалось. Насколько размыто? Нынешние измерения взаимодействия бозона Хиггса на LHC предполагают, что оно эффективно точечно вплоть до масштаба длины, который всего лишь в три раза ниже электрослабого масштаба. Это все еще может быть очень нечетким! Пушистый, как пион. Если да, то вряд ли SM-подобный Хиггс! Мы должны работать лучше, и, благодаря гораздо более точным измерениям связи на уровне 0,2%, будущая фабрика бозона Хиггса, такая как FCC-ee, сможет определить, является ли бозон точечным вплоть до уровня 6%.
|
|
|
|
Считает ли бозон Хиггса привлекательным? Да, согласно СМ. Новые частицы означают новые силы, и отсюда следует, что если бозон Хиггса взаимодействует с новыми тяжелыми частицами, они будут генерировать новую силу между бозоном Хиггса и им самим. Оператор, эффективно фиксирующий это, — |H|6, и он буквально формирует то, как поле Хиггса сообщало массу частицам во время самого зарождения нашей Вселенной! Итак, насколько самопритяжение Хиггса похоже на SM? При нынешних экспериментальных ограничениях мы знаем, что самопритяжение Хиггса может быть на 530% сильнее, чем значение СМ (не просто самопритяжение, больше похожее на откровенное тщеславие) или даже на -140% меньше (самоотталкивающее, больше похожее). Вряд ли это похоже на SM в любом случае! Чтобы иметь хоть какое-то представление о том, похоже ли влечение к себе на SM, мы должны сделать намного лучше. Будущие установки, такие как FCC-hh, CLIC или мюонный коллайдер, могли бы исследовать самопритяжение на гораздо более точном уровне 5%.
|
|
|
|
Терпение — добродетель; самоуспокоенность нет. Слишком рано говорить о бозоне Хиггса в баре. Кто знает, может быть, нам даже преподнесут нечто совершенно неожиданное, вроде нового окна в темный сектор вселенной. Чтобы по-настоящему изучить все аспекты природы бозона Хиггса, понять, является ли он подобным СМ, потребуется время (измеряемое десятилетиями) и много тяжелой работы. Но это можно и нужно сделать. Это экспериментальное будущее исследований бозона Хиггса, которого мы с нетерпением ждем.
|
|
|
|
Тем не менее, не секрет, что многие теоретики ожидали, что бозон Хиггса будет гораздо менее похож на СМ, чем это уже кажется. Почесав затылки, теоретический государственный переворот сейчас тихо происходит. Были веские причины ожидать чего-то другого: главным образом проблема иерархии. Эта проблема не просто эстетическая. СМ разрушается при высоких энергиях, в конечном итоге делая патологические предсказания, поэтому она может быть только эффективным описанием теории поля на больших расстояниях чего-то более фундаментального. Если, как это было в случае с пионами, масса Хиггса определяется более фундаментальными параметрами, то для бозона Хиггса нет механизма, позволяющего сохранять его легче, чем шкала масс новых частиц в этой теории. Тем не менее, коллайдеры говорят нам, что существует разрыв между массой бозона Хиггса и массой этих новых частиц. В прошлом это мотивировало открытие и разработку новых механизмов для объяснения светового бозона Хиггса, таких как почитаемая низкомасштабная суперсимметрия, которая до сих пор не появлялась на вечеринке по физике LHC, с сопутствующим бозоном Хиггса, не похожим на СМ.
|
|
|
|
Грубо разбуженные потоком сюжетов исключения, неохотно понюхав кофе, теоретики в последние годы выдвинули то, что вполне могло оказаться революционным теоретическим развитием. Проблема иерархии не исчезла, как и данные, так что другие фундаментальные предположения, тайно внедренные в старые теории, часто связанные с симметрией или эстетическими принципами, такими как простота или минимальность, были подвергнуты допросу и признаны недостаточными. В ответ были разработаны бесстрашные новые классы теорий, которые могут решить проблему иерархии, но при этом согласуются со всеми этими надоедливыми схемами исключения. Они варьируются от относительно скромных концептуальных корректировок существующих структур до отказа от эстетических принципов, а затем и до попыток связать массу Хиггса с происхождением Вселенной, космологией, природой Большого взрыва и , в крайнем случае, предположения о возможных связях между массой Хиггса и существованием самой жизни. Вы называете это, мы смело идем.
|
|
|
|
Это не свершившийся факт. Ни одна из этих идей не является столь же опьяняющей, как суперсимметрия, и не настолько ошеломляющей, как дополнительные измерения, каждая из которых оставляет у тех, кто их изучает, больше чувства «наблюдай за этим пространством», чем «эврика», которой наслаждался Архимед. По-разному, они недостаточно радикальны, слишком радикальны или просто не по вкусу. Пока нет момента Златовласки. Однако, на мой взгляд, эти вопросы вселяют надежду. В подобные моменты в прошлом мы, по сути, были на правильном пути, и нам приходилось ждать немного дольше, чем ожидалось, подтверждающих экспериментальных данных (верхний кварк). В других случаях правильные идеи были слишком радикальными для большинства, чтобы переварить их за один присест (квантовая механика). Тем не менее, для других правильные подходы слишком долго томились в относительной безвестности просто потому, что не соответствовали моде (квантовая теория поля). Посмотрите записи о цитировании оригинальных статей Браута-Энглера, Хиггса, Гуральника-Хагена-Киббла или «Модели лептонов» Вайнберга, которые лежат в основе физики бозона Хиггса, и вы увидите, что это важные примеры. что нам не мешало бы помнить. Природа не давала обещаний, что понять происхождение бозона Хиггса будет легко, и не должно быть так в будущем, но история учит, что те, кто исследует неустанно и бесстрашно, часто награждаются величайшим призом из всех: правдой.
|
|
|
|
Куда все это пойдет в ближайшие годы? Хватит ли у нас настойчивости, чтобы построить ускоритель, детекторы и деревню, необходимые для измерения самопритяжения Хиггса или открытия нечеткости бозона Хиггса? Откроют ли некоторые отважные теоретики дверь к фундаментальной теории за пределами СМ? Смогут ли будущие феноменологи заложить первые фундаментальные камни на пути к его открытию? Как сказал Деннис Габор, изобретатель голографии: «Будущее нельзя предсказать, но будущее можно изобрести». Мы работаем над этим.
|
|
|
|
Источник
|
