|
Редкий распад бозона Хиггса указывает на новую физику
|
|
|
|
Физики элементарных частиц впервые обнаружили новый распад бозона Хиггса, выявив небольшое несоответствие в предсказаниях Стандартной модели и, возможно, указав на новую физику за ее пределами. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters. Бозон Хиггса, предсказанный теоретически еще в 1960-х годах, был наконец обнаружен в 2012 году в лаборатории ЦЕРН в Европе. Как квантовое поле оно пронизывает все пространство, в котором движутся другие частицы, приобретая массу за счет взаимодействия с полем Хиггса, которое грубо можно представить как своего рода сопротивление их движению. Многие свойства бозона Хиггса, в том числе то, как он взаимодействует с другими частицами и связанными с ними полями, уже измерены и соответствуют предсказаниям Стандартной модели. Но один из режимов распада Хиггса, который еще предстояло исследовать, заключался в теоретическом предсказании о том, что бозон Хиггса может время от времени распадаться и производить фотон, квант света, и Z-бозон, который представляет собой незаряженную частицу, которая вместе с двумя W-бозонами передает слабая сила.
|
|
|
|
Ученые из коллабораций ATLAS и CMS в ЦЕРНе использовали данные протон-протонных столкновений, полученные в ходе второго запуска с 2015 по 2018 год, для поиска этого конкретного распада Хиггса Z + фотона. Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРНе — это ускоритель частиц высоких энергий недалеко от Женевы, Швейцария, который заставляет протоны циркулировать в противоположных направлениях, заставляя их сталкиваться в определенных точках детектора миллионы раз в секунду. В этом эксперименте энергия столкновения двух протонов составила 13 триллионов электронвольт, что чуть ниже максимального тока машины, который в более относительных единицах составляет 2,1 микроджоуля. Это примерно кинетическая энергия среднего комара или крупинки соли, движущейся один метр в секунду. Теория предсказывает, что примерно 15 раз на 10 000 распадов бозон Хиггса должен распадаться на Z-бозон и фотон, что является самым редким распадом в Стандартной модели. Он делает это, сначала создавая пару топ-кварков или пару W-бозонов, которые затем распадаются на Z и фотон.
|
|
|
Коллаборация Atlas/CMS, в которой приняли участие более 9000 ученых, обнаружила «коэффициент ветвления» или долю распадов, равную 34 раза на 10 000 распадов, плюс-минус 11 на 10 000, что в 2,2 раза превышает теоретическое значение. Измеренная доля слишком велика — на 3,4 стандартных отклонения выше теоретического значения, но это число все еще слишком мало, чтобы исключить статистическую случайность. Тем не менее, относительно большая разница намекает на возможность существенного расхождения с теорией, которое может быть связано с физикой, выходящей за рамки Стандартной модели, — новыми частицами, которые являются посредниками, отличными от топ-кварка и W-бозонов. Одной из возможностей физики за пределами Стандартной модели является суперсимметрия, теория, которая постулирует симметрию (отношения) между частицами с полуспином, называемыми фермионами, и целочисленным спином, называемыми бозонами, при этом каждая известная частица имеет партнера со спином, отличающимся от обычного. на полуцелое число.
|
|
|
|
Многие физики-теоретики уже давно являются сторонниками суперсимметрии, поскольку она могла бы решить многие загадки, которые мучают Стандартную модель, такие как большая разница (1024) между сильными сторонами слабого взаимодействия и гравитации или почему масса бозона Хиггса составляет около 125 гигаэлектронвольт (ГэВ) — это намного меньше энергии Великого объединения, равной примерно 1016 ГэВ. В эксперименте массивный Z-бозон распадается примерно за 3*10^-25 секунд, задолго до того, как достигнет детектора. Поэтому экспериментаторы компенсировали это, взглянув на энергию двух электронов или двух мюонов, которые может произвести распад Z, требуя, чтобы их совокупная масса была больше 50 ГэВ, что составляет значительную часть массы Z, равной 91 ГэВ. «Этот очень хороший результат получен совместно с коллаборацией CMS. Согласно предсказанию Стандартной модели, это самое редкое конечное состояние бозона Хиггса, первые доказательства которого мы получили», — сказал Андреас Хекер, представитель коллаборации ATLAS.
|
|
|
|
«Распад происходит через квантовые петли и поэтому чувствителен к новой физике аналогично, но не совсем так, как двухфотонный распад, который способствовал открытию бозона Хиггса ATLAS и CMS в 2012 году». «Этот результат впечатляет по нескольким причинам», — добавила Моника Данфорд из коллаборации ATLAS Physics. «Мы можем экспериментально измерить с такой точностью эти очень редкие процессы. Они являются мощной проверкой Стандартной модели и возможных теорий, выходящих за ее пределы». Данфорд добавляет, что группы получили новые данные во время третьего запуска в ЦЕРН, который начался в июле 2022 года, с общей энергией 13,6 ТэВ. Еще больше данных будет получено от Большого адронного коллайдера высокой светимости, который обеспечит примерно в пять раз больше протон-протонных столкновений в секунду. Планируется, что HL-LHC заработает в 2028 году. «Эти результаты являются предварительным представлением того, чего мы сможем достичь в дальнейшем», — сказал Данфорд.
|
|
|
|
Источник
|
