Цифровой журнал «Компьютерра» № 149

- На LHC сталкиваются протоны, а хиггсовский бозон рождается, в основном, при взаимодействии глюонов, содержащихся в протонах. Затем хиггсовский бозон распадается на пары WW^*, ZZ^* бозонов, пары тяжёлых кварков-антикварков , пары лептонов, в пару фотонов и другие моды. Конечные частицы регистрируются в детекторе, и по их энергии и углам рассчитывается масса распавшейся частицы. Например, строится распределение по инвариантной массе двух фотонов. Их рождается очень много, и подавляющее большинство не имеет никакого отношения к хиггсовскому бозону, поэтому они дают некоторое плавное распределение по инвариантной массе.

Фотоны же от распада хиггсовского бозона дают пик в этом распределении при массе хиггсовского бозона. На LHC этот «пик» составляет всего пару процентов от подложки. Именно из-за наличия фоновых процессов так трудно выделить события хиггсовского бозона. Некоторые каналы распада вообще невозможно выделить из-за фоновых процессов. Это является большим недостатком протонных коллайдеров. На них легче, чем на электрон-позитронных коллайдерах, достичь высокой энергии (поскольку они мало излучают при движении в кольце), но труднее выделить редкий процесс, поскольку протоны имеют довольно большие размеры, часто сталкиваются, разваливаются, создавая фоны.

Для детального изучения нужен электрон-позитронный коллайдер. Для рождения хиггсовского бозона достаточно суммарной энергии 240 ГэВ. Хиггсовский бозон будет рождаться в процессе. Фоны будут очень незначительными, можно будет легко измерить вероятности распада Хиггса в различные состояния. Можно даже изменить вероятность распада в невидимые состояния, регистрируя Z бозон и вычисляя недостающую массу.

Сейчас рассматриваются два варианта электрон-позитронного коллайдера: линейный и кольцевой. Преимущество линейного коллайдера в том, что на нём можно достигнуть существенно более высокой энергии, примерно до 3000 ГэВ. На кольцевом же коллайдере продвинуться выше 300 ГэВ практически невозможно из-за больших потерь энергии на синхротронное излучение. На какую энергию строить электрон-позитронный коллайдер, зависит от того, что обнаружат на LHC. Для этого нужно подождать ещё несколько лет, пока на LHC наберут достаточно статистики на максимальной энергии 2E=14 ТэВ.

- Рассчитывают ли учёные на какую-то новую физику от изучения свойств бозона Хиггса? Совпадают ли свойства бозона Хиггса с теми, что прогнозировались Стандартной моделью?

- Набранных данных пока достаточно только для открытия этой частицы, что это не статистическая флуктуация. Тем не менее можно сказать, что количество обнаруженных частиц и вероятности распада по зарегистрированным каналам близки к предсказаниям самого простого варианта модели хиггсовского бозона, хотя есть некоторые отличия.

Требуется большая точность (больше данных), чтобы делать выводы о том, согласуются ли свойства Хиггса с предсказанными. Любые отклонения будут свидетельствовать о новой физике, будут подсказкой, в каком направлении двигаться дальше.

- Что будет, если все ожидания подтвердились и исследовать здесь больше нечего? Куда будет двигаться физика элементарных частиц? Как будут искать физику за пределами Стандартной модели?

- Вообще-то, хиггсовский бозон — это далеко не конец физики частиц. Это, конечно, хорошо, что нашли недостающее звено Стандартной модели. Однако есть задача ещё более захватывающая. Совсем недавно удалось определить среднюю плотность Вселенной и её состав.

Получилось, что все известные виды материи составляют только около 5 процентов плотности Вселенной. В основном, это барионы (протоны, нейтроны, ядра), а также электроны, фотоны, нейтрино. Около 25 процентов — это «тёмная материя», какие-то неизвестные частицы, которые так же, как и обычная материя, сконцентрированы в галактиках. Это весьма твёрдо установленный факт. Для того чтобы удержать звёзды во вращающихся галактиках (включая наш Млечный Путь), необходима примерно в 5-6 раз большая масса, чем та, что наблюдается в галактиках (звёзды и межзвёздный газ).

Оставшиеся 70 процентов плотности Вселенной составляет «тёмная энергия», некая равномерно распределённая по Вселенной субстанция (возможно, вакуум), вызывающая антигравитацию на больших масштабах и ускоренное расширение Вселенной. Так что и искать новую физику не надо, она есть налицо, а не какие-то малые отклонения от Стандартной модели. Можно считать, что природа просто бросила вызов физикам!