Аналізуючи дані, зібрані експериментом CMS під час другого сезону роботи Великого адронного колайдера, колаборації фізиків вперше вдалося виміряти час життя бозона Хіггса. Він вписався у передбачення Стандартної моделі та допоможе обмежити взаємодію бозона Хіггса з іншими частинками. Препринт з результатами експерименту доступний на сторінці колаборації CMS, а коротко про деталі визначення часу життя бозона Хіггса повідомляє CERN.
CERN
Звідки взявся бозон Хіггса?
Стандартна модель дає елегантний опис взаємодіям всіх елементарних частинок. Це ферміони, які є будівельними блоками матерії, та бозони, які є носіями фундаментальних електрослабких та сильних взаємодій, здатних пов'язувати ферміони разом. Крім того, Стандартна модель постулює — існує механізм, відповідальний за появи в елементарних частинок мас. Ним і став бозон Хіггса — частинка поля, взаємодія з яким наділяє всі без винятку частинки масою.
Майже півстоліття він вислизав з рук вчених та не давав жодних експериментальних доказів свого існування, але врешті-решт був виявлений у 2012 році на Великому адронному колайдері колабораціями ATLAS та CMS. Масу частинки оцінили у приблизно 125 гігаелектронвольтів. І з огляду на унікальну роль бозона Хіггса у Стандартній моделі, тобто фізиці, якою ми її знаємо, детальне вивчення його властивостей є основною метою, адже будь-яке відхилення від теорії вкаже на існування фізики за межами моделі.
Як виміряти час життя частинки?
Крім маси, ще однією фундаментальною властивістю частинок є час їхнього життя. З усіх відомих Стандартної моделі частинок, лише деякі є стабільними, а більшість, у тому числі бозон Хіггса, існують доволі короткий час, доки не розпадуться на інші, більш легкі частинки. Передбачений Стандартною моделлю час його життя дорівнює приблизно 1,6x10^-22, а затим у бозона Хіггса є багато можливих шляхів розпаду. Наприклад, на два лептони і фотон, який передбачали теоретично і лише нещодавно експериментально підтвердили.
На жаль, навіть передбаченого теоретично часу життя бозона Хіггса не вистачить, щоб його можна було виміряти безпосередньо в детекторі. Частинка пролітає надто невелику відстань, щоб була можливість безпосередньо підтвердити, що бозон Хіггса дійсно має такий короткий час життя.
Поки що експериментальні вимірювання цього параметра відрізняються на дев'ять порядків від передбачень Стандартної моделі. Зробити їх допоміг один із фундаментальних принципів квантової механіки – принцип невизначеності Гейзенберга. Він забезпечує прямий зв'язок між часом життя частинки та невизначеністю, з якою відома її маса. Цей розкид маси називається шириною розпаду — такий собі діапазон можливих мас бозона Хіггса, який обернено пропорційний його часу життя. Однак у цієї частинки він приблизно у 200 разів менший, ніж необхідно, щоб його міг зафіксувати детектор. Звідси й такі далекі від передбачених значення.
Тому фізики вирішили підійти до вимірів з іншого боку та використати спосіб, у який відбувається розпад бозона Хіггса на інші частинки, щоб визначити час його життя.
То скільки живе бозон Хіггса?
У квантовій механіці частинка, що бере участь у взаємодії, може бути або « у масовій оболонці», що означає, що вона має свою номінальну масу, або «поза масовою оболонкою», що означає, що її маса може набувати довільного значення. Тобто чи перевищує інваріантна маса калібрувальних W-і Z-бозонів, що народжуються при розпаді бозона Хіггса, суму їхніх фізичних мас, чи ні. Наприклад, при розпаді бозона Хіггса на оболонці на пару W-і Z-бозонів з масами близько 80 і 91 гігаелектронвольт відповідно, один з них повинен бути поза масовою оболонкою — мати відмінну від номінальної масу. І навпаки, як тільки бозон Хіггса утворюється поза оболонкою з досить великою інваріантною масою, W- та Z-бозони утворюються на оболонці. Це дозволяє принцип невизначеності Гейзенберга. І власне порівняння швидкостей утворення частинок у розпаді поза оболонкою та на оболонці дозволяє виміряти час життя бозона Хіггса, що і зробили дослідники.
Імовірність виявити такий народжений поза оболонкою бозон Хіггса становить лише 10 відсотків від усіх можливих сценаріїв подій утворення бозона Хіггса, пропонованих Стандартною моделлю. Проте проаналізувавши дані другого сезону роботи Великого адронного колайдера з 2016 по 2018 роки, вченим вдалося знайти свідоцтво про утворення бозонів Хіггса поза оболонкою з його розпадів на два нейтральних векторних Z-бозони, які потім розпадалися на чотири заряджені лептони або два заряджені лептони та два нейтрино.
Виявлені розпади бозона Хіггса, які свідчили про його утворення на масовій оболонці, підтверджуються з ймовірністю понад 99,9 відсотка (3,6 стандартного відхилення). Так вдалося виміряти ширину його розпаду, яка вказала — час життя бозона Хіггса складає 2,1×10^-22 секунди, що у рамках експериментальної похибки збігається з передбаченням Стандартної моделі.
Більше про Стандартну модель та роль у ній бозона Хіггса ми розповідали у нашому матеріалі «Суперфізика та надмеханізми».