Бозон Хиггса — элементарная частица¶
Бозон Хиггса — элементарная частица, квант поля Хиггса, поля, существование которого предсказано в рамках Стандартной модели физики элементарных частиц и подтверждено экспериментально в 2012 году. Частица относится к классу бозонов со спином 0 (скалярный бозон), обладает массой около 125,1 ГэВ/с² и не имеет электрического заряда. Открытие бозона Хиггса стало завершением экспериментального подтверждения механизма спонтанного нарушения электрослабой симметрии, который объясняет возникновение масс у элементарных частиц.
¶Теоретическая основа
В середине 1960-х годов физики столкнулись с проблемой: квантовая теория поля, описывающая слабые и электромагнитные взаимодействия, не позволяла включить в неё массу частиц без нарушения релятивистской инвариантности. Решение было предложено независимо несколькими группами учёных. В 1964 году Питер Хиггс из Эдинбургского университета, Франсуа Энглер из Брюссельского свободного университета и Роберт Браут, а также Джеральд Гуральник, Карл Хаген и Том Киббл независимо друг от друга опубликовали работы, описавшие механизм, при котором скалярное поле, заполняющее всё пространство, взаимодействует с другими полями и передаёт им массу.
Суть механизма Хиггса состоит в следующем: вакуум в Стандартной модели не является «пустым» — он заполнен ненулевым значением поля Хиггса. Частицы, взаимодействующие с этим полем, приобретают эффективную массу, пропорциональную силе своего взаимодействия с ним. Частицы, не взаимодействующие с полем (например, фотон), остаются безмассовыми. Квант этого поля и есть бозон Хиггса.
¶Открытие
Экспериментальное подтверждение существования бозона Хиггса было получено на Большом адронном коллайдере (БАК) — ускорителе элементарных частиц, расположенном в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) под Женевой. 4 июля 2012 года на конференции в ЦЕРН было объявлено об обнаружении новой частицы с массой около 125 ГэВ/с², свойства которой согласовывались с предсказаниями теории бозона Хиггса. Об открытии почти одновременно объявили две крупные коллаборации, работавшие на детекторах ATLAS и CMS.
Для регистрации бозона Хиггса использовались столкновения протонов с энергией 7—8 ТэВ. Бозон Хиггса нестабилен и распадается за ничтожное время на другие частицы, поэтому его существование восстанавливали по продуктам распада — в частности, по паре фотонов и по парам бозонов W и Z. Оба канала распада показали статистически значимый сигнал, превышающий порог 5 сигм, принятый в физике как критерий открытия.
В 2013 году Питер Хиггс и Франсуа Энглер были удостоены Нобелевской премии по физике «за открытие механизма спонтанного нарушения электрослабой симметрии, который вносит вклад в наше понимание происхождения масс субатомных частиц».
¶Основные свойства
По данным ЦЕРН, измеренная масса бозона Хиггса составляет 125,25 ± 0,17 ГэВ/с². Согласно Стандартной модели, частица имеет нулевой спин и нулевой электрический заряд, чётность положительна. Бозон Хиггса — единственный известный элементарный бозон с ненулевой массой (глюоны и фотон безмассовы, бозоны W и Z получают массу иным способом — через взаимодействие с калибровочными полями).
Основные каналы распада бозона Хиггса с массой 125 ГэВ/с²:
| Канал распада | Относительная ветвь |
|---|---|
| bb̄ (адроны b-кварков) | ~58% |
| WW* (пара W-бозонов) | ~21% |
| gg (глюоны) | ~8% |
| τ⁺τ⁻ (пара тау-лептонов) | ~6% |
| cc̄ (адроны c-кварков) | ~3% |
| ZZ* (пара Z-бозонов) | ~2,6% |
| γγ (пара фотонов) | ~0,23% |
¶Исследования в России
Российские физики принимают участие в исследованиях бозона Хиггса с первых дней работы БАК. Институт физики высоких энергий в Протвино (ИФВЭ) — один из соучредителей ЦЕРН; СССР участвовал в создании ЦЕРН с 1954 года, а Россия продолжает членство. Российские учёные входят в коллаборации ATLAS и CMS и вкладывались в проектирование и строительство детекторов, в разработку электроники и программного обеспечения для обработки данных.
В 2010-х годах российские исследователи из ИФВЭ, МГУ, Новосибирского, Санкт-Петербургского и других институтов участвовали в измерении свойств открытой частицы — массы, спиновых характеристик, квантовых чисел, кросс-секций производства и ветвей распада. Совместно с ЦЕРН российские физики работают над созданием ускорителя будущего — ускорительно-накопительного комплекса на основе линейного электронно-позитронного коллайдера (FCC-ee), который позволит проводить точные исследования бозона Хиггса.
¶Значение
Открытие бозона Хиггса подтвердило последний недостающий элемент Стандартной модели и стало одним из крупнейших экспериментальных результатов физики элементарных частиц XXI века. Вместе с тем Стандартная модель не объясняет природу тёмной материи, тёмной энергии, барионной асимметрии Вселенной и гравитации, поэтому бозон Хиггса продолжает изучаться как возможный ключ к физике за пределами Стандартной модели — например, в моделях с суперсимметрией или с расширенным сектором Хиггса.
¶Источники
- ЦЕРН. Открытие бозона Хиггса и свойства частицы
- Статьи P. W. Higgs, F. Englert, G. Guralnik, C. R. Hagen, T. W. B. Kibble (1964)
- Результаты коллабораций ATLAS и CMS (Physical Review Letters, 2012)
- Институт физики высоких энергий (ИФВЭ), Протвино