Бозон Хиггса заставили распасться самым редким способом: учёные получили новые доказательства Стандартной модели

С момента открытия бозона Хиггса в 2012 году прошло больше десяти лет. Казалось бы, главная цель достигнута: «частица Бога», отвечающая за наличие массы у элементарных частиц, найдена. Но для физиков это было лишь начало долгого и кропотливого расследования. Найти частицу — это одно. Понять, как именно она работает, — совсем другое. Сегодня учёные из коллаборации ATLAS на Большом адронном коллайдере (БАК) занимаются именно этим: они, словно детективы, изучают самые редкие и едва уловимые «улики» — распады бозона Хиггса, которые могут либо окончательно подтвердить наши знания о мире, либо указать на совершенно новую физику.

Недавние результаты, представленные на конференции EPS-HEP в Марселе, как раз из этой серии. Речь идёт о двух процессах, настолько редких, что их поиск похож на попытку услышать шёпот во время рёва толпы на стадионе. Но именно в этом шёпоте могут скрываться ответы на фундаментальные вопросы.

Зачем вообще искать иголку в стоге сена?

Представьте, что Стандартная модель — это детальная инструкция по сборке Вселенной. Она невероятно точна, но в ней есть пустые страницы: она не объясняет тёмную материю, тёмную энергию или почему гравитация так слаба. Бозон Хиггса — наш лучший кандидат на роль «ключа» к этим загадкам. Если его реальное поведение хоть немного отклоняется от предсказаний инструкции, значит, наша карта неполна, и за её пределами есть что-то новое.

Именно поэтому физики вглядываются в распад Хиггса на пару мюонов (H→μμ). Почему он так важен?

Мюоны — это как бы «старшие братья» электронов: они во всём похожи на них, только в 200 раз тяжелее. Они относятся ко второму поколению элементарных частиц. До сих пор мы уверенно наблюдали взаимодействие бозона Хиггса только с самыми «тяжеловесами» — частицами третьего поколения (например, топ-кварком и тау-лептоном). Подтверждение распада на мюоны — это первое твёрдое доказательство того, что Хиггс «работает» и с частицами полегче, из другого поколения. Это как убедиться, что закон всемирного тяготения действует не только на планеты, но и на яблоки.

Но есть проблема: такой распад происходит всего раз на 5000 случаев. Выделить его на фоне триллионов других событий на БАК — задача колоссальной сложности. И вот, объединив данные за несколько лет работы коллайдера, физики ATLAS добились успеха. Они зафиксировали сигнал с наблюдаемой значимостью в 3,4 стандартного отклонения (сигма). Что это значит на практике? Это означает, что вероятность того, что наблюдаемый ими сигнал — лишь случайная статистическая погрешность, составляет менее 1 к 3000. Это ещё не «открытие» (для которого требуется 5 сигма), но уже очень весомое «свидетельство». Стандартная модель снова выдержала проверку.

Петля в неизвестность: распад, который может изменить всё

Если распад на мюоны — это проверка уже написанных правил, то второй исследуемый процесс, H→Zγ (распад Хиггса на Z-бозон и фотон), — это попытка заглянуть за их пределы.

Этот распад ещё более экзотичен и редок. Его главная особенность в том, что он не происходит напрямую. Бозон Хиггса на кратчайший миг превращается в кипящий «суп» из виртуальных частиц, которые рождаются из ниоткуда и тут же исчезают. Эта «петля» из виртуальных частиц и порождает в итоге Z-бозон и фотон.

В чём же соль? В этой виртуальной петле могут на мгновение появиться не только известные нам частицы, но и любые другие, гипотетические и очень тяжёлые частицы, которые предсказываются теориями «новой физики». Если они существуют, они оставят свой крошечный след — слегка изменят вероятность этого распада. Таким образом, измеряя этот процесс с высочайшей точностью, физики косвенно ищут то, что напрямую увидеть на коллайдере пока невозможно. Это один из самых изящных методов поиска физики за пределами Стандартной модели.

С последними данными ATLAS повысила чувствительность этого поиска до рекордного уровня. Хотя наблюдаемый избыток событий (2,5 сигма) пока не дотягивает до статуса свидетельства, главное здесь другое: учёные создали невероятно точный инструмент. Они теперь могут измерять этот процесс лучше, чем когда-либо, а значит, сильнее «затягивать петлю» вокруг возможных теорий новой физики, отсеивая те, что не соответствуют реальности.

Искусство отбора: как отделить сигнал от шума

Достижения ATLAS стали возможны не только благодаря мощности БАК, но и благодаря виртуозной работе самих физиков. Их методы анализа данных напоминают работу реставратора, который слой за слоем снимает пыль веков с древней фрески.

Во-первых, они объединили огромные массивы данных, собранные за годы работы коллайдера (сеансы Run 2 и Run 3). Больше данных — чётче сигнал.

Во-вторых, они разработали сложнейшие компьютерные модели, которые с невероятной точностью описывают все «фоновые» процессы — тот самый «шум», который маскирует искомый сигнал. Зная, как выглядит шум, его можно гораздо эффективнее вычесть.

И в-третьих, были усовершенствованы алгоритмы отбора событий. Компьютер в реальном времени анализирует продукты столкновений и отбирает только те, которые по своим характеристикам (энергии, траектории частиц) похожи на искомый редкий распад.

Что дальше? Терпение и больше данных

Новые результаты — это важный шаг, но не финал истории. Они показывают, что Стандартная модель удивительно крепка, но в то же время оставляют лазейки для чего-то нового. Расследование продолжается. Большой адронный коллайдер будет работать ещё много лет, накапливая статистику и позволяя физикам вглядываться во всё более редкие и тонкие процессы.

Каждый новый результат, даже подтверждающий старую теорию, сужает область поиска для новой физики. И кто знает, возможно, в одном из следующих, ещё более редких «призрачных» распадов бозона Хиггса нас ждёт открытие, которое навсегда изменит наше представление о Вселенной. Охота продолжается.