Где искать бозон Хиггса?
Ровно год назад в CERN было принято решение продолжить работу Большого адронного коллайдера в 2012 году. За это время ученые надеются открыть неуловимый бозон Хиггса.
Современные исследования структуры материального мира требуют достижения все больших энергий, сообщаемых частицам материи. Одна из ключевых задач в этом направлении – доказательство существования бозона Хиггса. Именно этот бозон, как считают физики, отвечает за существование массы у всех материальных тел. Одно это открытие полностью оправдает все надежды, возлагаемые на Большой адронный коллайдер (LHC). Однако ускорительная техника, используемая в современной физике высоких энергий, вплотную приблизилась к пределу технических возможностей.
Прогресс в коллайдерной технике сегодня обеспечивается применением новых технологий, а не увеличением физического размера ускорителей – например, LHC построен в туннеле уже существовавшего ускорителя LEP. Этот процесс имеет свой естественный предел. Вместе с тем самый мощный «ускоритель» элементарных частиц – это ранняя Вселенная с ее квантовым начальным состоянием Большим взрывом и стадией инфляционного расширения.
Идея «использовать» этот «ускоритель» лежит в основе сформулированной А.Д.Сахаровым программы космомикрофизики. Это синтез космологии с (астро)физикой частиц и их наблюдательными программами. Современное понимание структуры микромира (Стандартная модель и электрослабое взаимодействие) предполагает, что новые экспериментальные открытия можно ожидать только на планковском масштабе квантовой гравитации – 1019 ГэВ на нуклон (или на несколько более низком масштабе великого объединения, возможно, подправленного суперсимметрией – примерно 1016 ГэВ). Такие энергии частиц абсолютно недостижимы на рукотворных ускорителях. Так что наиболее перспективным инструментом физики высоких энергий становится синтез данных, следующих из космологии и астрофизики и экспериментов на ускорителях. Это особенно важно в связи со спутниковыми программами WMAP и Planck и введением в действие Большого адронного коллайдера, на котором ожидается открытие хиггсовского бозона.
Общепризнанный в настоящее время сценарий происхождения Вселенной – Большой взрыв с последующей (начиная со времени 10-43 до 10-35 секунд после момента Большого взрыва) стадией инфляции, стадией экспоненциального расширения Вселенной. Именно на этой стадии Вселенная приобретает привычные нам и согласующиеся со всеми теперешними наблюдениями свойства: инфляция делает Вселенную плоской, однородной и изотропной, определяет ее размер и последующую эволюцию. Инфляционная теория и была придумана для того, чтобы всё это объяснить.
В 2008 году была высказана идея, что именно бозон Хиггса может быть источником инфляции – тот самый бозон, который является носителем скалярного поля, отвечающего за тёмную энергию, составляющую примерно 74% всей энергии Вселенной. Специальная модель космологической инфляции связывает бозон Хиггса с кривизной пространства-времени и считает эту частицу источником инфляционной стадии в ранней Вселенной. Квантовые эффекты тяжелых частиц Стандартной модели существенно модифицируют инфляционную динамику ранней Вселенной и влияют на характеристики наблюдаемого спектра реликтового излучения. По слабому красному наклону и амплитуде этого спектра на длине волны порядка 500 мегапарсек можно определить значение константы взаимодействия бозона Хиггса с кривизной пространства-времени и массу этой частицы – основную характеристику Стандартной модели.
Согласно недавно завершившимся исследованиям группы ученых Физического института им. П.Н.Лебедева РАН, Института теоретической физики им. Л.Д.Ландау РАН и Кёльнского университета, спектральный индекс космологических возмущений согласуется с наблюдениями, если хиггсовская масса лежит в интервале от 136 до 185 ГэВ, в пределах которого предполагается открытие хиггсовской частицы на LHC. Обе границы этого интервала определены из экспериментальных данных спутника WMAP, а не из чисто теоретических ограничений. По словам одного из авторов работы, ведущего научного сотрудника сектора теории элементарных частиц ФИАН, доктора ф.-м. наук Андрея Барвинского, открытие бозона Хиггса в этом интервале масс послужило бы подтверждением современной теории происхождения ранней Вселенной и ее связи со структурой материи на наиболее фундаментальном микроскопическом уровне. И показало бы единство картины мироздания, к пониманию которого исследователи двигаются с разных направлений, охватывающих космические спутниковые программы, астрономические наблюдения и коллайдерные эксперименты физики высоких энергий.
На семинаре, который прошел в CERN в декабре, обсуждались результаты экспериментов по поиску бозона Хиггса на детекторах ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) и CMS (Compact Muon Solenoid), основанные на анализе значительно большего количества данных, чем раньше. По мнению физиков, этого достаточно, чтобы говорить о значительных успехах в поиске бозона Хиггса, но недостаточно, чтобы сделать любое окончательное заявление о существовании или небытии этой неуловимой частицы. Но главное заключение состоит в том, что у «стандартного» бозона Хиггса, если он существует, наиболее вероятно будет масса, ограниченная диапазоном 116-130 ГэВ эксперименте ATLAS и 115-127 ГэВ – в CMS. В любом случае экспериментальных данных еще не достаточно, чтобы говорить о каком-либо открытии. Если этого не случится, то «поймать» бозон Хиггса можно будет только после 2013 года, поскольку коллайдер закроется на долговременный ремонт.
На рисунках: 1) Событие, показывающее четыре мюона (красные следы) от протон-протонного взаимодействия в эксперименте ATLAS на Большом адронном коллайдере. В этом случае речь идет о распаде каждого из двух Z-бозонов на два мюона. Согласно Стандартной модели, такие события возможны без частиц Хиггса, но, в то же время, могут указывать на их существование. Чтобы сделать однозначные выводы, необходимо проанализировать огромное количество подобных событий; 2) Пределы значений, где, по мнению российских и немецких физиков, находится масса бозона Хиггса (МН).
31 января 2012
