Бозон Хиггса — одну из важнейших составляющих Стандартной модели элементарных частиц — открыли в 2012 году в результате исследований на Большом адронном коллайдере (БАК). С тех пор физики пытались выяснить, почему масса находки столь мала и есть ли другие элементарные частицы. Наконец, физик из Санкт-Петербурга Сергей Афонин смог теоретически предсказать существование еще одного бозона Хиггса.
По предложенной модели, он должен быть примерно в четыре раза тяжелее обычной «частицы Бога». Эта работа поможет заполнить целый ряд пробелов в Стандартной модели, которая описывает взаимодействие всех элементарных частиц, и, возможно, приблизит ученых к разгадке тайны темной материи.
В «матрице» мироздания
Стандартная модель позволяет ученым описывать происходящие вокруг нас процессы на уровне мельчайших частиц, предсказывать пока неизвестные свойства материи и пробовать «создать» новые. Ее можно назвать своеобразным описанием «матрицы» нашего мироздания на микроуровне. Эта теория о строении и взаимодействии элементарных частиц основывается на небольшом количестве постулатов, многократно и с точностью до сотых долей процента подтверждавшихся в экспериментах.
Наблюдение в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) ранее предсказанного бозона Хиггса — «частицы Бога», с которой могла начаться Вселенная, — как будто завершило эпоху открытий фундаментальных элементарных частиц. На самом же деле вопросов к Стандартной модели меньше не стало — она может объяснить далеко не все явления.
Например, ученым неясно, почему во Вселенной почти нет антивещества, нейтрино имеют хоть и ничтожно малую, но ненулевую массу, вакуум Стандартной модели выглядит метастабильным (измеренная масса частицы Хиггса лежит в узкой области между границами стабильности и нестабильности вакуума), а масса бозона Хиггса относительно невелика, хотя ожидаемый вклад от квантовых поправок на очень малых расстояниях должен вести к гигантским значениям этой массы. Наконец, остается загадкой природа темной материи.
Сколько весит «ничто»?
«Есть довольно старая, но все еще привлекательная идея, что существуют другие бозоны Хиггса, которые влияют на “стандартный”. Расширение Стандартной модели хотя бы на одну такую частицу потенциально может “одним махом” объяснить вышеупомянутые несостыковки. На эту тему есть немало работ, однако здесь остро встает вопрос о величине массы второго бозона Хиггса, так как от нее решающим образом зависит то, как именно можно решить имеющиеся проблемы на уровне количественных предсказаний, а также понять, по каким признакам искать такую частицу в экспериментах на Большом адронном коллайдере», — рассказал автор новой работы и руководитель проекта, профессор кафедры физики высоких энергий и элементарных частиц, руководитель лаборатории теории ядра и элементарных частиц имени В. А. Фока Санкт-Петербургского государственного университета Сергей Афонин.
Его теоретическая модель позволила предсказать массу второго гипотетического бозона Хиггса. В основе концепции лежит идея о том, что бозон Хиггса может быть составной частицей, части которой очень сильно связаны, наподобие того, как кварки сильно связаны внутри протонов и нейтронов.
Идею «композитного Хиггса» часто используют для решения проблемы стабилизации его массы, обеспечивая «защиту» от быстро растущего вклада квантовых поправок — иными словами, величина массы стабилизируется размером «внутренних частей». При очень сильной связи «структурных частей» между собой могут появляться некоторые универсальные характеристики, что, при определенных предположениях, позволяет описывать систему без знания конкретной природы этих «частей».
В квантовой теории поля на этом основан так называемый голографический подход, изначально возникший в теории струн. Именно в рамках такого подхода и была построена модель. Сначала, в совместной работе исследователя с коллегами, ее успешно протестировали на описании масс известных легких частиц, составленных из кварка и антикварка, где также имеет место сильная связь составных частей, а затем применили к Стандартной модели.
Расчеты показали, что второй бозон Хиггса имеет массу примерно в четыре раза больше первого, однако доказать его существование еще предстоит. Более того, эпитет «частица Бога», скорее всего, к ней вряд ли применим в том же смысле, как к стандартному бозону Хиггса.
Антипод Бога
«Современный уровень согласия теории и эксперимента показывает, что частицы Стандартной модели напрямую не взаимодействуют или почти не взаимодействуют с какими-то другими гипотетическими частицами. Исключение составляет бозон Хиггса, для которого на это пока нет сильных экспериментальных ограничений. Это указывает на то, что из частиц Стандартной модели второй бозон Хиггса, скорее всего, заметно взаимодействует только с известным бозоном Хиггса, поэтому в образовании масс других элементарных частиц не участвует. Тогда эта частица, по определению, не является бозоном Хиггса», — пояснил Сергей Афонин.
Он предложил более интригующий вариант — она действительно бозон Хиггса, но не в нашем «светлом» мире наблюдаемых элементарных частиц, а в «темном» мире ненаблюдаемых частиц темной материи.
«Тогда, если уж прибегать к популярным метафорам, ее, вероятно, было бы точнее называть не второй “частицей Бога”, а “частицей антипода Бога”. Если она существует, и физики научатся экспериментально наблюдать ее эффекты, то мы как бы приоткроем портал в мир темной материи, находясь в земной лаборатории», — предположил ученый.
К истокам хаоса
В настоящее время эффекты темной материи наблюдают только в космологических масштабах. Например, именно она ответственна за «хаос» в наблюдаемых законах движения звезд во многих галактиках. Причем, по современным данным, ее общая масса почти в пять раз превышает массу обычной материи.
По словам физика, весьма неожиданным в предсказанном значении массы второго бозона Хиггса стало то, что она практически в точности соответствует максимальной вероятности распада такой частицы на топ-кварк и топ-антикварк — самых тяжелых частиц в нынешней Стандартной модели. При этом масса обычного бозона Хиггса соответствует максимальной вероятности распада на глюоны — переносчики сильного взаимодействия, являющиеся, как и фотон, безмассовыми векторными бозонами.
«В будущем было бы интересно исследовать подмеченное соответствие, что могло бы дать новые, независимые аргументы в пользу существования второго бозона Хиггса с предсказанной массой, а следовательно, сильнее мотивировать физиков к его целенаправленному поиску в планируемых экспериментах на Большом адронном коллайдере», — резюмировал Сергей Афонин.
Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Physics Letters B.
Высокие энергии
В июле 2012 года ученые, проводящие исследования на Большом адронном коллайдере, объявили о своем триумфе. Физики разрешили проблему, над которой бились более 40 лет. Предсказанная Питером Хиггсом новая «неуловимая» фундаментальная частица подтвердилось.
В 2021 году физики, работающие на детекторе CMS Большого адронного коллайдера, измерили время жизни бозона Хиггса. Если вкратце, эта нестабильная субатомная частица существует в среднем порядка триллионной миллиардной доли секунды.
Исследования продолжаются, БАК и другие ускорители частиц помогают в новых открытиях. В частности, ученые добились создания капель кварк-глюонной плазмы (она считается первичным веществом, которым было заполнено все пространство сразу после Большого взрыва).
В России сейчас на базе Объединенного института ядерных исследований в Дубне создается новый ускорительный комплекс NICA (Nuclotron based Ion Collider fAcility). После запуска ученые смогут воссоздать в лабораторных условиях особое состояние вещества, в котором пребывала наша Вселенная первые мгновения после Большого Взрыва, — кварк-глюонную плазму (КГП). Установка мирового уровня класса «мегасайенс» создается благодаря национальному проекту «Наука и университеты».
