Шон Кэрролл - Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира
Например, два взаимодействующих глюона изобразим двумя входящими волнистыми линиями. Эти колебания глюонного поля возбуждают колебания поля кварков, которые могут рассматриваться как пара кварк-антикварк. Поскольку в каждом случае это один кварк и один антикварк, суммарный заряд и число участвующих кварков равно нулю, что согласуется с аналогичными характеристиками первоначальных глюонов. Эти кварки – виртуальные частицы – играют роль посредников, и они обречены на исчезновение прежде, чем появятся в детекторе частиц. Одна пара соответствующих друг другу кварка и антикварка встречается и уничтожает друг друга, а другая пара встречается и порождает бозон Хиггса. В этом процессе участвуют все виды кварков, но наибольший вклад вносят истинные кварки (самые тяжелые кварки), так как они взаимодействуют с бозоном Хиггса сильнее всего. Все это можно точно описать с помощью пары строчек страшных математических формул, а можно вместо этого изобразить на одной понятной диаграмме.
Фейнмановская диаграмма, описывающая слияние двух глюонов и образование бозона Хиггса через промежуточную стадию рождения виртуальных кварков.
Диаграммы Фейнмана дают нам забавный и наглядный способ отследить, что может произойти, когда частицы сойдутся для взаимодействий. Физики, однако, используют их для очень прагматичных целей расчета квантовой вероятности изображаемого взаимодействия. Каждая диаграмма соответствует значению вероятности, которое потом вычисляется с помощью ряда простых правил. На первый взгляд эти правила способны ввести в заблуждение, например движущаяся назад во времени частица считается античастицей, и наоборот. Когда две частицы встречаются, чтобы породить третью (или одна частица распадается на две), полная энергия и все другие сохраняющиеся величины должны быть сбалансированы. Но виртуальные частицы – те, что рождаются и исчезают внутри диаграммы, но не присутствуют в исходном наборе частиц или среди продуктов реакции, – не обязаны иметь ту же массу, которую закон сохранения накладывает на реальную частицу. Правильный способ прочтения приведенной мною диаграммы таков: два колебания глюонного поля складываются вместе и создают колебания кваркового поля, которые в конечном итоге приводят к колебаниям поля Хиггса. А на самом деле мы видим две встречающиеся частицы-глюона, при столкновении рождающие бозон Хиггса.
Первым человеком, понявшим, что «слияние глюонов» – возможный способ создания хиггсовских бозонов, был Фрэнк Вильчек. Этот американский теоретик в значительной степени сформировал наше представление о сильных взаимодействиях. Свою работу по сильным взаимодействиям он сделал, еще будучи аспирантом, в 1973 году, и именно за нее и получил Нобелевскую премию (совместно с двумя другими физиками). В 1977 году Вильчек работал в Принстонском университете, но летом решил побывать в лаборатории Ферми, в Фермилабе. Даже великим мыслителям приходится сталкиваться с житейскими проблемами, и как-то раз Вильчеку пришлось целый день ухаживать за больными – женой Бетси Дивайн и маленькой дочерью Эмити. Когда жена и дочь вечером наконец спокойно заснули, Вильчек отправился побродить по территории Фермилаба и подумать о физике. В то время основная структура Стандартной модели уже, как выразился Вильчек, «в значительной степени сложилась», но свойства бозона Хиггса еще оставались относительно мало исследованными. Со времен своей дипломной работы он испытывал большую нежность к глюонам и их взаимодействиям, и, гуляя, он вдруг понял, что глюоны предоставляют отличный способ получить хиггсовские бозоны (и что бозон Хиггса, в свою очередь, может распасться на глюоны). Сейчас, 35 лет спустя, выяснилось, что этот процесс является самым главным способом образования бозона Хиггса на БАКе. Во время той же прогулки у Вильчека появилась еще одна идея – идея «аксиона», гипотетического более легкого двоюродного брата Хиггса, из которого, как считается сегодня, скорее всего состоит темная материя Вселенной. Этот эпизод показывает, как иногда бывают важны для научного прогресса долгие, неспешные прогулки.
В Приложении 3 мы обсудим различные способы взаимодействия частиц в рамках Стандартной модели и соответствующие каждому способу диаграммы Фейнмана. Обсуждение будет не столь глубоким, чтобы по его окончании вы смогли защитить диссертацию по физике, но, надеюсь, достаточным, чтобы дать общее представление. Одно должно быть ясно: с этим придется повозиться. Легко сказать: «Мы сталкиваем протоны друг с другом и ждем, что появится бозон Хиггса», на самом деле здесь очень много работы – нужно сесть и сделать расчеты. Когда все сказано и сделано, мы понимаем, что есть несколько различных процессов, в которых на БАКе могут родиться хиггсовские бозоны: слияние двух глюонов (которое мы только что обсуждали); аналогичное слияние W+– и W−-бозонов или двух Z-бозонов, или кварка и антикварка; рождение W– или Z-бозона, которые выплевывают хиггсовский бозон, а затем продолжают двигаться дальше. Детали зависят от массы бозона Хиггса, а также от энергии исходных столкновений. Надо сказать, расчет подходящих процессов обеспечил физиков-теоретиков работой по-полной.
Частицы на выходе
Итак, вы получили бозон Хиггса! Примите поздравления. Теперь начинается самое интересное: как вы об этом узнаете?
Тяжелые частицы, как правило, стремятся развалиться, а бозон Хиггса по-настоящему очень тяжелый. По оценкам, время его жизни несколько меньше цептосекунды (10-21 секунды), а значит, до своего распада он пролетит меньше нескольких миллиардных долей сантиметра. Даже с очень совершенными детекторами, такими как ATLAS и CMS, невозможно увидеть такой трек. Вместо этого мы увидим то, на что бозон Хиггса распадается. Еще мы увидим много частиц, на которые распадаются другие частицы – не бозон Хиггса, и многие из них выглядят так же, как продукты распада бозона Хиггса. Проблема заключается в том, как выделить крошечный сигнал на фоне огромных шумов.
В качестве первого шага нужно выяснить, на что именно бозон Хиггса будет распадаться и как часто. В общем, бозон Хиггса больше взаимодействует с тяжелыми частицами, так что мы могли бы ожидать, что он часто распадается на истинный и прелестный кварки, W– и Z-бозоны, и тау-лептон и реже – на более легкие частицы, например на верхние и нижние кварки и электроны. И это в основном так и есть, хотя и здесь есть свои тонкости (наверное, вы и не думали, что их не будет).
Вероятность появления бозона Хиггса с массой 125 ГэВ, распадающегося на различные частицы. Из-за округления сумма всех вероятностей не равна в точности 100 %.
Во-первых, бозон Хиггса не может развалиться на что-то более тяжелое, чем он сам. Он, конечно, может временно превратиться в более тяжелые виртуальные частицы, которые сами быстро распадаются, но такие процессы становятся очень редкими, если виртуальные частицы намного тяжелее, чем исходный бозон Хиггса. Если масса бозона Хиггса была бы равна 400 ГэВ, он бы легко разваливался на истинный и антиистинный кварки, каждый с массой 172 ГэВ. Но для более правдоподобного значения массы бозона Хиггса – примерно 125 ГэВ – получить истинные кварки при его распаде невозможно, и скорее всего он будет распадаться на прелестные кварки. Это одна из причин того, почему более тяжелые версии бозона Хиггса (до 600 ГэВ) на самом деле было бы гораздо легче найти, даже если это потребовало бы для их создания большей энергии – вероятность распада на тяжелые частицы гораздо выше.
На рисунке показана круговая диаграмма, дающая приблизительное соотношение вероятностей различных механизмов распада бозона Хиггса с массой 125 ГэВ, рассчитанных по Стандартной модели. Бозон Хиггса будет большую часть времени распадаться на прелестный и антипрелестные кварки, но есть и ряд других важных каналов распада. Хотя при значении массы бозона Хиггса 125 ГэВ его трудно обнаружить, но как только мы это сделаем, появится огромное количество интересной физики – мы исследуем каждый механизм распада отдельно и сравним его вероятность с теоретическими предсказаниями. Любое отклонение будет намеком на то, что физика вышла за пределы Стандартной модели: например, появились какие-то новые частицы или необычные взаимодействия. Мы на самом деле даже уже увидели намеки на то, что такие отклонения наблюдались.
Однако мы пока еще не закончили. Обратимся опять к нашему обсуждению детекторов частиц, которое было проведено в главе 6, где мы рассмотрели, как разные слои детектора-луковицы помогают нам идентифицировать различные частицы – электроны, фотоны, мюоны и адроны. Теперь посмотрим опять на эту круговую диаграмму. Более 99 % времени бозон Хиггса распадается не на то, что мы непосредственно наблюдаем в нашем детекторе, а на нечто, которое в свою очередь тоже распадается (или преобразуется) уже на что-то другое, и это что-то мы в конечном итоге и регистрируем. Это делает жизнь сложнее – или иначе – интересней – все зависит от вашей точки зрения.
