Експериментаторите от Големия адронен колайдер търсят следи от раждането на двойки частици бозони на Хигс.

Откриването на голям брой двойни Хигс бозони може да е знак, че съществуват частици или сили извън Стандартния модел, и също така да помогне да се обясни дисбалансa на материята и антиматерията във Вселената, а също и дали има повече измерения на пространството от познатите ни три.

За физиците, които се опитват да разширят Стандартния модел на елементарните частици, регистрирането на Хигс бозона се превърна в сладко-горчив триумф, пише Science magazine.

Дълго търсената частица бе открита през 2012 г. в най-големия ускорител, Големия адронен колайдер (Large Hadron Collider - LHC), изпълвайки последната празнина в Стандартния модел на фундаменталните частици и сили. Оттогава досега Стандартният модел издържа всеки тест и никакви признаци за нова физика не се появиха. (вж "Стандартният модел на елементарните частици")

Самият Хигс бозон може да предложи изход от задънената улица

Хигс бозонът играе важна роля в Стандартния модел, който описва как десетки различни частици взаимодействат с трите сили: електромагнетна, слаба и силна ядрена сила. Моделът не обяснява гравитацията и съществуването на тъмната материя. Силите в модела възникват поради определени математически симетрии на пространството и времето (вж "Пространствено-времеви трансформации и закони за съхранение. Теорема на Ньотер"). Тази математика работи само докато частиците не придобиват маса. Масата трябва да възникне в резултат на взаимодействието между безмасовите частици.

Тук се появява "божественият" Хигс. Физиците предполагат, че в космическия вакуум се крие полето на Хигс. Частиците взаимодействат с полето, за да произведат енергия и чрез известното уравнение на Алберт Айнщайн E = mc ², масата.

Този механизъм на Хигс получи твърда подкрепа преди 6 години, когато експериментатори, работещи с двата най-големи детектора на частици ATLAS и CMS, разбиха частица 133 пъти по-тежка от протона. Частицата се разпадна, както се предполага за бозона на Хигс - на двойки фотони. Но физиците не са сигурни дали са наблюдавали Хигс бозона от Стандартния модел или нещо съвсем различно.

Събитията на двойно раждане на Хигс бозони обещават начин да кажат със сигурност колко силно взаимодейства полето на Хигс със себе си. Електрическото поле изчезва, ако няма заряд, но полето на Хигс винаги се запазва във вакуума, иначе не би могло да даде маса на другите частици.

Стандартният модел предполага, че това се случва с полето на Хигс, което взаимодейства със себе си и достига минимума на своята енергия не когато изчезва, а приемайки ненулева стойност.

_{Свикнали сме да наричаме минимума на потенциалната енергия “вакуум” . Но в случая на потенциал с отрицателно µ²<0, вакуумът не отговаря на нулевата стойност на полето, а за стойност v.}

Математически има много начини за създаване на такава схема и Стандартният модел използва най-простия, контролиран от един параметър. Този параметър прогнозира скоростта, с която трябва да се появят двойките Хигс при сблъсъка на частиците и дава на физиците начин да тестват Стандартния модел.

Два Хигс бозона е по-добре от един

Стандартния модел прогнозира, че на всеки 10 000 сблъсъци на протони в Големия адронен колайдер, които произвеждат един бозон на Хигс, който приблизително на шест бозона ще даде двойка. Раждането на два Хигс едновременно трябва да създаде хаотични потоци други частици, което прави още по-трудно да откриването им. Големият адронен колайдер вероятно е произвел около 1000 събития на раждане на двойки Хигс бозони, но ATLAS и CMS все още не могат да се справят с пресяването на сигнала от фоновия шум.

Въпреки това експериментаторите са оптимисти, особено с подобряването на методите им за определяне на Хигс бозоните. Миналия месец те обявиха, че са открили особено "замръсен" режим на разпад, в който Хигс бозона поражда двойка масивни частици, наречени дънни кварки (вж "Един неуловим разпад на Хигс бозона бе наблюдаван най-сетне"). И това се случва в 60% от всички разпадания. Това е добър знак за търсенето на двойни бозони.

Появата на двойки Хигс бозони може да е полезна при търсенето на нови явления във физиката, пише сайтът на американския ускорител на частици Fermilab. 

Например, в опит да се разбере защо гравитацията е толкова по-слаба от другите сили, учените използват Хигс бозони, за да изследват идеята, че има повече измерения на пространството от трите, които познаваме. (вж "Как доказването на Суперсиметрията може да промени разбирането ни за Вселената")

^{Тази Файнманова диаграма показва протонен сблъсък, при който се получава двойка Хигс бозона, които се разпадат на по два дънни кварка. Souvik Das, Caterina Vernieri, Jacobo Konigsberg, Andrea Rizzi}

Един клас модели на повече от 3 измерения на пространството прогнозира съществуването на тежки гравитони. Това са хипотетични частици, които пренасят гравитационното взаимодействие, По принцип се смята, че те нямат маса, но ако съществуват допълнителни измерения, тогава е възможно поне някои форми на гравитоните да са масивни. (вж "Бозоните и фундаменталните взаимодействия")

Тежките гравитони биха се разпаднали и един от възможните начини на разпад ще бъде на два бозона на Хигс. Хигс бозоните сами по себе си са нестабилни и те също се разпадат най-често на двойки дънни кварки. Учените в CMS търсят събития, при които са произведени четири дънни кварка, по два за всеки два бозона на Хигс. 

След внимателен преглед на данните, това, което учените откриха, съвпада напълно с прогнозите на Стандартния модел: Те не откриха тежки гравитони и следи от 5-то измерение с точност 95%.

Ще минат години преди да уловим двоен Хигс. А може би не?

Сега може да са нужни години, докато се забележи сигнала. Първо, тази година LHC спира за две години за модернизация.

^{Огромният CMS детектор на LHC ще търси двойни-Хигс събития. CERN}

През 2026 г. ще претърпи още едно 2-годишно прекъсване, за да увеличи скоростта на сблъсъците. Колайдерът с висока яркост на светлината (LHC High-Luminosity) ще работи до 2034 г. Някои учени смятат, че само един пълен работен цикъл ще даде достатъчно данни за тестване на Стандартния модел. Някои физици обаче смятат, че могат да оптимизират този график, тъй като техните алгоритми за разпознаване на Хигс бозоните продължават да се подобряват. Катерина Верниери (Caterina Vernieri) от експеримента CMS в Fermilab заяви, че ще могат да се доближат до прогнозите на Стандартния модел преди старта на LHC High-Luminosity.

Разбира се, всички експериментатори в ЦЕРН се надяват, че честотата на събитията на генериране на двойки бозони на Хигс ще надхвърли прогнозите на Стандартния модел. Тя не може да бъде прекалено висока, защото съществуват преки ограничения, установени при наблюденията на разпада на Хигс", обяснява Елени Вриониду (Eleni Vryonidou), теоретичен физик от ЦЕРН.

Въпреки това, тя вярва, че честотата на появата на двойни Хигс бозони може да бъде 6 пъти по-висока, отколкото прогнозира Стандартният модел.

Подобно покачване на честотата би означавало силно самовъздействащо си поле на Хигс и може да има последици далеч извън физиката на частиците, коментира Марсела Карена (Marcela Carena), теоретик от Fermilab. Физиците не знаят защо ранната Вселена завършва с повече материя, отколкото антиматерия. Но Карена смята, че внезапната поява на силно самовъздействащо си поле на Хигс може да е причината за този дисбаланс.

Още по темата

29/08/2018

Физика

Един неуловим разпад на Хигс бозона бе наблюдаван най-сетне

06/06/2018

Физика

Хигс бозонът с най-тежката частица в най-силното взаимодействие може да обясни откъде идва масата

05/04/2018

Физика

Запознайте се с Хигс балона, който ще унищожи Вселената. Може би.

07/08/2016

Физика

Хигс бозонът се появи отново, докладваха на конференцията в Чикаго