Откриването на Хигс бозона в Големия адронен колайдер (LHC) на ЦЕРН през 2012 г. отбеляза важен етап във физиката на елементарните частици. Оттогава насам колаборациите ATLAS и CMS усърдно изследват свойствата на тази уникална частица и търсят да установят различните начини, по които тя се получава и се разпада на други частици.

На конференцията по физика на Големия адронен колайдер (LHCP) тази седмица ATLAS и CMS съобщават как са се обединили, за да намерят първите доказателства за редкия процес, при който Хигс бозонът се разпада на Z бозон, електрически неутралния носител на слабата сила, и фотон, носителя на електромагнитната сила. Това разпадане на Хигс бозона може да предостави косвено доказателство за съществуването на частици извън предсказаните от Стандартния модел на физиката на елементарните частици.

Разпадът на Хигс бозона на Z бозон и фотон е подобен на този на разпад на два фотона. При тези процеси Хигс бозонът не се разпада директно в тези двойки частици. Вместо това разпадът протича чрез междинен "цикъл" от "виртуални" частици, които се появяват и изчезват и не могат да бъдат директно открити. Тези виртуални частици биха могли да включват нови, все още неоткрити частици, които взаимодействат с Хигс бозона.

Стандартният модел предвижда, че ако Хигс бозонът има маса от около 125 милиарда електронволта, приблизително 0,15 % от Хигс бозоните ще се разпаднат на Z бозон и фотон. Но някои теории, които разширяват Стандартния модел, предвиждат различна скорост на разпад. Следователно измерването на скоростта на разпадане дава ценни сведения както за физиката извън Стандартния модел, така и за природата на Хигс бозона.

По-рано, използвайки данни от протон-протонни сблъсъци в LHC, ATLAS и CMS независимо един от друг са осъществили обширно търсене на разпада на Хигс бозона на Z бозон и фотон. И двете търсения са използвали сходни стратегии, като са идентифицирали Z бозона чрез разпадането му на двойки електрони или мюони - по-тежки версии на електроните. Тези разпади на Z бозона се наблюдават в около 6,6 % от случаите.

Диаграми на Файнман, с които е показано как Хигс бозонът се разпада на двойки тежки векторни бозони (a), двойки фермион-антифермион (b) и двойки фотони или Zγ (c,d). Кредит: The CMS Collaboration

При тези търсения събитията от сблъсъка, свързани с разпадането на Хигс бозона (сигналът), ще бъдат идентифицирани като тесен пик върху гладък фон от събития в разпределението на комбинираната маса на продуктите от разпадането. За да се повиши чувствителността към разпада, ATLAS и CMS използват най-честите режими, при които се произвежда Хигс бозон, и категоризират събитията въз основа на характеристиките на тези производствени процеси. Те също така използват усъвършенствани техники за машинно обучение, за да направят допълнително разграничение между сигнални и фонови събития.

В ново проучване ATLAS и CMS обединяват усилията си, за да увеличат максимално резултатите от търсенето си. Чрез комбиниране на наборите от данни, събрани от двата експеримента по време на втория цикъл на работа на LHC, който се проведе между 2015 и 2018 г., колаборациите значително са увеличили статистическата точност и обхвата на своите търсения.

В резултат на тези съвместни усилия са открити първите доказателства за разпадането на Хигс бозона на Z бозон и фотон. Резултатът има статистическа значимост от 3,4 стандартни отклонения, което е под общоприетото изискване от 5 стандартни отклонения, за да се твърди, че има наблюдение. Измерената скорост на сигнала е с 1,9 стандартни отклонения над прогнозата на Стандартния модел.

"Всяка частица има специална връзка с Хигс бозона, поради което търсенето на редки разпади на Хигс е с висок приоритет", отбелязва координаторът по физика на ATLAS Памела Ферари. "Чрез педантична комбинация от индивидуалните резултати на ATLAS и CMS направихме крачка напред към разгадаването на още една загадка на Хигс бозона."

"Съществуването на нови частици би могло да има много значителен ефект върху редките режими на разпад на Хигс", посочва координаторът по физика на CMS Флоренсия Канели (Florencia Canelli). "Това изследване е мощна проверка на Стандартния модел. С текущия трети цикъл от работата на LHC и бъдещия High-Luminosity LHC ще можем да подобрим прецизността на този тест и да изследваме все по-редки разпади на Хигс."

Как частиците придобиват маса в полето на Хигс

Eдна опростена аналогия:
Представете си, че цялата Вселена е пълна до горе с пластична глина, през която си проправят път безмасовите частици – по по-бързите изпитват по-малко съпротивление, по-бавните – стават по-масивни, а тези, които се движат със скоростта на светлината минават, без да бъдат повлияни.

Източник: Experiments see first evidence of a rare Higgs boson decay, CERN

Още по темата

15/05/2023

Физика

Защо виртуалните частици не съществуват, но обясняват реалността - засега

11/04/2023

Физика

Загадката на Хигс бозона: Когато природата се противопоставя на очакванията

08/11/2022

Физика

Как Хигс бозонът може да разкрие съдбата на нашата Вселена

06/07/2022

Физика

Големият адронен колайдер откри 3 нови екзотични частици, невиждани досега