Бозон Хиггса

По результатам независимых экспериментов ATLAS и CMS, наблюдаемая частица обладает следующими свойствами^[4][5]:

• масса — приблизительно 125,1 ГэВ/c² (примерно в 133 раза больше массы протона);
• спин — 0 (что отличает её от всех прочих открытых элементарных частиц);
• электрический заряд — 0;
• чётность — положительная (P = +1);
• среднее время жизни — порядка 10⁻²² с;
• полная ширина распада — около 4 МэВ (теоретическое значение Стандартной модели);
• основные каналы распада — на пару b-кварк/анти-b-кварк (≈ 58%), пару W-бозонов (≈ 21%), пару глюонов (≈ 8 %), пару тау-лептонов (≈ 6%), пару Z-бозонов (≈ 2,6%) и два фотона (≈ 0,2%).

Все обнаруженные особенности частицы согласуются с параметрами скалярного бозона, предсказанного Стандартной моделью^[2].

Появление массы у частицы благодаря бозону Хиггса удобно понимать на языке классического потенциала поля Хиггса. Обозначим комплексное скалярное поле как φ; тогда его потенциальная энергия записывается в виде

V(φ) = −μ² |φ|² + λ |φ|⁴,

где λ > 0, а параметр μ² при обычных условиях также положителен. Такая функция имеет форму «мексиканской шляпы»: значение φ = 0 неустойчиво, а минимум достигается при |φ| = v/√2 с так называемым вакуумным средним v ≈ 246 ГэВ^[6].

Раскладывая поле около минимума в виде φ = (v + h)/√2, где h(x) — физическое отклонение от вакуума, для массы кванта поля h — то есть бозона Хиггса — получаем простую оценку:

m_H = v √(2λ).

Подставляя измеренное значение m_H ≈ 125 ГэВ и v ≈ 246 ГэВ, получаем самосогласованное значение λ ≈ 0,13. Таким образом, единственный свободный параметр хиггсовского потенциала фиксируется экспериментом^[2].

Массы фермионов возникают через так называемое юкавское взаимодействие с полем Хиггса. Если y_f — константа связи фермиона f с полем, то его масса равна

m_f = y_f v/√2.

Отсюда сразу видно, что тяжёлые частицы (топ-кварк, m ≈ 173 ГэВ) связаны с полем Хиггса «сильно» (y_t ≈ 1), а лёгкие (электрон, m ≈ 0,5 МэВ) — «слабо» (y_e ≈ 3·10⁻⁶). Именно эта иерархия юкавских констант и составляет одну из главных нерешённых загадок Стандартной модели^[6].

С момента формулировки теории и вплоть до 2012 года бозон Хиггса оставался единственной ненайденной частицей Стандартной модели. Верхняя и нижняя оценки его массы получались из анализа радиационных поправок к процессам, наблюдаемым на предшествующих коллайдерах — Большом электрон-позитронном коллайдере в ЦЕРН(Европейская организация по ядерным исследованиям, обладающая крупнейшей в мире лаборатории физики высоких энергий) и Тэватроне в Национальной лаборатории им. Ферми^[3]. К моменту запуска Большого адронного коллайдера прямые поиски и косвенные ограничения сузили область допустимых масс примерно до диапазона 115—160 ГэВ.

4 июля 2012 года на специальном научном семинаре в ЦЕРН представители двух независимых коллабораций — ATLAS и CMS — доложили о наблюдении новой частицы с массой около 125—126 ГэВ и статистической значимостью порядка 5σ^[3][8]. Первоначальная формулировка была осторожной — «частица, совместимая с бозоном Хиггса», — поскольку требовалось подтвердить её квантовые числа и характер взаимодействия с другими полями. К весне 2013 года анализ дополнительных данных подтвердил: обнаруженная частица имеет спин 0 и положительную чётность, а её распады согласуются с предсказаниями Стандартной модели^[5].

Ключевую роль в идентификации частицы сыграли два «чистых» канала распада: на пару фотонов и на четыре лептона (через промежуточное состояние двух Z-бозонов). Оба канала имеют малую вероятность, но обеспечивают наиболее точное восстановление массы частицы. Установить существование бозона Хиггса стало возможным благодаря энергии столкновений протонов на БАК (7—8 ТэВ в центре масс на этапе Run-1), а также колоссальной статистике: за это время в детекторах было зарегистрировано более 10¹⁵ протон-протонных столкновений^[8].

Открытие бозона Хиггса имеет несколько принципиальных следствий^[2][5]:

1. Оно завершило экспериментальное построение Стандартной модели — все её частицы к настоящему моменту наблюдались.
2. Оно подтвердило, что в природе действительно реализуется механизм спонтанного нарушения электрослабой симметрии, отвечающий за появление масс у W-бозона и Z-бозона.
3. Оно позволяет напрямую исследовать взаимодействие частиц с квантом скалярного поля — новую разновидность фундаментального взаимодействия.
4. Дальнейшее прецизионное изучение параметров бозона Хиггса открывает возможность поиска отклонений от Стандартной модели и, следовательно, «новой физики» — суперсимметричных партнёров, дополнительных хиггсовских дублетов, эффектов тёмной материи и т. д.

После 2015 года БАК был выведен на энергию 13—13,6 ТэВ, что позволило накапливать статистику распадов бозона Хиггса значительно быстрее. К середине 2020-х годов коллаборации ATLAS и CMS с высокой точностью измерили константы связи частицы Хиггса с топ-кварком, b-кварком, тау-лептоном, а также с W- и Z-бозонами; все измерения согласуются с предсказаниями Cтандартной модели в пределах экспериментальных погрешностей^[4]. Ведутся поиски редких распадов (в частности, распадов на пару мюонов и на «невидимые» частицы, что могло бы указать на связь с тёмной материей), а также парного рождения хиггсовских бозонов, чувствительного к самодействию поля Хиггса. Эти поиски пока дают ограничения на константу самодействия и тем самым на форму хиггсовского потенциала^[9].

Российские научные центры участвуют в анализе данных БАК; вклад вносят коллективы НИЯУ МИФИ, ИЯИ РАН, ОИЯИ (Дубна), Петербургский институт ядерной физики, ИФВЭ и других организаций^[4][3].

Несмотря на согласие данных с теорией, вокруг бозона Хиггса сохраняется ряд принципиальных проблем^[2]:

• Иерархическая проблема — почему масса бозона Хиггса естественно оказывается порядка 100 ГэВ, а не значительно большей планковской массы (10¹⁹ ГэВ);
• устойчивость хиггсовского вакуума во Вселенной: при существующих значениях m_H и массы топ-кварка расчёты показывают, что вакуум может находиться в метастабильном состоянии;
• вопрос о единственности хиггсовского бозона — существует ли только один скалярный дуплет или их несколько, как предсказывают многие расширения Стандартной модели;
• возможная связь с тёмной материей через так называемый «хиггсовский портал».