Пробив във физиката на елементарните частици: първо доказателство за рядък разпад на Хигс бозона

Физиката на елементарните частици изучава самите елементарни частици и техните взаимодействия, което е в основата на нашето разбиране за Вселената. Неотдавна в тази област беше направен голям пробив, след като бяха открити първите признаци на рядък разпад на Хигс бозона на фотон и Z-бозон. Това откритие може да разкрие съществуването на непознати частици и да проправи пътя за нови теории във физиката.

Хигс бозонът, фундаменталната частица, която придава маса на другите частици, често наричана „божествената частица“, бе открит през 2012 г. в Големия адронен колайдер (LHC) в ЦЕРН. Оттогава насам колаборациите ATLAS и CMS работят неуморно, за да изследват свойствата на тази уникална частица и да определят различните начини, по които тя може да се образува и разпада на други частици.

Разпадането на частиците е често срещано явление в квантовия свят, но улавянето на тези ефимерни моменти е истинско предизвикателство. Чрез преброяване на следите, оставени от разпадането на частиците в потока на колайдера, физиците могат да добият представа за различните начини, по които частиците се трансформират по време на този процес и за кратко се появяват в нови форми.

Неотдавна физиците откриха първите признаци на рядка трансформация на Хигс бозона във фотон и Z-бозон. Въпреки че резултатите далеч не се считат за значими, те предоставят първите доказателства за този изключително рядък процес. Откритието бе обявено на Конференцията по физика на LHC, която се проведе в Белград от 22-ри до 26-ти май 2023 г.

Скритият разпад

Разпадането на Хигс бозона на фотон и Z-бозон е рядък и сложен процес, който е предвиден от Стандартния модел на физиката на елементарните частици с вероятност около едно на хиляда, или около 0,15% от всички разпади на Хигс бозона. Всяко отклонение от тази цифра би могло да подпомогне различните алтернативни модели.

Както беше споменато по-рано, Хигс бозонът е фундаменталната частица, която придава маса на другите частици. Когато се разпада, той се превръща в други частици. В този конкретен случай той се разпада на фотон, лишена от маса частица на светлината, и Z-бозон, частица, която носи слабата ядрена сила (една от четирите фундаментални сили на природата), останалите са гравитацията, електромагнетизмът и силното ядрено взаимодействие. Тя е отговорна за някои видове радиоактивен разпад, като например бета-разпада, при който един неутрон се превръща в протон.

Но Хигс бозонът не се разпада директно на тези две частици. Вместо това разпадът се осъществява чрез междинен цикъл от „виртуални“ частици, които се появяват и изчезват и не могат да бъдат директно открити.

Откриването на този рядък разпад на Хигс бозона е важно, тъй като може да даде ключ към съществуването на нови частици и нови сили, които не са предвидени от Стандартния модел, като например тъмната енергия, която „разтяга“ пространството. Ето защо физиците са толкова заинтересовани от изучаването на тези разпади на Хигс бозона.

Необходимите допълнителни данни

За да открият първите признаци на този разпад, физиците трябваше да анализират огромно количество данни от няколкогодишните сблъсъци на протони в два различни детектора на Големия адронен колайдер (LHC) – ATLAS и CMS.

Те използват усъвършенствани техники за машинно обучение, за да разграничат сигналните събития (свързани с разпадането на Хигс бозона) от фоновия шум. Чрез комбиниране на набори от данни, събрани по време на втория кръг експерименти на LHC, който се проведе между 2015 и 2018 г., те успяха значително да подобрят статистическата точност и обхвата на своето изследване.

Въпреки че настоящите резултати от изследването съответстват на Стандартния модел с 0,15%, изследователите са само умерено уверени в него. По-конкретно, въпреки значителния обем данни, те все още не са наблюдавали достатъчно разпади на Хигс бозона, за да бъдат абсолютно сигурни, че резултатите им са верни.

По-големи експерименти, при които може би ще се използват по-добри технологии, могат да разкрият малките разлики, показващи съществуването на нови частици или нови сили, които да проправят пътя към нови теории във физиката на частиците.

Памела Ферари, координатор по физика на експеримента ATLAS в ЦЕРН, заяви в съобщение за пресата:

„Всяка една елементарна частица има специална връзка с бозона на Хигс, което прави търсенето на редки разпади на Хигс високоприоритетно.“

Флоранс Канели, координатор по физика на детектора CMS в ЦЕРН, добавя:

„Съществуването на нови частици би могло да окаже много съществено влияние върху редките режими на разпада на Хигс.“

Благодарение на третата серия експерименти в Големия адронен колайдер (LHC) и бъдещия високосветлинен LHC точността на тези тестове на стандартния модел ще бъде подобрена, което ще позволи да се изследват още по-редките разпади на Хигс. Това потенциално може да доведе до преразглеждане на сегашното ни разбиране за физиката на частиците.

Някои учени стигат много по-далече и са на мнение, че това откритие може да постави под въпрос правилността на Стандартния модел и да промени нашата представа за Вселената. Идеята е, че Хигс бозонът се разпада на носител на електромагнитна сила (фотон) и на електрически носител на слабото ядрено взаимодействие (Z-бозон), като вероятността за това събитие, според Стандартния модел е 0,15%. Тези изследователи имат известно основание да мислят по този начин, понеже формално погледнато, откриването на разпадането на Хигс бозона не е научно откритие. Статистическата значимост на събитието е 3,4σ. Заявка за откритие може да се направи при стойност от поне 5σ (σ е стандартното отклонение). Въпреки това 3,4σ е достатъчна за потвърждаване на събитието