Бозон Хиггса

Бозон Хи́ггса, Хи́ггсовский бозо́н — теоретически предсказанная элементарная частица, элементарный бозон, квант поля Хиггса, с необходимостью возникающий в Стандартной модели вследствие хиггсовского механизма спонтанного нарушения электрослабой симметрии. По построению, хиггсовский бозон является скалярной частицей, то есть обладает нулевым спином. Постулирован Питером Хиггсом в его фундаментальных статьях, вышедших в 1964 году. В рамках Стандартной модели отвечает за массу элементарных частиц.

В теории, при минимальной реализации хиггсовского механизма должен возникать один нейтральный хиггсовский бозон (в научных работах такая частица называется SM Higgs); в расширенных моделях спонтанного нарушения симметрии может возникнуть несколько хиггсовских бозонов различной массы, в том числе и заряженные.

Впрочем, существуют модели, не требующие введения бозона Хиггса для объяснения масс наблюдаемых частиц Стандартной модели, так называемые бесхиггсовские модели. Отрицательный результат поисков бозона Хиггса послужил бы косвенным аргументом в пользу подобных моделей.

Эксперименты по поиску и оценке массы хиггсовского бозона

Поиски хиггсовского бозона в Европейском центре ядерных исследований на Большом электрон-позитронном коллайдере (LEP) (эксперимент завершён в 2001 году, энергия 104 ГэВ на каждый пучок, то есть суммарная энергия пучков в системе центра масс 208 ГэВ) не увенчались успехом: были зафиксированы три события-кандидата на детекторе ALEPH при массе 114 ГэВ, два — на DELPHI и одно — на L3. Такое количество событий приблизительно соответствовало ожидавшемуся уровню фона. Предполагается, что вопрос о существовании бозона Хиггса прояснится окончательно после вступления в строй и нескольких лет работы Большого адронного коллайдера (LHC).

В 2004 году была проведена повторная обработка данных эксперимента D0 по определению массы t-кварка, проводившегося на синхротроне Тэватрон в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми, в ходе этой обработки была получена уточнённая оценка массы, что привело к переоценке верхней границы массы бозона Хиггса до 251 ГэВ.

В 2010 году в ходе экспериментов на Тэватроне исследовательской группой DZero было обнаружено 1-процентное отклонение результатов от теоретически предсказанных стандартной моделью. Вскоре было объявлено о том, что причиной расхождения могло стать существование не одного, а пяти бозонов Хиггса — в рамках теории суперсимметрии могут существовать заряженные положительно и отрицательно, скалярные (легкий и тяжелый) и псевдоскалярный бозоны. Ожидается, что подтвердить или опровергнуть данную гипотезу помогут эксперименты на Большом адронном коллайдере.

В июле 2011 года коллаборации ATLAS и CMS выявили отклонение статистики в районе массы 130—150 ГэВ в результатах, представленных на конференции EPS-HEP’2011 в Гренобле, что возможно указывает на существование бозона Хиггса. Однако данные с Большого адронного коллайдера продолжают поступать, и последующая обработка, возможно, нивелирует полученные отклонения. Между тем, на той же конференции был закрыт (с 3%-м отклонением) диапазон от 150 ГэВ до 400 ГэВ (за исключением небольших окон), где бозон Хиггса существовать не может.

В ноябре 2011 года коллаборации ATLAS и CMS сузили интервал масс возможного существования бозона до 114—141 ГэВ. Интервал от 141 до 443 ГэВ был исключён с вероятностью 99 % за исключением трёх узких окон между 220 и 320 ГэВ.

13 декабря 2011 года коллаборации ATLAS и CMS представили предварительные результаты обработки данных 2011 года, основной вывод состоит в том, что бозон Хиггса Стандартной модели, если он существует, скорее всего, имеет массу в интервале 116—130 ГэВ по данным эксперимента ATLAS, и 115—127 ГэВ — по данным CMS. Оба эксперимента наблюдают превышение сигнала над фоном в этих интервалах в различных предполагаемых каналах распада бозона Хиггса. Интересно то, что несколько независимых измерений указывают на область от 124 до 126 ГэВ. Пока слишком рано говорить о том, что ATLAS и CMS открыли бозон Хиггса, но эти обновленные результаты вызывают большой интерес в сообществе физики элементарных частиц. Тем не менее, для окончательных утверждений о существовании или несуществовании бозона Хиггса требуется больший объём данных, который ожидается в 2012 году.

22 июня 2012 года в CERNе было объявлено, что 4 июля 2012 года в 7:00 UTC, перед началом научной конференции ICHEP в Мельбурне, будет проведён семинар, на котором будут доложены предварительные результаты экспериментов ATLAS и CMS. На этот семинар были приглашены физики Франсуа Энглер, Карл Хаген, Питер Хиггс и Джеральд Гуральник, которые являются одними из «авторов» механизма Хиггса.

2 июля 2012 года коллаборации D0 (англ.) и CDF (англ.) заявили, что по результатам анализа данных ускорителя Тэватрон имеется некоторый избыток, который может быть интерпретирован как вызванный бозоном Хиггса с массой в диапазоне 115—135 ГэВ со статистической значимостью 2.9 стандартных отклонения, что меньше порога в 5 сигма, необходимого для того чтобы заявить об открытии частицы.

Бозон Хиггса в массовом сознании

Бозон Хиггса — последняя до сих пор не найденная частица Стандартной модели. Частица Хиггса так важна, что в заголовке книги нобелевского лауреата Леона Ледермана (The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question? (англ.)) она названа «god particle» (частица бога или частица-бог), а сам Ледерман изначально предлагал вариант «прокля́тая частица» (англ. goddamn particle), отвергнутый редактором. Это ироничное название широко употребляется средствами массовой информации. Учёные же недолюбливают его, некоторые из них считают более удачным название «бозон-бутылка шампанского» (англ. The champagne bottle boson).

Невозможность открыть этот бозон может скомпрометировать текущую реализацию Стандартной модели, однако в физике элементарных частиц уже разработаны её расширения (бесхиггсовские модели).