Лиза Рэндалл - Достучаться до небес: Научный взгляд на устройство Вселенной

Мы немало знаем о том, как должны выглядеть взаимодействия бозона Хиггса, потому что бозон Хиггса и поле Хиггса, хоть это и разные вещи, похоже взаимодействуют с другими элементарными частицами. А о взаимодействиях поля Хиггса с элементарными частицами мы можем судить по массам этих частиц. Поскольку механизм Хиггса отвечает за массы элементарных частиц, мы можем сказать, что поле Хиггса сильнее всего взаимодействует с самыми тяжелыми частицами. А поскольку бозон Хиггса возникает из поля Хиггса, мы можем сказать то же и о его взаимодействиях. Бозон Хиггса, как и поле Хиггса, сильнее взаимодействует с теми частицами Стандартной модели, которые обладают наибольшей массой.

Более сильное взаимодействие между бозоном Хиггса и тяжелыми частицами подразумевает, что для получения бозона Хиггса лучше всего было бы начать с тяжелых частиц и их столкновений. К несчастью, в коллайдерах мы не можем начать с тяжелых частиц.

Представьте, как в БАКе могли бы возникнуть бозон Хиггса или, вообще говоря, любая частица. В столкновениях на БАКе участвуют легкие частицы. Судя по небольшой массе, с частицей Хиггса они взаимодействуют так слабо, что если бы в рождении бозона Хиггса не участвовали никакие другие частицы, то возникал бы он слишком редко, чтобы мы могли его обнаружить на любом из наших коллайдеров.

К счастью, квантовая механика предлагает нам и другие варианты. Бозон Хиггса незаметно рождается в коллайдерах с участием тяжелых виртуальных частиц. При столкновении легких кварков могут родиться тяжелые частицы, которые затем испустят бозон Хиггса. К примеру, легкие кварки могут при столкновении породить виртуальный W–бозон, первый в ряду калибровочных бозонов. Эта виртуальная частица может затем излучить бозон Хиггса (схему этого процесса можно увидеть на первой схеме рис. 51). Поскольку виртуальный W–бозон намного тяжелее и верхнего, и нижнего кварков в составе протона, с бозоном Хиггса он взаимодействует соответственно сильнее. При достаточном количестве протонных столкновений именно так должен рождаться хиггс.

Другой вариант рождения бозона Хиггса реализуется, когда кварки испускают два виртуальных слабых калибровочных бозона, которые затем сталкиваются и порождают один бозон Хиггса, как можно видеть на второй схеме рис. 51. В этом случае хиггс возникает вместе с двумя струями, которые формируются вокруг кварков, разлетающихся после появления калибровочных бозонов. И этот, и предыдущий механизм порождают не только бозоны Хиггса, но и другие частицы. В первом случае Хиггс рождается в связке с калибровочным бозоном. Во втором — а для БАКа он имеет большее значение — бозон Хиггса возникает вместе со струями.

Но бозоны Хиггса могут рождаться и сами по себе. Это происходит, когда сталкиваются глюоны, порождая истинный кварк и его антикварк, которые затем аннигилируют с образованием бозона Хиггса, как можно увидеть на третьей схеме. На самом деле истинные кварк и антикварк — частицы виртуальные и живут недолго, но квантовая механика утверждает, что этот процесс происходит довольно часто — ведь истинный кварк активно взаимодействует с хиггсом. Этот механизм возникновения частицы, в отличие от двух первых, не оставляет никаких следов, кроме следа непосредственно бозона Хиггса, который затем распадается.

РИС. 51. Три модели рождения бозона Хиггса (сверху вниз): излучение Хиггса, W‑Z–синтез, глюон–глюонный синтез

Так что, несмотря на то что сам хиггс не обязательно слишком уж тяжел — по массе он, скорее всего, сравним со слабыми калибровочными бозонами и уступает истинному кварку, — в его рождении, вероятно, должны быть задействованы тяжелые частицы, такие как калибровочные бозоны или истинные кварки. Поэтому высокоэнергетические столкновения (к примеру, в БАКе) и, разумеется, громадная их частота создают прекрасные условия для возникновения бозонов Хиггса.

Но, несмотря на то что хиггсы в БАКе должны возникать с достаточно высокой частотой, для их наблюдения и регистрации существует еще одно серьезное препятствие — характер распада этих частиц. Бозон Хиггса, подобно многим другим тяжелым частицам, нестабилен. Обратите внимание: распадается именно частица Хиггса, а никак не поле. Поле Хиггса пронизывает вакуум и придает массу элементарным частицам; оно никуда не пропадает. А вот бозон Хиггса — это реальная элементарная частица, обнаружимое следствие работы механизма Хиггса. Подобно другим частицам, она может возникать в коллайдере. И точно так же, подобно другим нестабильным частицам, не может жить вечно. Поскольку распад хиггса происходит практически мгновенно, единственный способ обнаружить эту частицу— это зарегистрировать продукты ее распада.

Бозон Хиггса распадается на частицы, с которыми он способен взаимодействовать, а именно — на любые частицы, приобретающие массу через механизм Хиггса и достаточно легкие, чтобы на их образование хватило энергии. Когда при распаде бозона Хиггса рождаются частица и соответствующая ей античастица, масса каждой из них должна составлять меньше половины его массы, чтобы не нарушался закон сохранения энергии. При этом чаще всего частица Хиггса будет распадаться на самые тяжелые частицы, на которые сможет при этом условии. Но это, к сожалению, означает, что относительно легкий бозон Хиггса лишь изредка распадается на те частицы, которые можно без труда обнаружить и распознать.

Если бозон Хиггса, вопреки ожиданиям, окажется действительно тяжелым — вдвое с лишним тяжелее, чем W–бозон (но менее чем вдвое тяжелее истинного кварка), то искать его будет относительно несложно. Тяжелый хиггс будет практически всегда распадаться на пару W- или Ζ–бозонов (на рис. 52 показана схема распада на W–бозоны). Экспериментаторы знают, как распознать получившиеся при этом частицы, так что бозон Хиггса можно будет обнаружить без большого труда.

РИС. 52. Тяжелый бозон Хиггса может распадаться на пару калибровочных W–бозонов

Следующий наиболее вероятный сценарий распада относительно тяжелого бозона Хиггса должен проходить с участием красивого кварка и соответствующей ему античастицы. Однако частота такого распада была бы намного меньше, потому что масса красивого кварка невелика, и поэтому он гораздо слабее взаимодействует с бозоном Хиггса, чем калибровочный W–бозон. Если хиггс достаточно тяжел, чтобы распадаться на W–бозоны, он будет давать при распаде красивые кварки меньше чем в одном случае из ста. Распад на еще более легкие частицы будет происходить еще реже. Так что если бозон Хиггса все же окажется достаточно тяжелым — тяжелее, чем мы ожидаем, — он будет распадаться на слабые калибровочные бозоны.· А регистрировать такие распады относительно несложно.