Бозону Хиггса — 10 лет
Десять лет назад на Большом адронном коллайдере был открыт бозон Хиггса — и с этого события можно отсчитывать начало новой эры исследований элементарных частиц. 4 июля ЦЕРН отметит первое десятилетие хиггсовского бозона специальным симпозиумом, а уже на следующий день на Большом адронном коллайдере стартует научная программа нового сеанса работы Run 3. В этом обзоре мы кратко напомним, что за частица хиггсовский бозон, зачем физики его так пристально изучают, что про него уже известно к настоящему моменту и как будет дальше развиваться физика хиггсовского бозона.
Поиски длиной в полвека
В исследованиях микромира главной движущей силой, как правило, выступает эксперимент. Исследователи открывают новые частицы и удивительные явления субатомного мира, а теоретики пытаются их описать. Но иногда прорыв совершается и в обратной последовательности: теоретики выдвигают идею, которая позволяет взглянуть на микромир под совершенно иным углом зрения, рассчитывают последствия и предсказывают возможные открытия, — и уже экспериментаторы идут следом, пытаясь подтвердить или опровергнуть эти догадки. В одних случаях это удается сделать за считаные месяцы, в других — вердикта приходится ожидать годами.
В случае бозона Хиггса ожидание затянулось почти на полвека.
Чисто теоретические исследования в квантовой теории поля в начале 1960-х годов привели к тому, что в 1964 году три группы исследователей — Роберт Браут и Франсуа Энглер в Бельгии, Питер Хиггс в Великобритании, Геральд Гуральник (Gerald Guralnik), Карл Хаген (Carl Hagen) и Томас Киббл в США — независимо друг от друга сформулировали теорию, которую впоследствии назвали механизмом Браута — Энглера — Хиггса, или, еще короче, хиггсовским механизмом. Идея была новой, нетривиальной, и развивалась она коллективно, через опирающиеся друг на друга статьи многих физиков-теоретиков. Перипетии тех лет были подробно описаны в новости Нобелевская премия по физике — 2013 («Элементы», 10.10.2013), и там же можно найти ссылки на воспоминания непосредственных участников этого коллективного теоретического открытия.
Рис. 2. Франсуа Энглер (слева) и Питер Хиггс на семинаре 4 июля 2012 года, на котором было объявлено об открытии бозона Хиггса. Фото с сайта cerncourier.com
Любопытно, что поначалу никто не предполагал, что хиггсовский механизм вообще имеет отношение к слабому взаимодействию. Лишь в 1970-х годах, в процессе создания общей теории слабого и электромагнитного взаимодействия, стало ясно, что именно хиггсовский механизм способен соединить концы с концами, скрепить теоретические догадки в единую, замкнутую теорию — Стандартную модель. И именно с этого момента начались поиски хиггсовского бозона — частицы-отголоска хиггсовского механизма.
К сожалению, Стандартная модель не предсказывала массу бозона Хиггса; это был последний неизвестный параметр в остальном завершенной теории. Бозон Хиггса искали на коллайдерах в 1980-х годах, в 1990-х годах, в новом тысячелетии. В конце 2000-х американский коллайдер Тэватрон вплотную подошел к тому, чтобы начать чувствовать бозон Хиггса, но до открытия он не дотянулся — не хватило статистики (Тэватрон скоро начнет «чувствовать» хиггсовский бозон, «Элементы», 19.05.2008). В 2010 году в игру вступил Большой адронный коллайдер (LHC), и, набирая данные всё нарастающими темпами, он быстро обогнал Тэватрон по чувствительности. В конце 2011 года появились первые намеки на новую частицу (ЦЕРН сообщает о первых намеках на обнаружение хиггсовского бозона, «Элементы», 13.12.2011). 4 июля 2012 года, на специальном семинаре в ЦЕРНе, представители двух крупнейших экспериментальных групп ATLAS и CMS сообщили о результатах анализа данных, которые позволили им, независимо друг от друга, объявить об открытии новой частицы с массой 125 ГэВ. По всем параметрам эта частица напоминала хиггсовский бозон Стандартной модели. Подробности о том памятном открытии можно прочитать в новости Хиггсовский бозон: открытие и планы на будущее («Элементы», 16.07.2012), а хронологию поисков можно проследить на странице Поиск бозона Хиггса: результаты.
Год спустя Франсуа Энглеру и Питеру Хиггсу была присуждена Нобелевская премия по физике за предложенный ими в 1964 году теоретический механизм, ставший краеугольным камнем Стандартной модели и подтвердившийся 48 лет спустя. Как известно, Нобелевская премия вручается не более чем трем лауреатам, и пустующее место третьего лауреата было, несомненно, данью Роберту Брауту, который, к сожалению, не дожил до этой даты.
Краткую справку о том, что такое хиггсовский бозон и зачем физики его изучают, можно найти всё в той же новости Нобелевская премия по физике — 2013 и в инфографике на рис. 3. Вкратце, бозон Хиггса сам по себе — частица эфемерная, нестабильная; если его породить в столкновениях других частиц, он тут же распадется за крошечную долю секунды. Но сам этот процесс рождения и распада способен раскрыть перед физиками тайны мироздания. Ведь бозон Хиггса — это «материальная память» нашего мира о хиггсовском механизме, важнейшем процессе, благодаря которому фундаментальные частицы приобрели массу. Физики хотят изучить хиггсовский механизм, и сделать это они могут только через измерения свойств хиггсовского бозона.
Рис. 3. Бозон Хиггса: базовые факты
Именно поэтому на поиски бозона Хиггса было потрачено столько сил. И именно поэтому открытие бозона на LHC ознаменовало собой вовсе не конец, а начало эры хиггсовских исследований. За десять лет, прошедших с момента открытия, работа по изучению хиггсовского сектора нашего мира превратилась в широчайшее, богатое на возможности поле исследований — и эта интенсивная работа будет продолжаться и дальше.
Что касается самой памятной даты, то уже сейчас запущен сайт Higgs10, на котором можно найти информацию об ожидаемых мероприятиях как в ЦЕРНе, так и на других площадках. Центральным событием станет симпозиум, который пройдет в ЦЕРНе 4 июля. Утренние доклады, адаптированные для широкой публики, напомнят исторический контекст события. Непосредственные участники открытия расскажут о том, как создавался Большой адронный коллайдер и как строились детекторы, которые и позволили совершить это долгожданное открытие. За ними последуют краткие обзорные доклады о том, что нового за прошедшие 10 лет физики узнали о бозоне Хиггса и, более широко, о хиггсовском механизме, без которого наш мир в том виде, в котором мы его знаем, был бы просто немыслим. Послеобеденная программа содержит обзорные, но чуть более технические доклады о разных аспектах хиггсовской физики. Все презентации будут находиться в свободном доступе, а за самими докладами можно будет следить через онлайн-трансляцию на сайте ЦЕРНа.
Наверняка в эти дни появятся и многочисленные научные и научно-популярные статьи по хиггсовской физике, да и сами физики будут делиться личными впечатлениями в блогах. Начало этому уже положено: при поддержке портала interactions.org запущена новая реинкарнация популярной когда-то платформы научных блогов Quantum Diaries 2022. Наконец, сам ЦЕРН подготовил целую серию информационных подборок для журналистов и популяризаторов науки, желающих осветить юбилей открытия бозона Хиггса и работу Большого адронного коллайдера.
Первые шаги хиггсовской физики
Вернемся от мероприятий к собственно физике.
Хиггсовский бозон, повторюсь, интересен ученым не столько сам по себе, сколько как инструмент познания мира. Он позволяет физикам «прощупать» совершенно особую, недоступную ранее часть глубинного устройства мироздания — хиггсовский сектор. Хиггсовский механизм нужен Стандартной модели для того, чтобы обеспечить фундаментальные частицы массой; ничего сверх этого Стандартная модель от него не требует. Но никто не знает, довольствуется ли Вселенная таким простым решением. Может статься, что в нашем мире реализовалась какая-то более тонкая, более богатая версия этого явления. Может даже оказаться, что она связана с загадками Стандартной модели, на которые мы пока не знаем ответа. Если это в самом деле так, физики рассчитывают найти в экспериментах на коллайдере дополнительные бозоны Хиггса — и это позволит им выйти на новый уровень в понимании микромира, уровень более глубокий, чем Стандартная модель.
Открытие новых бозонов Хиггса, конечно, стало бы шикарным подарком природы. Но вот что любопытно: даже без подобного подвига, без прямого обнаружения дополнительных хиггсовских бозонов, экспериментаторы всё равно имеют шанс выяснить, какой хиггсовский механизм заложен в устройстве Вселенной — минимальный или нет. Для этого им нужно с высокой точностью измерить связь нашего «родного», уже открытого бозона с остальными частицами, а также с самим собой. Ведь Стандартная модель — законченная теория, она не допускает никаких подстроек и совершенно однозначно предсказывает интенсивность взаимодействия бозона Хиггса с каждой из известных частиц. Эту связь можно проверить экспериментально, если с высокой точностью измерить вероятности различных вариантов рождения и распада бозона (рис. 4). И если хоть в одном процессе обнаружится существенное отклонение от предсказаний Стандартной модели — всё, Новая физика найдена.
Рис. 4. Основные процессы рождения и распада стандартного бозона Хиггса
В 2011–2012 годах, в ходе коллайдерного сеанса Run 1, перед физиками стояла единственная, по сути, задача: обнаружить бозон Хиггса, попутно измерив его массу и выяснив, на какие частицы он способен распадаться. С этой задачей физики из экспериментов ATLAS и CMS успешно справились, с фанфарами объявив 4 июля 2012 года об открытии бозона. В тех данных хиггсовский бозон проявился сразу в двух наиболее удобных для изучения каналах распада — на два фотона и на два Z-бозона, которые тут же превращались в четыре лептона. Тот факт, что в обоих процессах отклонение наблюдалось при одинаковой массе, подтверждал, что перед нами проявления одной частицы.
Открытие новой частицы на пороге статистической значимости, как правило, не позволяет проводить тонкие измерения и делать далеко идущие выводы. Но в ранней истории хиггсовского бозона эта самая статистика успела пощекотать физикам нервы — и не раз.
Во-первых, измерения показали, что хиггсовский бозон распадается на фотоны чуть ли не вдвое чаще, чем предсказывала Стандартная модель. Это превышение вызвало восторг теоретиков, поскольку намекало на Новую физику — либо в виде нестандартного взаимодействия бозона Хиггса, либо в форме новых промежуточных частиц, которые ускоряли распад. Во-вторых, два канала распада — на два фотона и на четыре лептона — показали хоть и близкие, но не идентичные массы новой частицы. Закрадывалось подозрение, что физики обнаружили не один, а сразу два бозона Хиггса с различающимися массами и совершенно разными предпочтениями по распаду. Опять же, раздолье для теоретиков, предлагающих многохиггсовские модели.
Однако по мере того, как шел набор и анализ данных, обе эти аномалии постепенно уменьшались и спустя пару лет сошли на нет. Развитие ситуации можно проследить в наших новостях конца 2012 года, весны 2013 года, середины 2014 года, осени 2014 года, весны 2015 года.
Хотя сеанс Run 1 завершился в 2012 году, анализ накопленных данных продолжался еще несколько лет, да и сами методики поиска сигнала в большом массиве данных совершенствовались. К концу 2013 года было установлено, что бозон Хиггса способен распадаться на фермионы (частицы материи), а не только на бозоны (переносчики взаимодействий) (Распад бозона Хиггса на частицы материи еще сильнее указывает на его стандартность, «Элементы», 09.12.2013). Однако вероятность этого распада в пределах погрешностей совпадала с предсказаниями СМ. 2015 год подарил физикам новую надежду: в данных коллайдера обнаружились намеки на распад H→μτ, невозможный в Стандартной модели. Одновременно с этим начали вырисовываться подозрения, что и топ-кварк — самая тяжелая из известных частиц — взаимодействует с бозоном Хиггса сильнее, чем предписано СМ. Эти отклонения поначалу вызвали новую волну теоретических публикаций (см. инфографику на рис. 3 в обзорной новости Физика элементарных частиц в 2017 году, «Элементы», 26.12.2017). Однако оптимизм поутих пару лет спустя, когда результаты нового сеанса работы коллайдера не подтвердили оба этих эффекта. Увы, статистические флуктуации на пороге чувствительности в очередной раз сыграли с физиками злую шутку. Хронологию развития и завершения этих сюжетов можно проследить на страницах с «Загадками коллайдера» (распад на мюон и тау-лептон и связь с топ-кварком). Сводку результатов по изучению бозона Хиггса по состоянию на 2015 год можно найти на нашей тематической странице.
Портрет бозона Хиггса
Cеанс Run 1 представлял собой, если можно так сказать, конфетно-букетный период знакомства физиков с хиггсовским бозоном. В ходе второго сеанса работы коллайдера восторги сменились деловым, методичным исследованием всех параметров открытой частицы. Коллайдер начал чувствовать все основные процессы рождения бозона Хиггса в протонных столкновениях и его распада. Каждый их этих процессов позволял протестировать связь бозона с другими частицами и тем самым добавлял новые штрихи к его портрету.
К середине 2018 года все процессы, отмеченные на рис. 4, были официально открыты и, в пределах погрешностей, не противоречили предсказаниям Стандартной модели. Следует подчеркнуть, что работа над «портретом бозона» вовсе не сводилась к банальному накоплению данных. Физики модернизировали детекторы, совершенствовали алгоритмы отбора и анализа данных, находили новые возможности там, где, как казалось раньше, ловить было нечего. Так, в 2017 году коллайдер начал чувствовать распад бозона Хиггса на b-кварки — процесс, который считался бесперспективным на момент запуска LHC.
Эволюция ситуации с бозоном Хиггса вызывала у физиков двоякие чувства. С одной стороны, здорово, что коллайдер исправно работает, накапливает статистику ударными темпами и выдает надежные результаты, подтверждаемые перекрестными проверками. Безо всяких оговорок, это повод для гордости для более чем десятка тысяч физиков и техников, построивших коллайдер и работающих над анализом его данных. Но с другой стороны, вырисовывающаяся картина природы несколько удручает: ведь эта новая грань мироздания тоже выглядит совершенно стандартной. И хотя время от времени появляются намеки на новые частицы (например, некоторая аномалия при массе 95 ГэВ в 2018 году, недавний намек на заряженный бозон Хиггса при 130 ГэВ, отклонение в районе 1 ТэВ, обнаруженное буквально пару недель назад), никаких статистически достоверных указаний на новые явления в хиггсовском секторе пока не видно.
С третьей стороны, такая ситуация ни в коей мере не стала для физиков сюрпризом. Строя коллайдер, они, конечно, надеялись на открытие чего-то принципиально нового, неведомого, но при этом они и осознавали, что никаких гарантий громких открытий нет. Многие физики были готовы к пессимистичному сценарию, при котором коллайдер обнаруживает один-единственный бозон Хиггса, причем с совершенно стандартными свойствами. Однако этот сценарий вовсе не доказывает, что хиггсовский механизм нашего мира действительно минимальный. Дело в том, что ровно такой же сценарий возникает и в сложных вариантах хиггсовского сектора. В них присутствует несколько бозонов Хиггса, один из которых оказывается очень похожим на стандартный, а все остальные либо очень тяжелы, либо слишком слабо взаимодействуют с другими частицами. Именно поэтому новые частицы вполне могут существовать, но их будет очень трудно заметить на коллайдере (рис. 5).
Рис. 5. Набор хиггсовских бозонов, предсказываемый двухдублетной хиггсовской моделью: легкий h, тяжелый H, CP-нечетный A, и пара заряженных бозонов Хиггса. Вверху: иллюстрация наивных ожиданий, что все бозоны будут одинаково хорошо видны на LHC. Внизу: реальная ситуация, предсказываемая многими вариантами этой модели: один бозон Хиггса виден отлично и напоминает стандартный, а все остальные очень трудно заметить на коллайдере
По мере того как, по данным сеанса Run 2, свойства бозона Хиггса всё больше и больше напоминали стандартные, становилось понятно, что на экзотические открытия рассчитывать не приходится. Новую физику в хиггсовском секторе придется «выцарапывать» у природы через максимально точные измерения всех доступных характеристик бозона Хиггса. И поэтому надо быть готовым к долгой и кропотливой работе.
Что известно на сегодня
Открытие бозона Хиггса 10 лет назад стало началом «хиггсовской эры» в физике частиц. Количество научных статей по физике хиггсовского бозона, опубликованных экспериментальными коллективами CMS и ATLAS за это десятилетие, исчисляется уже сотнями. Разбивку хиггсовских результатов по процессам и величинам можно найти на страницах коллабораций: ATLAS Higgs physics results и CMS Higgs physics results. Пройдемся по ключевым направлениям исследований, стараясь не потонуть в деталях.
Взаимодействие с тяжелыми бозонами. Связь бозона Хиггса с частицами-переносчикам слабого взаимодействия, W- и Z-бозонами, измерена с точностью 10% и согласуется со Стандартной моделью (arXiv:2004.03447, arXiv:2206.09466). Недавно (arXiv:2205.06667) было также открыто и четверное взаимодействие: два бозона Хиггса и два W-бозона (либо Z-бозона). Это лишний раз подтверждает, что открытая десять лет назад частица — действительно хиггсовский бозон, «отголосок» хиггсовского механизма, а не какая-то посторонняя частица.
Взаимодействие с фотонами. Вероятность распада на два фотона измерена с точностью 9% (arXiv:2103.06956) и согласуется со Стандартной моделью. Этот распад чувствителен к гипотетическим тяжелым заряженным частицам, и тот факт, что измерения не расходятся с предсказаниями СМ, накладывает ограничение на все модели Новой физики, содержащие новые заряженные частицы.
Бозон Хиггса может также распадаться несимметричным способом — на Z-бозон и фотон. Предсказанная СМ вероятность распада H→Zγ еще меньше, чем распада на два фотона, — всего 0,15%. Однако в неминимальных моделях она может оказаться иной. Коллаборации ATLAS и CMS пока не сообщили о надежной регистрации этого распада, но вплотную приблизились к этому. Обе группы видят небольшой избыток событий на уровне около 2σ и сообщают, что вероятность этого распада превышает предсказания СМ не более чем в 4 раза (arXiv:2005.05382, arXiv:2204.12945). В ходе следующего сеанса работы коллайдера Run 3 этот распад должен быть открыт.
Взаимодействие с фермионами. Связь бозона Хиггса с фермионами третьего поколения (топ-кварки, b-кварки, тау-лептоны) измерена с точностью 10–30% (рис. 6); отличий от СМ не обнаружено. Это, однако, вовсе не значит, что взаимодействие бозона с более легкими фермионами из второго или первого поколений будет столь же стандартным. Существуют теоретические модели, в которых отличие от предсказаний СМ появляется как раз для легких фермионов. А значит, измерение вероятности распада бозона Хиггса на мюон и антимюон или на c-кварк-антикварковую пару даст принципиально новую информацию об устройстве хиггсовского сектора.
Рис. 6. Проверка пропорциональности связи бозона Хиггса с остальными частицами и масс этих частиц, предсказываемой Стандартной моделью. Вверху: результаты измерений коллаборации CMS на основе статистики сеанса Run 2; внизу: отношения этих результатов к предсказаниями СМ. Рисунок с сайта cms-results.web.cern.ch
Как отмечено на рис. 7, к 2018 году эти распады еще не были обнаружены. Пару лет спустя коллаборация CMS объявила о первом наблюдении распада H→μ+μ− на уровне статистической значимости 3σ (arXiv:2009.04363); коллаборация ATLAS пока остановилась на уровне 2σ (arXiv:2007.07830). Вероятность этого распада не противоречит СМ, хотя при нынешней точности в 30–50% остается место и для сюрприза.
Рис. 7. Связь бозона Хиггса с остальными частицами: ситуация по состоянию на весну 2018 года. Связь с некоторыми частицами обнаружена и измерена, связь с другими частицами еще только предстоит обнаружить. Изображение из доклада D. Sperka, Measurement of the mass and other couplings in ATLAS and CMS
Распад на c-кварк-антикварковую пару пока не зарегистрирован, поскольку на адронных коллайдерах его проявление очень трудно отличить от фоновых процессов. Текущие ограничения сверху (arXiv:2201.11428, arXiv:2205.05550) не слишком впечатляют: распад был бы заметен в нынешних данных, только если бы он протекал в десятки раз более интенсивно, чем в СМ. Физикам потребуется не только существенно увеличить статистику, но и серьезно поработать над алгоритмами отбора событий, чтобы начать чувствовать этот распад.
Экзотические взаимодействия с фермионами. Стандартная модель не только утверждает, что бозон Хиггса должен взаимодействовать с фермионами, но и совершенно однозначно предсказывает, как именно. Однако можно представить себе процессы, которые запрещены в СМ, но вполне могут встречаться в более сложных теориях. Это, например, распады бозона на фермионы разного типа (наподобие H→μτ, упомянутого выше), а также нарушение CP-симметрии в реакциях с участием бозона Хиггса. Экспериментаторы проверили все экзотические эффекты, до которых смогли дотянуться в имеющихся данных, и пока не нашли ничего необычного.
Невидимый распад. Хиггсовский бозон может также распадаться на частицы, которые не оставят в детекторе никакого следа. Такой невидимый распад в Стандартной модели возможен (в роли неуловимых частиц выступают нейтрино), но вероятность его очень мала, около одной тысячной. Однако в теориях за пределами СМ бозон Хиггса вполне может распадаться и на частицы темной материи, которые отловить еще труднее, чем нейтрино. Поскольку это уже не Стандартная модель, нельзя заранее предсказать, какой будет эта вероятность. В частности, нельзя исключить, что она окажется существенной. Поэтому очень полезно будет проверить, распадается ли реальный бозон Хиггса по такому невидимому каналу, и если да, то с какой вероятностью. (Хочется упомянуть курьезный факт, что в начале 2000-х некоторые физики высказывали опасение, что как раз невидимый распад на частицы темной материи будет доминирующим, из-за чего бозон Хиггса вообще не удастся отловить на LHC. К счастью или к сожалению, но эти опасения не подтвердились.)
Казалось бы, увидеть невидимое — безнадежное дело. Но коллайдер способен и на такой подвиг. Для этого достаточно отследить поперечные импульсы всех зарегистрированных детектором частиц и проверить, дают ли они в сумме ноль. Если суммарно обнаружится большой нескомпенсированный поперечный импульс, он станет указанием на рождение и невидимый распад какой-то частицы. Именно так экспериментаторы ищут, среди прочего, и следы невидимого распада бозона Хиггса. Пока что такой распад не обнаружен, но установлено ограничение сверху на его вероятность: не более десятка процентов (примеры поисков см. в статьях arXiv:2202.07953 и arXiv:2201.11585).
Ширина бозона Хиггса. Время жизни бозона Хиггса — или, в энергетических единицах, так называемая ширина распада — дает физикам еще одну возможность проверить, насколько бозон Хиггса согласуется со Стандартной моделью. Ширина распада бозона Хиггса в СМ составляет всего 4 МэВ, что в сотню раз меньше погрешностей в измерении энергии частиц на коллайдере. Десять лет назад, в момент открытия бозона Хиггса, физики вряд ли думали, что LHC будет способен измерить эту ширину. Однако в 2014 году был предложен новый метод косвенного измерения ширины, и физики тут же взяли его на вооружение.
Первоначальные измерения выдавали лишь ограничение сверху и не позволяли почувствовать эту величину. Однако, обработав полную статистику сеанса Run 2, обе экспериментальные группы вплотную подошли к измерению. Полгода назад (arXiv:2202.06923) коллаборация CMS сообщила, что на уровне статистической значимости 3,6σ чувствует ненулевую ширину бозона Хиггса и что она в пределах погрешностей согласуется с предсказанием СМ.
Взаимодействие бозона Хиггса с самим собой — еще одна сторона хиггсовского сектора нашего мира, к которой физики только подступаются. Именно из-за нетривиального взаимодействия хиггсовского поля с самим собой в ранней Вселенной произошел фазовый переход, «включился» хиггсовский механизм, и у частиц появилась масса. Возможно также, что в процессе этого же фазового перехода появился дисбаланс между частицами материи и антиматерии, который до сих пор остается необъясненным. И хотя мы не можем повторить эксперимент природы, не можем «выключить», а потом снова «включить» хиггсовский механизм, нам по силам измерить элементарный шаг этого явления — интенсивность, с которой один хиггсовский бозон расщепляется на два.
Для этого в столкновениях протонов на коллайдере нужно зарегистрировать рождение не одного, а сразу двух бозонов Хиггса, и сравнить результаты с предсказаниями Стандартной модели. Этот процесс давно изучается теоретически и экспериментально, но пока что статистики не хватает для его регистрации. Текущие ограничения зависят от конкретного канала распада бозона Хиггса и в несколько раз превышают предсказанное СМ значение (arXiv:2112.11876, arXiv:2206.09401). Однако есть все шансы начать чувствовать этот процесс в будущем сеансе работы Run 3. Подробности можно также найти в материалах недавней конференции Higgs Pairs Workshop 2022, целиком посвященной одному лишь этому процессу.
Планы на будущее
Бозон Хиггса открыт, кардинальных отличий от предсказаний Стандартной модели пока не видно — но это вовсе не повод сворачивать хиггсовскую деятельность. Десять лет назад мы получили доступ к новой области микромира, и теперь наша задача — изучить в мельчайших деталях всё богатство физических характеристик хиггсовского бозона. Именно этим физики и продолжат заниматься на LHC и на будущих коллайдерах высоких энергий.
Глобальное расписание работы LHC определено до 2037–2038 годов. Прямо сейчас идут последние приготовления к следующему сеансу работы коллайдера LHC Run 3. Сеанс официально стартует 5 июля, на следующей день после десятилетнего юбилея бозона Хиггса; начало работы будет транслироваться онлайн. В течение первого месяца техники будут постепенно наращивать светимость коллайдера и в августе должны выйти на запланированный уровень. Подробности на ближайшее время можно найти в материалах 150-го заседания Комитета по работе LHC и на странице LHC Programme Coordination.
Сеанс Run 3 продлится примерно 3 года, после чего Большой адронный коллайдер будет кардинально обновлен и станет называться HL-LHC (Большой адронный коллайдер на высокой светимости). Темп набора данных возрастет в несколько раз, и в таком режиме коллайдер проработает еще десятилетие. За всё время работы будет накоплено примерно в 20 раз больше данных, чем набрано к настоящему моменту. Редкие процессы с участием бозона Хиггса, едва заметные на нынешней статистике, будут надежно открыты и измерены после обработки всех данных. Именно поэтому физики и не думают «сматывать удочки»: мы сейчас находимся лишь в начале пути, мы прошли только 5% всей дистанции, и кто знает, какие еще сюрпризы и подарки нам преподнесет природа!
Также в ближайшие годы физики должны определиться, в каком направлении развиваться физике частиц в 2040-х годах. На смену LHC придет коллайдер нового поколения, и скорее всего это будет один из вариантов хиггсовской фабрики — электрон-позитронный коллайдер, оптимизированный под изучение бозона Хиггса. На нынешнем цикле Европейской стратегии в физике частиц идет параллельная разработка нескольких проектов, но после 2026 года уже следует зафиксировать проект и приступать к его реализации. Подробности можно найти в новости Куда двигаться коллайдерной физике в следующем десятилетии? («Элементы», 20.08.2018) и в интервью Владимира Шильцева о будущем ускорительной техники («Элементы», 20.06.2019).
Заглянем в будущее на двадцать лет — в предположении, конечно, что наука и мир будут развиваться так, как планировалось. По результатам работы LHC и хиггсовской фабрики точность измерения многих распадов бозона Хиггса улучшится до считаных процентов, в отдельных случаях — лучше процента. Будут открыты и измерены распады и прочие процессы, которые сейчас Большому адронному коллайдеру не по зубам. Если свойства бозона Хиггса отличаются от Стандартной модели хотя бы на несколько процентов, мы это заметим — и тем самым откроем новую главу в изучении микромира.
Параллельно с хиггсовской физикой, не менее грандиозные перспективы ожидаются в других направлениях физики частиц. Тот же LHC вкупе с электрон-позитронными коллайдерами в ближайшие годы прояснит ситуацию с несколькими подозрительными отклонениями в распадах B-мезонов. Вполне может статься, что Новая физика будет открыта еще в ходе работы LHC. В этом случае научная программа хиггсовской фабрики будет адаптирована для внимательного изучения первопричины этих отклонений. Будет также развиваться и нейтринная физика. В начале 2030-х годов должен стартовать грандиозный нейтринный эксперимент DUNE, обещающий дать ответы на многие вопросы нейтринной физики. Поскольку массы и характеристики нейтрино не объясняются Стандартной моделью, нейтрино открывают нам еще одну дорогу к Новой физике. Не исключено, что к этому«приложили руку» новые хиггсовские бозоны — по крайней мере, именно так и происходит в многочисленных теоретических моделях происхождения нейтринных масс.
Наконец, в 2030–2040-х годах нас ожидает новая эпоха астрофизических наблюдений, а также эра космических гравитационно-волновых обсерваторий, таких как LISA. Эти обсерватории нацелены на регистрацию гравитационных волн, оставшихся с той безумно ранней эпохи, когда в сверхгорячей Вселенной кипел вакуум и происходили фазовые переходы. Возможно, хиггсовский механизм, «запустившийся» в ту эпоху, тоже породил сильные гравитационные волны — по крайней мере, это предсказывают многие неминимальные хиггсовские модели. И если космические детекторы смогут их уловить, в распоряжении физиков появится новый удивительный инструмент для изучения хиггсовской физики, дополняющий коллайдерные измерения.
2030–2040-е годы имеют все шансы стать новым золотым веком в физике частиц, и, возможно, именно хиггсовский бозон станет новой «точкой роста». Главное, чтобы всё получилось.
Игорь Иванов
Рис. 1. ЦЕРН отмечает десятилетие открытия бозона Хиггса. Рисунок с сайта interactions.org