Бозон Хиггса получил название в честь шотландского физика Питера Хиггса, опубликовавшего в 1964 году статью «Нарушение симметрии и массы калибровочных бозонов». В ней Хиггс предлагал объяснение того, как бозоны — частицы-носители взаимодействий получают массу. Напомним, что физики насчитывают четыре фундаментальных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное. Осуществляются эти взаимодействия между частицами с помощью обмена бозонами — частицами, спин которых равен целому числу. Электромагнитное взаимодействие переносят фотоны, слабое — W- и Z-бозоны, сильное — глюоны, гравитационное — гравитоны (которые пока не обнаружены). Нарушение симметрии, о котором писал Хиггс, состоит в том, что бозоны теоретически не должны иметь массы. Фотоны и глюоны соответствуют этому постулату. А вот участвующие в слабых взаимодействиях W- и Z-бозоны массу имеют, причем они довольно тяжелые по меркам мира элементарных частиц. Масса W-бозона 80,4 ГэВ/c2, а Z-бозона — 91,2 ГэВ/c2. То есть они примерно в сто раз тяжелее протона и весят примерно как атомы рубидия и технеция, соответственно. Хиггс для объяснения массы бозонов предположил существование особого поля, которое, взаимодействуя с бозонами, наделяет их массой. Квант этого поля — это и есть та самая частица, которую назвали «бозоном Хиггса».
Хиггс не рассчитывал дожить до экспериментального подтверждения своей гипотезы. Но ему это удалось. 4 июля 2012 года на пресс-конференции ЦЕРН обнаружение бозона было подтверждено. Его наличие зафиксировали с достаточной статистической надежностью в результатах экспериментов ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере. В 2013 году Питер Хиггс и бельгийский физик Франсуа Англер, независимо от Хиггса предложивший аналогичную теорию, получили Нобелевскую премию по физике.
Физики предсказали, а затем обнаружили четыре основных пути образования бозона Хиггса. Хиггсовские бозоны рождаются при столкновении частиц (чаще всего протонов) с высокими энергиями, которые достигаются в ускорителе. Но каждое такое событие происходит с очень низкой вероятностью. В Большом адронном коллайдере на 10 миллиардов столкновений частиц рождается всего один бозон Хиггса.
Чаще всего бозон Хиггса возникает, если сталкивающиеся частицы относятся к адронам (например, протоны или антипротоны). В этом случае может произойти слияние двух глюонов, связывающих кварки в протоне. Бозоны Хиггса рождаются в результате слияния глюонов в десять раз чаще, чем остальными способами. Второй по частоте способ – слияние двух бозонов (W и W-бозона или Z и Z-бозона). Это происходит, когда сталкиваются два фермиона, которые обмениваются виртуальными бозонами. Третий путь называют Higgsstrahlung («тормозное излучение бозона Хиггса»). Он возможен при столкновении фермиона с антифермионом, например, кварка и антикварка или электрона с позитроном. Они могут слиться с образованием виртуального W или Z-бозона, который, при наличии достаточной энергии, может затем испускать бозона Хиггса. Наконец, самый редкий способ – рождение вместе с топ-кварками. При взаимодействии двух глюонов, каждый из них распадается на пару топ-кварк и антикварк, причем кварк и антикварк из разных пар затем сливаются, порождая бозон Хиггса.
Способы рождения бозона Хиггса, показанные диаграммами Фейнмана
Оценили физики и возможные варианты распада бозона Хиггса. Распад его наступает неминуемо и очень быстро, предполагаемое среднее время его существования составляет около 1,6 × 10–22 секунды. Каждый из вариантов распада имеет некоторую вероятность. Один из способов – это расщепление на пару фермион - антифермион (то есть кварк –антикварк, электрон – позитрон, мюон – антимюон, тау-лептон – анти-тау-мюон). Как правило, бозон Хиггса с большей вероятностью распадается на тяжелые фермионы, чем на легкие, потому что масса фермиона пропорциональна силе его взаимодействия с бозоном Хиггса.
Ожидается, что примерно в 58 % случаев бозон Хиггса должен распадаться на b-кварк и b-антикварк (b в названии типа кварка расшифровывают как beauty или как bottom, в русской литературе b-кварки называют также «прелестными кварками»). Но обнаружить этот распад непросто, так как в ходе экспериментов в коллайдере возникает довольно много W и Z-бозонов, которые сами по себе распадаются на b-кварки. Задачей ученых было с достаточной статистической достоверностью обнаружить “избыток” b-кварков, то есть те из них, что порождены в ходе распада бозонов Хиггса.
Раннее об обнаружении таких b-кварков уже объявлялось в 2017 году на конференции по физике высоких энергий, которую проводило в Венеции Европейское физическое общество. Но статистическая достоверность была не столь высока (в эксперименте ATLAS 3,6σ и 1,5σ в эксперименте CMS). Говорить об окончательном успехе это не позволяло, но ученые могли надеяться, что, собрав больше данных, они получат достаточно надежные результаты.
Рождение бозона Хиггса в паре с Z-бозоном и распад его на пару b-кварков (эксперимент CMS)
Теперь это произошло. Точно эксперимента сейчас достигла определяющего значения в 5σ, так что можно говорить об окончательном успехе. С одной стороны это радует, с другой – исчезла надежда, что результат окажется другим, отличающимся от вариантов, предсказанных в рамках Стандартной модели. Если бы такое случилось, сенсация была бы куда большей. Но достигнутый сейчас результат не означает конца исследований бозона Хиггса. В ближайшей перспективе ученые должны оценить реальные доли разных вариантов распада бозона Хиггса. Если в совокупности они составят 100 %, теоретические предсказания опять подтвердятся. Если же нет, это будет означает пока еще неизвестный вариант судьбы хиггсовских бозонов, например, взаимодействие их с темной материей.