Физикам впервые удалось зафиксировать превращение «частицы бога» в реальную материю На фото вы наблюдаете столкновение протонов и порожденный им бозон Хиггса, распавшийся на пару Z-бозонов. 3D-иллюстрация CERN.

Международный коллектив физиков из научной коллаборации CMS впервые смог увидеть, как происходит новый тип распада бозона Хиггса, в ходе которого знаменитая «частица бога» превращается в настоящую материю — в тау-лептоны и пару так называемых b-кварков. Открытие еще раз подтвердило существование бозона Хиггса и сузило круг возможных конкурентов Стандартной модели физики, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Physics.

«Это открытие стало для нас большим шагом вперед. Теперь мы знаем, что частица Хиггса может распадаться и на бозоны, и на фермионы (протоны, нейтроны, электроны и другие составные части видимой и темной материи). Это означает, что мы можем вычеркнуть теории, которые предсказывали, что бозон Хиггса не связан с фермионами», — пояснил Винченцо Кьокья из университета Цюриха (Швейцария).

Он и сотни его коллег из различных исследовательских организаций со всего мира, в том числе десятки физиков из России, в течение двух с половиной лет наблюдали за распадом и формированием бесчисленного множества элементарных частиц внутри Большого адронного коллайдера (БАК).

Строительство БАК началось в 1998 году. Организатор проекта — Европейская организация по ядерным исследованиям (ЦЕРН) — рассчитывала найти или доказать невозможность существования бозона Хиггса — особой частицы, необходимой для объяснения того, почему все объекты во Вселенной обладают собственной массой. Существование «частицы бога», как ее называют сегодня, было предсказано британским физиком Питером Хиггсом, бельгийцем Франсуа Энглером и другими физиками еще в 1964 году.

По теории Хиггса, Вселенную пронизывает особое поле, с которым взаимодействуют все существующие элементарные частицы: чем сильнее они сцепляются с полем, тем выше будет их масса. Если это поле существует, то должны и существовать и бозоны Хиггса — особые частицы, отвечающие за его взаимодействие с протонами, электронами и другими проявлениями видимой и темной материи. Как и другие бозоны, кроме фотона, «частица бога» распадается очень быстро — она живет в среднем 0,1 зептосекунды (триллионных долей наносекунды). Из-за этого ученым пришлось искать не сам бозон Хиггса, а следы его распада в коллайдере.

Если следовать Стандартной модели физики, бозон Хиггса может распадаться двумя способами: превращаться либо в другие бозоны (фотоны и Z-бозоны), либо в фермионы (тау-лептоны и b-кварки). Летом 2012 года физикам удалось найти следы распада бозона Хиггса по первому сценарию и вычислить его массу — 125 гигаэлектронвольт, которая оказалась очень близкой к ожидаемой.

В последующие месяцы работы БАК, до остановки его работы из-за планируемой модернизации в марте 2013 года, ученые искали следы второго типа распада, чего не удавалось сделать почти два года. За это время некоторые исследователи начали сомневаться в том, что предсказания Стандартной модели о поведении «частицы бога» верны. Опасения коллег развеяли члены коллаборации CMS, научившиеся отделять следы распада бозонов Хиггса на фермионы от мусорных данных.

В коллайдере присутствует огромное количество фермионов, возникающих в результате процессов, не связанных с распадом бозона Хиггса. Так, ученым мешали Z-бозоны, распадающиеся на те же самые тау-лептоны. Физикам пришлось объединить данные по формированию этих частиц, за которыми следят разные детекторы БАК, при помощи алгоритмов статистического анализа на базе нейросетей, разработанных в ЦЕРН специально для решения этой задачи.

Кьокье и его коллегам удалось удалить почти весь статистический шум и найти следы распада бозонов Хиггса на тау-лептоны и пары b-кварков. Достоверность этого открытия (крайне важный параметр для физиков) составляет 3,8 сигма. Это означает, что вероятность «ложного срабатывания» составляет 1 к 14 тысячам. По негласным правилам ядерной физики, ученым нужно дотянуть до планки в пять сигма для того, чтобы говорить о своем открытии как о свершившемся факте.

Как отмечает Дэвид Чарльтон, участник коллаборации ATLAS, главного конкурента CMS, авторам статьи вряд ли удастся улучшить статистическую достоверность до завершения модернизации и перезапуска Большого адронного коллайдера в 2014 году. Тем не менее даже 3,8 сигма достаточно для того, чтобы говорить о том, что обнаруженная летом 2012 года частица ведет себя так, как предсказывает Стандартная модель физики. Это позволяет утверждать, что ученые из CMS и ATLAS действительно открыли бозон Хиггса, а не частицу, лишь частично похожую на него.