В 2012 году Большой адронный коллайдер открыл частицу с массой около 125 ГэВ, очень напоминающую хиггсовский бозон. В 2013 году, по мере накопления и обработки данных, удалось измерить основные характеристики этой частицы — и все они подтверждают первоначальные намеки. Сейчас уже не остается никаких сомнений, что эта новая частица — действительно хиггсовский бозон, частица-отголосок механизма, из-за которого в нашем мире нарушилась электрослабая симметрия.
Это открытие стало вовсе не окончанием, а наоборот — началом эры изучения хиггсовского механизма, реальность которого была наконец-то подтверждена спустя полвека после открытия и в 2013 году отмечена Нобелевской премией. Открыт сам факт того, что этот механизм работает, но не изучена его структура. Стандартная модель (СМ) использует минимальный, наипростейший вариант хиггсовского механизма. Многочисленные, но пока еще гипотетические модели Новой физики за пределами Стандартной модели опираются на куда более сложные неминимальные хиггсовские механизмы. Задача экспериментов на LHC — аккуратно изменить все параметры открытого бозона с массой 125 ГэВ и сравнить их с предсказаниями СМ. Физики надеются, что при достаточной точности измерений вскроются различия, которые и станут первой ласточкой среди эффектов Новой физики.
На этой страничке собраны свойства хиггсовского бозона, предсказанные в рамках Стандартной модели. СМ хороша тем, что это полностью фиксированная модель. До открытия бозона Хиггса в ней оставался один-единственный неизвестный параметр — масса этого бозона, но сейчас известен и он. Поэтому в рамках СМ можно получить предсказания для всех процессов, в том числе и с участием бозона Хиггса.
Общие свойства
- В рамках СМ имеется один-единственный хиггсовский бозон.
- Его спин равен нулю, его четность — положительна: 0+. Эта частица — скалярная, а не псевдоскалярная.
- Поскольку хиггсовское поле придает массу всем фундаментальным частицам, возникает важная закономерность: чем массивнее частица, тем сильнее хиггсовский бозон с ней связан.
Распады
Картина распада бозона Хиггса сильно зависит от его массы. Для массы 125 ГэВ она такова:
- Ширина распада составляет 4,1 МэВ, что соответствует среднему времени жизни 160 ис, или 1,6·10–22 с.
- Вероятность распада по различным каналам такова (числа взяты с сайта twiki.cern.ch):
| канал распада | bb | cc | ss | gg | γγ | γZ |
| вероятность | 58% | 2,9% | 0,02% | 8,6% | 0,23% | 0,15% |
| канал распада | ττ | μμ | WW* | ZZ* | ZZ*→4 лептона | невидимый распад
ZZ* → 4ν |
| вероятность | 6,3% | 0,02% | 21,5% | 2,6% | 0,012% | 0,11% |
В этой табличке выделены два наиболее удобных канала для наблюдения хиггсовского бозона: двухфотонный распад и распад на два Z-бозона, которые затем распадаются на электроны или мюоны.
То же в графическом виде; насыщенность цвета показывает удобство данного канала распада для экспериментального детектирования бозона на Большом адронном коллайдере.
Примечания и пояснения:
- Все пары частиц подразумевают «частица и античастица». Например, bb означает «b-кварк и анти-b-кварк».
- Звездочки у W- или Z-бозона означают, что одна из частиц рождается виртуальной.
- Хиггсовский бозон может распадаться и на другие наборы частиц, например с участием отдельных мезонов, но их вероятности очень малы.
- Хотя хиггсовский бозон может с заметной вероятностью распасться и на легкие кварки или глюоны (показаны серым цветом), обнаружить эти распады на LHC нереально из-за очень большого фона.
Космологические последствия
Хиггсовский сектор Стандартной модели имеет также и астрофизические и космологические последствия.
- Напомним, что стандартный хиггсовский бозон ни в коем случае не может являться частицей темной материи из-за своего быстрого распада.
- Стандартный хиггсовский механизм, в принципе, может привести к преобладанию вещества над антивеществом. Но при массе бозона Хиггса 125 ГэВ он слишком слаб, чтобы объяснить настолько сильное преобладание, которое мы наблюдаем во Вселенной. Это одна из ключевых трудностей Стандартной модели.
- Стандартная модель с таким хиггсовским бозоном предсказывает, что наш вакуум не является абсолютно стабильным, а может распасться. Тем не менее поводов для беспокойства нет из-за безумно большого времени до распада, которое к тому же еще и плохо вычисляемо.
Дополнительные ссылки:
- LHC Higgs Cross Section Working Group — рабочая группа по вычислению и измерению сечений рождения и вероятностей распадов хиггсовского бозона.
