Содержание:
Общая стратегия
В Стандартной модели — единственной на сегодня теории, которая хорошо описывает мир элементарных частиц, — до сих пор не проверено на опыте одно очень важное явление — хиггсовский механизм нарушения электрослабой симметрии.
Подробнее про хиггсовский механизм
Проверка этого механизма — одна из центральных задач LHC. Эту задачу можно разбить на три этапа:
1) найти частицу, похожую на хиггсовский бозон,
2) проверить, что эта частица обладает свойствами, которые ожидаются от хиггсовского бозона,
3) выяснить, какой из вариантов хиггсовского механизма согласуется с экспериментальными данными.
Поскольку хиггсовский бозон нестабилен, искать его будут по продуктам распада. На какие частицы распадается бозон Хиггса — зависит от его массы, а она, к сожалению, пока неизвестна. Теория утверждает лишь, что бозон Хиггса должен быть заметно легче 1 ТэВ, и, кроме того, эксперименты на электрон-позитронном коллайдере LEP показали, что он тяжелее 114 ГэВ. Поэтому экспериментаторам на LHC придется искать хиггсовский бозон сразу «по всем фронтам», в диапазоне масс примерно от 100 до 1000 ГэВ. Впрочем, возможно, что новые данные с коллайдера Тэватрон укажут примерное значение массы бозона, что заметно упростит задачу его поиска на LHC.
Рождение и распад бозона Хиггса
В протон-протонном столкновении на LHC соударяются в реальности не протоны целиком, а составляющие их частицы — партоны. (Подробнее про партоны.) Существует несколько механизмов рождения хиггсовского бозона, но доминирующим на LHC будет возникновение хиггсовского бозона в глюон-глюонных столкновениях.
Хиггсовский бозон обладает исключительным свойством — чем тяжелее частица, тем сильнее он к ней «цепляется». Из-за этого распадаться хиггсовский бозон будет преимущественно на самые тяжелые частицы, разрешенные законом сохранения энергии. Именно поэтому картина распада хиггсовского бозона зависит от его массы.
Подробнее про рождение и распад бозона Хиггса
Основные стратегии поиска
Выработаны несколько стратегий поиска хиггсовского бозона в зависимости от его массы.
«Легкий» бозон Хиггса.
Если хиггсовский бозон легче 140 ГэВ, то распадаться он будет в основном на b-кварк–антикварковые пары. Эти кварки породят две адронные струи, которые смешаются со всеми остальными адронами, и найти следы бозона Хиггса в этой мешанине будет практически невозможно. Для того чтобы обойти эти трудности, предполагается искать редкие распады хиггсовского бозона (например, в два фотона) либо изучать более сложные события, когда хиггсовский бозон рождается вместе с другими тяжелыми частицами.
«Тяжелый» бозон Хиггса.
Если масса хиггсовского бозона больше 140 ГэВ, то он будет распадаться в основном на два W-бозона или на два Z-бозона. В этом случае хиггсовский бозон будет найти легче, потому что W- и Z-бозоны могут при распаде давать электроны и мюоны, а их детектировать и изучать очень легко.
Подробнее про стратегии поиска бозона Хиггса
Проверка того, что открытая частица действительно есть бозон Хиггса
Разумеется, факт открытия какой-то частицы в подходящей области масс еще не означает, что это именно бозон Хиггса. После открытия частицы потребуется внимательное изучение ее свойств. Надо будет проверить, что у открытой частицы нулевой электрический заряд, нулевой спин и, самое главное, что она действительно взаимодействует с тяжелыми частицами сильнее, чем с легкими. Для этого потребуется изучать распад хиггсовского бозона в самые разнообразные наборы частиц и затем сравнить вероятности этих распадов с теоретическими предсказаниями (они уже давно сосчитаны и ждут проверки).
Когда найдут хиггсовский бозон?
Для того чтобы объявить об открытии частицы, недостаточно увидеть ее следы один или два раза. Физики должны надежно отделить «хиггсовский сигнал» от фона, то есть убедиться, что та же самая картина распада не может быть статистической флуктуацией посторонних процессов. А для этого надо набрать достаточно много событий-кандидатов, похожих на рождение и распад искомой частицы.
Время, необходимое для набора достаточной статистики, зависит от массы хиггсовского бозона. Для легкого хиггсовского бозона фоновые процессы сильные, поэтому потребуется около 2–3 лет, чтобы найти достаточно убедительные доказательства существования хиггсовского бозона. Тяжелый хиггсовский бозон искать проще, и его можно будет открыть в течение первого года работы LHC, то есть к концу 2009 года. Однако не исключено, что при таком раскладе событий к этому времени хиггсовский бозон будет найден и на Тэватроне.
Всё это относится к хиггсовскому бозону Стандартной модели, то есть в простейшем варианте хиггсовского механизма. Если же в природе реализуется какой-то неминимальный хиггсовский механизм, то поиск (хотя бы одного) хиггсовского бозона может как ускориться, так и затянуться.
Подробнее про неминимальные хиггсовские модели
