Десять лет назад на этой неделе два международных сотрудничества групп ученых, в том числе большой контингент из Калифорнийского технологического института, подтвердили, что они нашли убедительные доказательства существования бозона Хиггса, неуловимой элементарной частицы, впервые предсказанной в серии статей, опубликованных в середине 1960-х, который, как считается, наделяет элементарные частицы массой.

Пятьдесят лет назад, когда физики- теоретики пытались понять так называемую электрослабую теорию, которая описывает как электромагнетизм, так и слабое ядерное взаимодействие (участвующее в радиоактивном распаде ), она стала очевидной для Питера Хиггса, работавшего в Великобритании, и независимо от Франсуа Энглерта. и Роберта Браута из Бельгии, а также американского физика Джеральда Гуральника и других, что для объяснения поведения элементарных частиц требуется ранее неизвестное поле, заполняющее Вселенную.которые составляют материю. Это поле, поле Хиггса, привело бы к частице с нулевым спином, значительной массой и обладало бы способностью спонтанно нарушать симметрию самой ранней Вселенной, позволяя Вселенной материализоваться. Эта частица стала известна как бозон Хиггса.

В последующие десятилетия физики-экспериментаторы сначала разработали, а затем разработали инструменты и методы, необходимые для обнаружения бозона Хиггса. Самым амбициозным из этих проектов был Большой адронный коллайдер (БАК), которым управляет Европейская организация ядерных исследований или ЦЕРН. С момента планирования БАК в конце 1980-х годов Министерство энергетики США и Национальный научный фонд работали в сотрудничестве с ЦЕРН, чтобы предоставить финансирование и технологические ноу-хау, а также поддержать тысячи ученых, помогающих искать бозон Хиггса.

БАК представляет собой 27-километровое подземное кольцо, в котором протоны разгоняются сверхпроводящими магнитами почти до скорости света. Два пучка протонов, движущихся в противоположных направлениях, фокусируются и направляются на столкновение друг с другом в определенных точках, где детекторы могут наблюдать частицы, образующиеся в результате этих столкновений. Использование крупных детекторных установок различной конструкции — главным образом компактного мюонного соленоида (CMS) и тороидального аппарата LHC (ATLAS) — позволяет ученым проводить широкий спектр экспериментов для проверки предсказаний Стандартной модели, в которой бозон Хиггса является частью, для поиска новых частиц и взаимодействий, выходящих за рамки стандартной модели, и для проверки результатов друг друга. Об обнаружении бозона Хиггса 4 июля 2012 г.

Харви Ньюман, профессор физики Марвина Л. Голдбергера в Калифорнийском технологическом институте и один из руководителей группы Калифорнийского технологического института, которая является частью сотрудничества CMS, называет открытие бозона Хиггса «вехой в истории человечества», которая «навсегда изменила как мы видим Вселенную».

Бозон Хиггса, шутливо названный в 1993 году в одноименной книге авторов Леона Ледермана и Дика Терези «божественной частицей», играет решающую роль в Стандартной модели физики: он обеспечивает механизм, посредством которого элементарные частицы приобретают массу. Когда частицы пересекают поле Хиггса и взаимодействуют с бозонами Хиггса, некоторые из них скользят по поверхности, совершенно не меняясь. Но другие, так сказать, запутались в бурьяне и набирают массу.

Стандартной модели еще предстоит адекватно объяснить темную материю или гравитацию, но время от времени ее предсказания подтверждались экспериментально. «Это поразительный и удивительный результат, что благодаря анализу увеличивающихся объемов данных с использованием все более чувствительных методов согласие со Стандартной моделью продолжало улучшаться во всех своих деталях, даже когда первые признаки того, что лежит за пределами, в с точки зрения новых частиц и новых взаимодействий, продолжает ускользать от нас», — говорит Ньюман.

Любое отклонение от результатов, предсказанных Стандартной моделью, предполагает наличие других частиц или динамики, которые однажды могут стать основой для новой, более всеобъемлющей модели физики.

Столкновения, которые производят бозоны Хиггса, очень редки. На каждый миллиард протон-протонных столкновений создается только один бозон Хиггса. Чтобы еще больше усложнить эту картину, бозоны Хиггса очень быстро распадаются на другие частицы, и только путем измерения характеристик этих частиц можно сделать вывод о предшествующем существовании бозона Хиггса. Мария Спиропулу из Калифорнийского технологического института, профессор физики Шан-Йи Чен и еще один руководитель первоначальной группы исследователей Калифорнийского технологического института, которая помогла обнаружить бозон Хиггса, описывает его как «пресловутую проблему иголки в стоге сена».

Технологические усовершенствования БАК и его детекторов позволили увеличить энергию и точность коллайдеров и их детекторов. После открытия бозона Хиггса в 2012 году эксперименты на БАК позволили получить дополнительную информацию о бозоне Хиггса, его массе и процессах распада. Например, в 2018 году Ньюман, Спиропулу и другие исследователи Калифорнийского технологического института работали с международной группой, которая предоставила доказательства того, что бозон Хиггса распадается на пары фундаментальных частиц, называемых нижними кварками, — работу, которую Спиропулу в то время назвал «геркулесовым трудом». До этого открытия команда CMS впервые наблюдала прямую связь бозона Хиггса с самой тяжелой частицей стандартной модели — топ-кварком.

В 2020 году Спиропулу и ее коллеги задокументировали редкий процесс распада бозона Хиггса, в результате которого образуются два мюона. «Изучение свойств бозона Хиггса равносильно поиску новой физики, которая, как мы знаем, должна существовать», — сказал Спиропулу.

«Я как раз заканчивала среднюю школу, когда услышала об открытии бозона Хиггса на БАК», — говорит аспирант Калифорнийского технологического института и член команды CMS Ирэн Датта (MS ’20), работавшая над исследованием мюона. «Унизительно знать, насколько хорошо Стандартная модель может с такой точностью описывать элементарные частицы и их взаимодействия».

Совсем недавно группа исследователей под руководством Калифорнийского технологического института, работающая над экспериментом CMS, использовала алгоритмы машинного обучения, основанные на нейронных сетях, для разработки нового метода охоты на то, что может быть еще более неуловимой добычей, чем сам бозон Хиггса: чрезвычайно редкое » пары» взаимодействующих бозонов Хиггса, которые, согласно теории, могли рождаться при столкновениях протонов.

После трехлетнего перерыва для дальнейшей модернизации ускорителя LHC и экспериментов LHC начал окончательную подготовку к третьему запуску (запуск 3) в начале 2022 года. Запуск запуска 3, который планируется продолжить до конца 2025 года, состоится 5 июля, произведя первые столкновения при новой энергии 13,6 тераэлектронвольт.

«Открытие бозона Хиггса — веха на долгом пути вперед», — говорит Барри Бэриш из Калифорнийского технологического института, Рональд и Максин Линде, профессор физики, почетный профессор, бывший руководитель группы физики высоких энергий Калифорнийского технологического института (и со-лауреат Нобелевской премии по физике). в 2017 году за его работу над другим крупномасштабным физическим проектом, лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией или LIGO, которая в 2016 году впервые обнаружила рябь в пространстве и времени, известную как гравитационные волны). «Физика элементарных частиц движется вперед, помня о том, что Стандартная модель описывает лишь малую часть того, что мы знаем, и больше вопросов остается без ответов, чем ответов; да, у нас есть отличная простая параметризация в Стандартной модели, но фактическое происхождение нарушения электрослабой симметрии неизвестно. У нас впереди еще много работы»,

Размышляя о десятилетии изучения бозона Хиггса, Ньюман отмечает, что исследование «продолжает мотивировать нас думать усерднее и разрабатывать модернизированные детекторы и усовершенствования ускорителей, что позволит нам значительно расширить наши возможности сейчас и в течение следующих двух десятилетий». Это включает в себя вторую основную фазу программы LHC, известную как High Luminosity LHC, которую планируется запустить с 2029 по 2040 год. Она обеспечит существенную модернизацию ускорительного комплекса и детекторов, что приведет к прогнозируемому увеличению собираемых данных на в 20 раз больше, чем сегодня у CMS и ATLAS.

В команду Калифорнийского технологического института также входят Си Се, доцент кафедры физики, а также ученые-исследователи Ади Борнхейм и Жэнь-Юань Чжу, все из которых посвятили десятилетия исследованиям, чтобы открыть и понять бозон Хиггса. Группа Калифорнийского технологического института возглавляет модернизацию новых сверхточных детекторов синхронизации для БАК высокой яркости и разрабатывает новые подходы к анализу данных на основе искусственного интеллекта, которые позволят ускорить обнаружение почти в реальном времени. Группа подготовила более дюжины докторов наук. диссертации и позволил примерно 100 студентам бакалавриата и стажерам заниматься анализом, приборами и вычислительными исследованиями с момента открытия бозона Хиггса.