Астронет > Время искать Хиггс

Астронет: Н. В. Никитин/НИИЯФ МГУ Время искать Хиггс
http://variable-stars.ru/db/msg/1176523/higgs3.html

Послесловие переводчика

Статья Гордона Фрейзера нуждается не только в предисловии, но и некотором послесловии. Необходимо кратко рассказать читателям, что же произошло нового в вопросе о возможном открытии бозона Хиггса после 3-го ноября 2000-го года.

Ситуация с обнаружением бозона Хиггса на 3-е ноября 2000-го года была следующая. Установлена нижняя граница на массу бозона Хиггса $M_H\, >$ 113.5 ГэВ. Помимо этого у двух экспериментальных групп ALEPH и L3 имеется ряд кандидатов в бозоны Хиггса, данные о которых представлены в таблице.

Сводная таблица числа ожидаемых фоновых событий, ожидаемых сигнальных сообытий и реально измеренных кандидатов в бозоны Хиггса
по трем исследуемым каналам на 3 ноября 2000-го года.

Каналы	Фон	Сигнал	Число кандидатов	Стат. значимость	Эксперимент
четыре струи	0.93	1.60	3	$3.4\,\sigma$	ALEPH
потерянная энергия	0.30	0.46	1	$1.7\,\sigma$	L3
лептоны	0.35	0.68	0	-	-

Из таблицы видно что, были зарегистрированы четыре события, при ожидаемом фоне всего 1.58 события. То есть более чем двухкратное превышение сигнала над ожидаемым по результатам компьютерного моделирования фоном, что с учетом дополнительного и не рассматриваемого в данной заметке канала распада бозона Хиггса на $\tau^+\tau^-$ -пару дает превышение сигнала над фоном в 2.9 стандартных отклонения (так называемые 2.9 $\sigma$ , где $\sigma$ обозначает одно стандартное отклонение). Заметим, что если бы отклонение привышало 3 $\sigma$ , то по правилам LEPa можно было бы говорить об экспериментальном наблюдении бозона Хиггса, а если бы данное отклонение превышало 5 $\sigma$ , то речь могла бы идти об открытии бозона Хиггса на LEPe. Однако, как видно из приведенных выше данных, статистики оказалось недостаточно даже для заявления о наблюдении бозона Хиггса.

Тут можно вспомнить относительно недавний аналогичный случай, когда первоначально многообещающие результаты на уровне чуть менее 3 $\sigma$ после набора дополнительной статистики благополучно рассеялись. Лет пять назад поползли слухи об открытии в DESY (научно-исследовательский ускорительный центр, расположенный в Гамбурге, Германия) лептокварков - гипотетических тяжелых частиц, имеющих одновременно свойства как лептонов, так и кварков. Сразу посыпался град теоретических работ, пытавшихся на основе скудных предварительных экспериментальных данных определить основные характеристики лептокварков и дать предсказания относительно возможности наблюдения этих гипотетических частиц на других ускорителях. Тогда тоже было порядка пяти кандидатов в лептокварки, и сигнал от них существенно превышал ожидаемый фон. Но прошло несколько лет, была собрана новая статистика, дополнительных событий с лептокварками не обнаружили, а "сигнал от лептокварков" блогополучно поглотился фоном. Лептокварковый бум сошел на нет.

Кроме того, стоит заметить, что у многих в CERNe легитимность обнародованных событий с кандидатами в бозоны Хиггса вызывают целый ряд вопросов. Так мне рассказывали (вот они, те самые слухи, которые так часто поминает в своей статье Гордон Фрейзер!), что событие с потерянной энергией, которое было найдено коллаборацией L3 и представлено на ноябрьском заседании LEP Experiments Committee, впоследствии не подтвердилось при более корректной и сложной процедуре обработки экспериментальных данных. Но этот отрицательный результат, что называется, замяли.

За прошедшее с ноября 2000-го года время ситуация с возможным обнаружением бозона Хиггса на LEPe только ухудшилась. На июль 2001 года нижняя экспериментальная граница на массу бозона Хиггса возросла с 113.5 ГэВ до 114.4 ГэВ. Наиболее вероятное значение для массы Хиггса составляет $M_H=115.6$ ГэВ, однако превышение сигнала над фоном упало всего до 2 $\sigma$ . Это прежде всего связано с уменьшением почти в два раза ожидаемого превышения сигнала над фоном для события с "потерянной энергией", которое было представленно коллаборацией L3, после проведения более корректной процедуры выделения бозона Хиггса. У ALEPHa превышение сигнала над фоном для трех четырехструйных событий после переобработки тоже снизилось, но всего на 10%.

На мой взгляд приведенные выше новые данные однозначно свидетельствуют, что наблюдение бозона Хиггса на LEPe было миражом, вызванным большим желанием во чтобы то ни стало экспериментально обнаружить так долго неуловимую, но чрезвычайно важную для построения стройной концепции физики микромира частицу Хиггса. Даже относительно недавняя история науки знает множество аналогичных примеров. О лептокварках говорилось выше. Кроме этого, несколько раз экспериментаторы "открывали" легкий t-кварк с массой порядка 10-40 ГэВ и "измеряли" массу нейтрино большую, чем 15 эВ. Но по прошествии некоторого времени ситуация возвращалась на круги своя, а громогласные сенсационные открытия превращались в тихие закрытия.

Наиболее адекватно ситуация с возможным открытием бозона Хиггса на LEPe отражена в шуточном рисунке одного из сотрудников коллаборации ALEPH Клауса Групена (Claus Grupen). Но, как известно, в каждой шутке есть доля правды.

Вы считаете это доказательством существования бозона Хиггса?
Несомненно! Как следует из приведенного графика, бозон Хиггса имеет нулевое время жизни и бесконечно большую ширину распада.

Если на LEPe бозон Хиггса открыть не смогли, то на каких других установках и когда следует ожидать открытия неуловимого Хиггса? Без всяких сомнений, если бозон Хиггса существует в природе, то его должны открыть на LHC в CERNe. Однако Большой адронный коллайдер вступит в строй не раннее, чем в конце 2006-го года, а первые реальные результаты пойдут еще позднее.

Определенный шанс открыть частицу Хиггса, если она либо достаточно легкая, то есть ее масса не более 120 ГэВ, либо достаточно тяжелая, то есть тяжелее примерно 170 ГэВ, появляется у протон-антипротонного ускорителя Tevatron (FNAL, США), на котором 1-го марта 2001-го года начался новый сеанс набора данных (Run II). Сеанс продлится пять лет. Как заявил один из руководителей коллаборации CDF (The Collider Detector at Fermilab - эта коллаборация вместе с коллаборацией D0 регистрирует и обрабатывает данные от столкновении протонов и антипротонов на коллайдере Tevatron при энергии соударения чуть меньше 2 ТэВ) Франко Бедески (Franco Bedeschi), если предсказания физиков LEPa верны и бозон Хиггса действительно имеет массу около 115 ГэВ, то к концу сеанса на Tevatron-e может быть получено до 3000 кандидатов в бозоны Хиггса. Правда пока набор данных по настоящему еще не начался. Вплоть до сентября 2001-го года идет наладочная и калибровочная работа, которая является стандартной подготовкой к проведению длительного сеанса на любом современном ускорителе.

При написании предисловия и послесловия использовались материалы журнала "CERN Courier" и доклады LEP Higgs Working Group, опубликованные в электронных базах данных по физике высоких энергий в Интернет. Для заинтересованных читателей возможно рекомендовать заметку:
P.Teixeira-Dias "The SM Higgs Boson Search at LEP: Combined Results", hep-ex/0108002,
в которой содержатся самые последние данные и ссылки на важнейшие предыдущие сообщения.

Задачи о бозоне Хиггса.

В заключение кажется уместным привести несколько задач, которые могут оказаться полезны студентам физических ВУЗов для лучшего понимания круга вопросов, связанных с бозоном Хиггса. Возможно, эти задачи окажутся полезны и преподавателям, особенно при чтении курсов общей физики и физики элементарных частиц.

Заранее стоит предупредить, что ответы на большую часть задач НЕ содержатся в тексте статьи, но в рекомендуемой выше литературе эти ответы либо указания на них можно найти.

Каким образом можно экспериментально доказать, что бозон Хиггса является скаляром, то есть определить спин частицы Хиггса и ее пространственную четность?
При каких условиях бозон Хиггса может непосредственно взаимодействовать с нейтрино?
Найти порог реакции $e^+e^-\to\, Z^0 H$ . Определить максимальную массу бозона Хиггса, которую еще можно было бы получить на LEPe, если максимальная энергия сталкивающихся пучков в системе центра масс лептонной пары составляет E=209 ГэВ? Чем обусловлено различие полученного вами результата и экспериментального ограничения на минимально возможную массу бозона Хиггса: $M_H\, >$ 114.4 ГэВ на 95% уровне достоверности?
Порог гипотетической реакции $e^+e^-\to\gamma\to\gamma\, H$ равен точно массе бозона Хиггса. Почему эта реакция не может быть использована для получения бозона Хиггса на LEPe?
Фотон не имеет массы, следовательно бозон Хиггса не может взаимодействовать с фотоном напрямую (не в этом ли решение предыдущей задачи и только ли в этом?). Почему же тогда во многих экспериментах нейтральный бозон Хиггса предполагают искать по распаду на два фотона?
Нарисуйте фейнмановские диаграммы, отвечающие данному распаду, оцените ширину распада.
Фотон - переносчик электромагнитного взаимодействия, а потому он обязан взаимодействовать со всеми заряженными частицами. Во многих расширениях СМ в дополнение к нейтральному неизбежно появляются заряженные бозоны Хиггса. Таким образом фотон неприменно обязан взаимодействовать с заряженными бозонами Хиггса. С другой стороны известно, что взаимодействие частиц с бозоном Хиггса создает массу частиц. Но фотон не имеет массы. Как разрешить получившееся противоречие?
Оценить по порядку величины отношения сечений реакций $e^+e^-\to Z^0\to Z^0\, H$ и $e^+e^-\to\nu_e\bar\nu_e W^+W^-\to\nu_e\bar\nu_e H$ при энергиях LEPa.
С какой частицей бозон Хиггса взаимодействует сильнее: с положительно заряженным протоном, масса которого чуть меньше 1 ГэВ-а, или с отрицательно заряженным мюоном, масса которого несколько больше 105 МэВ?

Примечание. Задача совсем не так нелепа, как это может показаться на первый взгляд.

Н.Никитин