Астронет > Время искать Хиггс

Астронет: Н. В. Никитин/НИИЯФ МГУ Время искать Хиггс
http://www.astronet.ru/db/msg/1176523/index.html

Ниже приводится литературный перевод статьи Гордона Фрейзера (Gordon Fraser) "Season of Higgs and melodrama", напечатанной в международном журнале по физике высоких энергий "CERN Courier" Vol.41, N2, pp.24-26 (March 2001). В статье очень кратко и четко излагается почти детективная история неоткрытия бозона Хиггса на Большом электрон-позитронном коллайдере (LEP - Large Electron Positron Collider), который в течение 11 лет (с 13-ого ноября 1989 г. по 2-е ноября 2000 г.) функционировал в Европейской лаборатории физики элементарных частиц - CERNе - крупнейшем в Европе и одном из самых крупных в мире международном центре по изучению физики микромира. Поскольку статья расчитана на специалистов по экспериментальной физике высоких энергий, то для ее понимания более широкими кругами физиков, включая студентов, необходимо предоставить некоторые дополнительные сведения, которые содержатся в "Предисловии переводчика".

Сокращение CERN поизошло от первого названия данного научного центра, которое по-французски звучит как Conseil Europ ${\rm\acute e}$ en pour la Recherche Nucl ${\rm\acute e}$ aire - Европейская организация ядерных исследований. Впоследствии французское слово Conseil было заменено на более "космополитичное" Organisation. Начиная с середины 70-х годов XX-ого века CERN сосредоточил основные усилия на исследованиях в области экспериментальной и теоретической физики элементарных частиц. В следствии этого, потерявшее актуальность первоначальное название изменено на новое, адекватно отражающее современный научный статус CERNа: Laboratoire Europ ${\rm\acute e}$ enne pour la Physique des Particules - Европейская лаборатория физики элементарных частиц, однако старое и известное во всем мире сокращение CERN осталось в качестве второго официального названия лаборатории. Нынешним генеральным директором CERNa является известный итальянский физик-теоретик Лучано Майани (Luciano Maiani) - один из авторов знаменитого ГИМ-механизма сокращения расходимостей в диаграммах типа "квадратик", который привел к предсказанию существования четвертого, так называемого очарованного, кварка (c-кварка).

В настоящее время официальными членами CERNa являются Австрия, Бельгия, Болгария, Великобритания, Венгрия, Дания, Германия, Греция, Испания, Италия, Нидерланды, Норвегия, Польша, Португалия, Словакия, Финляндия, Франция, Чехия, Швейцария и Швеция. Статус наблюдателей имеют Израиль, Россия, США, Турция, Япония, Европейская комиссия и ЮНЕСКО. По неофициальной статистике больше всего в CERNe работает итальянцев, на втором месте идут немцы, а на третьем россияне. Последние несколько лет огромную заинтересованность в совместной работе с CERNом проявляют Индия, Китай и Пакистан.

Проект электрон-позитронного коллайдера LEP - один из самых удачных с технической точки зрения проектов CERNа за всю историю существования Лаборатории. LEP размещен в кольцевом тоннеле длинной 26 километров 659 метров, проходящем на глубине от 50-ти до 175-и метров (в зависимости от рельефа местности) по территории двух сопредельных государств: Швейцарии и Франции. Это самый большой кольцевой электрон-позитронный коллайдер в мире. И вряд ли когда-нибудь будет создан коллайдер большего диаметра. LEP планировался как фабрика одиночных Z⁰-бозонов и машина для рождения пар W⁺W^--бозонов. Предполагалось, что в первые годы эксплуатации LEPa суммарная энергия сталкивающихся e⁺e^--пучков в системе центра масс должна быть подобрана таким образом, чтобы оказаться примерно равной массе Z⁰-бозона. Тогда, вследствие резонансного эффекта, вероятность рождения данной частицы возростает в тысячи раз по сравнению с вероятностью рождения этой же частицы при энергиях, скажем, в два или даже десять раз больших, чем масса Z⁰. Пары W⁺W^--бозонов могут рождаться при энергии примерно в два раза большей, чем энергия, необходимая для резонансного рождения Z⁰-бозона. Это связано с тем, что массы нейтрального и заряженных переносчиков электрослабого взаимодействия примерно равны. Пары W-бозонов рождаются нерезонансно. С 1989-го по 1995-й год LEP работал в режиме фабрики Z⁰-бозонов, а с 1995-го до момента закрытия как машина для рождения пар W-бозонов, причем энергия сталкивающихся e⁺e^--пучков постоянно увеличивалась. Рекорд был установлен в конце 2000-го года во время "погони" за бозоном Хиггса, о чем подробно будет рассказано в статье Г.Фрейзера, и составил 209 ГэВ в системе центра масс сталкивающихся частиц, то есть по 104.5 ГэВ-а на каждый из пучков.

Столкновение электронного и позитронного пучков на LEPе происходит в четырех специальных точках. Вокруг каждой из таких точек построены гиганские детекторы для регистрации продуктов столкновения. Анализом данных с детекторов ускорителя LEP занимаются четыре независимых коллаборации, в которые входят ученые из многих стран: ALEPH (Apparatus for LEP Physics), L3 (читается как "эль три"), DELPHI (Detector with Lepton, Photon and Hadron Identification) и OPAL (an Omni Purpose Apparatus for LEP). Все детекторы LEPa являются так называемыми составными 4 $\pi$ -детекторами, то есть они охватывают всю область вокруг точки пересечения пучков и сами состоят из специализированных подсистем для определения характеристик и идентификации продуктов e⁺e^--столкновений. По совокупной информации от всех подсистем при помощи сложных компьютерных програм восстановления, последующего отбора и анализа событий формируется полная картина результатов взаимодействия электронов и позитронов при высоких энергиях.

На LEPе с недоступной раннее точностью измерены значения масс и времен жизни переносчиков слабого взаимодействия W и Z⁰-бозонов. Это важно для прецизионной проверки предсказаний Стандартной Модели (СМ) - так называется теория взаимодействия элементарных частиц, включающая в себя теорию электрослабых взаимодействий Глэшоу-Вайнберга-Салама и калибровочную теорию сильных взаимодействий Квантовую хромодинамику (КХД) - и установления верхнего ограничения на массу бозона Хиггса. Измерена ширина распада Z⁰-бозона на нейтрино и антинейтрино. Ее знание дает экспериментальное ограничение на количество различных типов легких нейтрино (то есть нейтрино, масса которых не превосходит половину массы Z⁰-бозона), что, в свою очередь, напрямую связано с количеством поколений фундаметальных кварков и лептонов. Найдено, что число таких поколений равно $N=2.9841\pm 0.0083$ . Это означает, что современной науке известны все поколения фундаментальных частиц, которые возможно получить на работающих в настоящее время ускорителях. Если существует гипотетическое четвертое поколение кварков и лептонов, то массы частиц этого поколения должны во много раз превосходить массу Z⁰-бозона. Экспериментально измерены сечение аннигиляции e⁺, e^--пары в адроны, изменение с энергией константы сильного взаимодействия $\alpha_s$ , получены новые результаты относительно свойств адронов, содержащих b-кварк. Эти результаты LEPа дали новый импульс для развития теории сильных взаимодействий. Кроме того, найдено огромное число новых экспериментальных ограничений на параметры теорий, содержащих возможные расширения СМ. И это далеко не полный перечень экспериментальных достижений LEPа.

Однако LEP не выполнил задачу-максимум, которую ставят перед каждым новым ускорителем его создатели. За все 11 лет работы на LEPе не было открыто ни одной новой элементарной частицы, не было найдено ни одного существенного отклонения от теоретических предсказаний СМ. То есть LEP с высокой степенью точности только подтвердил господствующие теоретические представления в физике элементарных частиц, чем продолжил уже более чем 25-ти летнюю традицию предшествующих ускорительных и неускорительных экспериментов при высоких энергиях.

Стандартная Модель взаимодействия элементарных частиц является одновременно и величайшим достижением физики второй половины XX века и ее величайшим проклятием. С 1973 года - со времени экспериментального открытия нейтральных слабых токов на пузырьковой камере Гаргамель в CERNe - все эксперименты в области физики элементарных частиц либо подтверждали теоретические предсказания СМ либо новые экспериментальные знания требовали косметических изменений в лагранжиане СМ. В 1974-ом году С.Тинг (в настоящее время нобелевский лауреат по физике 1976-го года Сэмюэл Тинг является одним из руководителей коллаборации L3) в Брукхейвене, США и Б.Рихтер в Стенфорде, США открыли $J/\psi$ частицу со скрытым очарованием - невозбужденное состояние $c\bar{c}$ -системы. Таким образом был найден очарованный кварк, необходимый для корректного теоретико-полевого описания электрослабых взаимодействий. Масса c-кварка хорошо согласовалась с теоретическими ожиданиями. Открытие первоначально не предусмотренных теорией $\tau$ -лептона (1975 г.) и b-кварка (1977 г.), как ни странно, только укрепило позиции СМ, поскольку существование третьего поколения фундаментальных частиц позволило естественным образом ввести в СМ механизм нарушения комбинированной зарядовой и пространственной симметрии (CP-симметрии) в распадах $K$ -мезонов за счет возникновения комплексной фазы в унитарной 3х3 матрице смешивания кварковых токов (так называемой матрице Каббибо-Кобаяши-Маскава) и предсказать новые СР-несохраняющие распады, например, в системах нейтральных B-мезонов. Помимо этого, СМ предсказала существование еще одного сверхтяжелого кварка (t-кварка) c электрическим зарядом +2/3 заряда протона и нового нейтрино, отвечающего $\tau$ -лептону. t-кварк открыт в 1995 году во FNALе (Национальная ускорительная лаборатория им. Э.Ферми, США) на ускорителе Tevatron, а эксперименты, доказывающие, что $\tau$ -нейтрино отличается от электронного и мюонного, выполнены в 2000-ом году. На рубеже XX-го и XXI-го веков в полном согласии с предсказаниями СМ обнаружены СР-нарушающие распады нейтральных B-мезонов (эксперименты BaBar, США и Belle, Япония). К этому впечатляющему перечню экспериментальных подтверждений СМ следует добавить открытие в 1983 году на протон-антипротонном коллайдере $Sp\bar{p}S$ (CERN) заряженных и нейтральных переносчиков слабого взаимодействия W и Z⁰-бозонов, все свойства которых находятся в полном соответствии с теоретическими предсказаниями СМ. Даже сообщение летом 2001 года Нейтринной обсерваторией Садбери об открытии нейтринных осцилляций не должно существенно подорвать безграничное господство СМ. Путем давно известных минимальных изменений лагранжиан СМ можно модифицировать таким образом, что в него будут входить массивные нейтрино.

Таким образом, уже более четверти века экспериментальная физика элементарных частиц не может вырваться за пределы СМ. За это время теоретики осознали, что СМ не является фундаментальной моделью элементарных частиц. В лучшем случае она способна играть роль низкоэнергетической асимптотики более фундаметальных моделей, в качестве которых могут выступать, например, теории суперсимметрии (SUSY), Великого объединения (GUT) или теория суперструн и бран. Под выражением "низкоэнергетическая ассимптотика" следует понимать следующее: теоретики полагают, что при энергиях порядка 10¹⁶ ГэВ и выше все известные взаимодействия сливаются в одно универсальное взаимодействие. В настоящее же время на ускорителях доступна для экспериментальной проверки только область энергий до 10³ ГэВ. На будущих ускорителях, например таких, как строящийся в настоящее время в CERNe Большой адронный коллайдер (LHC - Large Hadron Collider), будут доступны энергии чуть выше, чем 10⁴ ГэВ. Эти величины, хотя они практически предельны для современной ускорительной техники и вряд ли будут существенно превышены в первой половине XXI-го века, представляют, как видно, низкоэнергетический предел для взаимодействий, протекающих на масштабах энергий выше 10¹⁶ ГэВ.

Так выглядит CERN c высоты птичьего полета. На переднем плане хорошо виден 40-ой корпус. Это "штаб-квартира" физиков, связанных с Большим адронным коллайдером LHC, пуск которого планируется осуществить во второй половине 2006-го года.

Чем же СМ не удовлетворяет физиков? Во-первых, СМ содержит около двадцати свободных параметров (массы фундаментальных частиц, константы взаимодействий, вакуумные средние, элементы параметризации матрицы Каббибо-Кобаяши-Маскава и, возможно, недиагональные элементы массовой матрицы для нейтрино). Во-вторых, в СМ проведено последовательное объединение только электромагнитного и слабого взаимодействий, которые можно рассматривать как различные грани универсального электрослабого взаимодействия. Универсальность обоих взаимодействий проявляется начиная с энергий порядка масс W и Z⁰-бозонов. Сильное взаимодействие рассматривается как независимое, а гравитация вообще не входит в теоретическую схему СМ. В-третьих, СМ не дает ответа на вопрос о происхождении иерархии масс наблюдаемых элементарных частиц, количестве поколений фундаментальных фермионов, размерности нашего пространства-времени и механизме барионной асимметрии Вселенной.

Рассмотрим подробнее механизм генерации масс элементарных частиц в СМ. Помимо полей, отвечающих трем фундаментальным взаимодействиям (электромагнитному, сильному и слабому), в СМ предполагается существование еще одного поля, которое практически не отделимо от пустого пространства и не совпадает с гравитационным полем. Его принято называть полем Хиггса. Считается, что все пространство заполнено этим полем и что все фундаментальные частицы (лептоны, кварки и калибровочные бозоны) приобретают массу в результате взаимодействия с полем Хиггса. Те частицы, которые сильно взаимодействуют с полем Хиггса являются тяжелыми, а слабовзаимодействующие - легкими. Приближенно можно сказать, что этот эффект напоминает движение тела в вязкой жидкости, когда оно за счет взаимодействия с жидкостью приобретает эффективную массу, большую реальной массы тела. Другой пример аналогии - электрон в кристалле. Из-за электромагнитного взаимодействия с атомами кристаллической решетки электрон приобретает эффективную массу, отличную от массы свободного электрона. Пусть читателя не обманывает простота аналогий. На самом деле все обстоит гораздо сложнее и непонятнее. Например, СМ не может объяснить, почему одни частицы сильно взаимодействуют с полем Хиггса, а другие слабо.

В силу корпускулярно-волнового дуализма полю Хиггса должна соответствовать по крайней мере одна частица - квант этого поля, называемая бозоном Хиггса или, для краткости, просто Хиггсом. Бозон - потому, что спин кванта поля Хиггса должен быть равен нулю, то есть частицы Хиггса подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна. Хиггс - имя собственное. Оно принадлежит английскому физику-теоретику Питеру В. Хиггсу (Peter W. Higgs), который в 1964-ом году предложил механизм генерации масс калибровочных бозонов при помощи процедуры спонтанного нарушения локальной симметрии исходного лагранжиана взаимодействия (P.W.Higgs, Broken Symmetries, Massless Particless and Gauge Fields, Physics Letters 12 N 2 (1964) 132-133; Peter W.Higgs, Broken Symmetries and Masses of Gauge Bosons, Physical Review Letters 13 N 16 (1964) 508-509; Peter W.Higgs, Spontaneous Symmetry Breakdown without Massless Bosons, Physical Review 145 N 4 (1966) 1156-1163). Как непременный продукт такой генерации возникает частица Хиггса. На этот счет доказана строгая математическая теорема. Вопрос о том, почему механизм Хиггса стал основным для генерации масс фундаментальных частиц в СМ, существенно выходит за рамки данного предисловия. Читателю лишь важно знать, что без этого механизма вся конструкция СМ принципиально не может иметь места. Для получения более подробной информации по данному вопросу заинтересованному читателю рекомендуется обратиться к книгам из списка литературы, приведенного перед статьей Г.Фрейзера.

До сих пор бозон (или бозоны) Хиггса экспериментально не найдены. Без доказательства его (их) существования СМ не может считаться окончательно подтвержденной. Существуют достаточно жесткие экспериментальные ограничения на массу нейтрального бозона Хиггса как снизу, так и сверху. Нижнее ограничение на массу Хиггса получено в экспериментах на LEPe (о чем будет рассказано в статье Г.Фрейзера и послесловии переводчика) и составляет на лето 2001 года $M_H >$ 114.4 ГэВ на 95-и процентном уровне достоверности. Ограничение сверху получается из анализа вклада бозона Хиггса в различные измеренные на эксперименте параметры СМ (так называемый глобальный фит СМ) и составляет $M_H <$ 196 ГэВ на 95-и процентном уровне достоверности. Согласно данным LEPa, опубликованным в ноябре 2000-ого года в самый разгар споров о возможном продлении времени работы электрон-позитронного коллайдера на 2001-й год, ожидалось, что масса бозона Хиггса лежит в районе $115^{+1.3}_{-0.9}$ ГэВ, а потому бозон Хиггса может быть открыт на LEPe в течении года. По прошествии десяти месяцев со времени остановки LEPa, физическое сообщество переосмыслило многие прежние достаточно скоропалительные результаты и теперь склоняется к мысли, что предсказания относительно массы бозона Хиггса в районе 115 ГэВ, скорее всего, были ошибочными.

Кратко опишем, как пытались искать бозон Хиггса на LEPe. Если предположить, что СМ верна в своем минимальном варианте, то существует всего один (нейтральный) бозон Хиггса. В этом случае основной реакцией для детектирования частицы Хиггса должна стать реакция аннигиляции электрон-позитронной пары в виртуальный Z⁰-бозон, который, в свою очередь, излучает Хиггс (H), то есть:
$e^+e^-\to Z^0\to Z^0\, H.$
Выражение для сечения данной реакции легко получить стандартными методами квантовой теории поля. Оно имеет следующий вид
$\sigma(e^+e^-\to Z^0 H)\, =\,\frac{G^2_F\, M^4_Z}{96\,\pi\, s}\, \left (v^2_e+a^2_e \right )\,\lambda^{1/2}\, \frac{\lambda +12\, M^2_Z/s}{\left (1-M^2_Z/s\right )^2},$
где $G_F\, =\,\left (1.16639\pm 0.00001 \right)\,\times\, 10^{-5} $ ГэВ $^{-2}$ - константа Ферми, определяющая силу слабого взаимодействия, s-квадрат суммарной энергии e⁺e^--пары в системе центра масс сталкивающихся пучков, $a_e=-1$ и $v_e=-1+4s^2_w$ - слабые заряды электрона, $s^2_w\approx 0.23$ -квадрат синуса угла Вайнберга, $\lambda=\lambda (1,\, M^2_H/s,\, M^2_Z/s)$ и $\lambda (a,b,c)=a^2+b^2+c^2-2ab-2bc-2ac$ .

Кроме излучения Хиггса Z-бозоном, возможна реакция слияния пары W⁺W^--бозонов в Хиггс. Эта реакция идет следующим образом. Электрон излучает W^--бозон и электронное нейтрино $\nu_e$ , а позитрон - W⁺-бозон и электронное антинейтрино $\bar\nu_e$ . Следующим шагом виртуальная пара W⁺W^- переходит в нейтральный бозон Хиггса:
$e^+e^-\to\nu_e\bar\nu_e W^+W^-\to\nu_e\bar\nu_e H.$
Однако сечение реакции излучения Хиггса много больше сечения реакции слияния, так что основной упор экспериментаторы LEPa делали на детектирование первой из двух реакций.

При энергии вблизи порога образования пары $Z^0 H$ , Z-бозон и бозон Хиггса лежат практически на массовой поверхности, то есть для них, в отличие от виртуальных частиц, выполняется хорошо известное соотношение между массой покоя (m), энергией (E) и импульсом (${\vec p}$) релятивистской частицы: $m^2=E^2-{\bf p}^2$ . Бозон Хиггса и Z-бозон являются нестабильными частицами, а потому очень быстро распадаются. В области доступных LEPу энергий наиболее вероятен расспад бозона Хиггса на пару прелестных кварка и антикварка, то есть $H\to b\bar b$ . Каждый из прелестных кварков затем образует адронную струю, то есть превращается в компактную группу адронов с суммарными квантовыми числами и импульсом, равными квантовым числам и импульсу породившего их кварка. Z-бозон может распадаться по трем каналам: на кварк-антикварковую пару, на лептон-антилептонную пару и на нейтрино-антинейтрино. В зависимости от типа распада Z-бозона следующим образом классифицируют каналы поиска бозона Хиггса: четырехструйный канал, то есть канал распада $H\to b\bar b,\,\, Z^0\to q\bar q$ ; канал с так называемой "потерянной энергией", то есть когда $H\to b\bar b$ , а $Z^0\to\nu\bar\nu$ , поскольку нейтрино всех сортов не регистрируются детекторами LEPa, и "лептонный" канал: $H\to b\bar b$, $Z^0\to l^+l^-$ .

Учитывая все вышесказанное, нетрудно понять, почему когда в 1999-ом году на LEPe появилась относительно реальная возможность обнаружения бозона Хиггса, руководство LEPa стало всеми возможными и невозможными способами добиваться продолжения эксперимента сверх отведенных сроков в ущерб следующему грандиозному эксперименту CERNa - созданию протонного суперколлайдера LHC на энергию 14 ТэВ, предназначенному для поиска бозона Хиггса и возможных проявлений суперсимметрии. Как все происходило и чем закончилось? Об этом можно узнать из приведенной ниже статьи Гордона Фрейзера. Приятного чтения!

Н.Никитин

Литература для дополнительного чтения на русском языке.

К.Н.Мухин, "Экспериментальная ядерная физика", кн.2 "Физика элементарных частиц", М. "Энергоатомиздат", 1993 г.
Д.Перкинс, "Введение в физику высоких энергий", М. "Энергоатомиздат", 1991 г.
Г.В.Клапдор-Клайнгротхаус, А.Штаудт, "Неускорительная физика элементарных частиц", М. "Наука", 1997 г.
Г.В.Клапдор-Клайнгротхаус, К.Цюбер, "Астрофизика элементарных частиц", М. "Редакция журнала УФН", 2000 г.
Т.-П.Ченг, Л.-Ф.Ли, "Калибровочные теории в физике эл. частиц", М. "Мир", 1987 г.
Л.Б.Окунь, "Лептоны и кварки", М. "Наука", 1990 г.

Вперед

Время искать Хиггс

Н.Никитин

Содержание

Предисловие переводчика

Литература для дополнительного чтения на русском языке.