Время «жизни» бозона Хиггса наконец-то измерили почти точно

На днях Европейская организация по ядерным исследованиям (ЦЕРН, CERN) опубликовала долгожданный для многих физиков пресс-релиз. В нем подробно и понятно даже «простым смертным» рассказывается, как ученые на основе данных, собранных в последние годы работы Большого адронного коллайдера (БАК), смогли определить время «жизни» бозона Хиггса с высокой точностью.

Если вкратце, эта нестабильная субатомная частица существует в среднем 2,1×10^-22 секунды, то есть 0,21 зептосекунды или 210 иоктосекунд. Иными словами, порядка триллионной миллиардной доли секунды. Погрешность измерений составляет +2,3/-0,9, что превышает на несколько порядков ранее достигнутый уровень точности. А самое главное — эти значения совпадают с теоретическими данными: согласно расчетам, бозон Хиггса должен распадаться через 1,6×10^-22 секунды после своего возникновения.

Соответствие эмпирических данных Стандартной модели чрезвычайно важно для физиков. Покажи эксперимент время «жизни» хиггсовского бозона меньше теоретических значений, и ученым пришлось бы искать новые пути распада частицы. А значит, пересматривать теорию в отдельных аспектах или вообще в значительной ее части. Если же время существования бозона Хиггса оказалось бы дольше предсказанного, такая новость стала бы настоящим сюрпризом. В этом случае реальное взаимодействие легендарной частицы с другими должно быть слабее.

Проще говоря, отклонения от теоретических расчетов привели бы к поиску альтернативных объяснений. А Стандартная модель хорошо подтверждена множеством экспериментов, и появление «частицы-бунтаря» смешало бы все карты ученых. С одной стороны, это неплохо, так как двигает науку. С другой — необходимость кардинального пересмотра проверенных теорий из-за одиночного отклонения редко указывает на изъян в самой теории, скорее на серьезную ошибку в эксперименте.

Проблема с измерением времени «жизни» хиггсовского бозона связана с тем, что эта частица слишком короткоживущая, чтобы пройти в детекторе значительное расстояние перед своим распадом. Между тем она существует слишком долго, чтобы определить время до ее распада известным косвенным методом. Обычно физики узнают его, оценивая «ширину масс» (mass width) частицы. Дело в том, что нестабильные частицы могут «весить» по-разному вследствие принципа неопределенности Гейзенберга.

С наибольшей вероятностью бозон Хиггса при появлении имеет массу 125 гигаэлектрон-вольт, это так называемый номинал. Ученые уже научились получать такие частицы с определенной частотой и добились 10%-ного шанса на успех в этой методике. Но поскольку хиггсовский бозон нестабилен, гораздо реже он может появиться со значительно более крупной массой — такой назвали нестандартным, аномальным. Правда, и распадается он в этом случае быстрее — зависимость здесь пропорциональная.

В итоге физики придумали следующий метод определения номинального времени «жизни» бозона Хиггса. Так как все параметры частицы известным образом взаимосвязаны — частота появления «номинальных» (on-shell) и «аномальных» (off-shell), а также зависимость между отклонением массы и скоростью распада, — они подсчитали, сколько получилось хиггсовских бозонов разных масс. Соотношение между ними подсказало ту самую «ширину масс», а следовательно, и номинальное время жизни кванта поля Хиггса.

Сбор необходимых данных занял несколько лет, его проводили во время второй кампании работы БАК (Run 2). В огромном объеме информации физикам пришлось научиться находить свидетельства образования «аномальных» бозонов Хиггса. Но результат оправдал все трудозатраты.