4 июля 2012 года было официально объявлено, что эксперименты по поиску бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере (БАК) с очень высокой степенью вероятности увенчались успехом.
Зачем физикам вообще понадобился этот бозон? Симметрии Стандартной модели (см. «ПМ» № 3'2012) запрещают элементарным частицам иметь ненулевые массы. Проблему можно обойти, если предположить, что все пространство заполнено особого рода полем, которое нарушает эти симметрии и придает массу всем частицам, за исключением фотона, глюона и, возможно, нейтрино.
По традиции, заложенной в 1966 году американским физиком Бенджамином Ли, его называют полем Хиггса. В СМ фигурирует четыре хиггсовских поля и, соответственно, четыре скалярных бозона, три из которых не имеют массы. Они наделяют массой векторные бозоны W+, W- и Z, но сами при этом исчезают. А вот массивный квант четвертого поля, который может появляться в результате столкновения частиц высоких энергий, на очень короткое время возникает в качестве самостоятельной частицы. Он-то и есть бозон Хиггса, или просто хиггс.
Планетарный масштаб
Для записи всех следов одного межпротонного столкновения нужно не менее мегабайта, а весь поток «сырых» данных от детекторов БАК составляет 300 Гбайт/с.
Избыточная информация отсеивается с помощью двухуровневой системы компьютерной фильтрации, так что поток данных удается снизить до «скромных» 300 Мбайт/с.
Годовой объем записываемых данных с детекторов БАК в 2010 году составил около 13 петабайт, к 2012 году эта цифра увеличилась до 25 петабайт.
Эти данные передаются в информационную сеть Worldwide LHC Computer Grid, объединяющую более 170 вычислительных центров в 36 странах мира. Эта сеть позволяет ученым всего мира анализировать десятки петабайт информации о 300 триллионах столкновений на БАК.
Научно-инженерные команды каждого из детекторов ATLAS и CMS насчитывают более чем 3000 специалистов из 40 с лишним стран мира.
Загон для бозона
Теория не дает возможности определить массу хиггсовского бозона — это можно сделать только экспериментально. Долгое время не удавалось сделать даже приблизительных оценок этой массы, была известна лишь ее верхняя граница — примерно 1000 ГэВ.
СМ позволяет вычислить вероятности различных способов (каналов) рождения и распада хиггса в экспериментах на ускорителях. Однако результаты этих вычислений сильно зависят от его массы, которая изначально неизвестна. С другой стороны, необходимы хотя бы гипотетические значения этих вероятностей, иначе следы распадов попросту утонут в великом множестве прочих событий, следующих за столкновениями высокоэнергетичных частиц. Поэтому задолго до начала экспериментов на ускорителях теоретики обсчитали вероятности различных процессов рождения и распада хиггса. Первая такая работа была опубликована еще в 1975 году, хотя ее авторы рассматривали процессы, характерные для массы бозона 10 ГэВ (возможности ускорителей в то время были ограничены).
Но с начала 1990-х годов, когда началась настоящая охота на неуловимую частицу, физики постепенно стали огораживать красными флажками области масс, где хиггса быть не может. С 1989 по 2000 год в ЦЕРНе функционировал Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP), для которого был сооружен подземный круговой 27-км туннель (сейчас там находится главное кольцо БАК). Энергию столкновения частиц в LEP, которая вначале не превышала 90 ГэВ, со временем удалось увеличить более чем вдвое. Анализ экспериментов LEP показал, что масса хиггса не может быть меньше 114,4 ГэВ. С 2007 по 2011 год его искали на американском протон-антипротонном ускорителе Tevatron, что еще более сузило (правда, статистически не слишком достоверно) диапазон масс хиггса — до 115−135 ГэВ. Обнародованные в конце 2011 года результаты экспериментов на БАК позволили предположить, что масса хиггса находится точно в середине этого интервала, в промежутке между 124 и 126 ГэВ. Поэтому экспериментальные данные 2012 года обсчитывали на основе допущения, что она составляет 125 ГэВ.
Протонная сборка
В отличие от LEP и Tevatron, где сталкиваются частицы и античастицы, БАК оперирует только протонами. В 2010—2011 годах их энергия составляла 3,5 ГэВ, а в 2012 году возросла до 4 ТэВ. В феврале этого года БАК закрыли до 2016 года на модернизацию, по завершении которой энергию частиц в каждом пучке доведут до 7 ТэВ (следовательно, суммарная энергия составит 14 ТэВ), а также увеличат частоту столкновений (светимость коллайдера).
В процессе поиска бозона Хиггса в коллайдере одновременно крутились 500 трлн протонов, сгруппированных приблизительно в 2800 сгустков (банчей). Поиск вели на главных детекторных комплексах коллайдера ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) и CMS (Compact Muon Solenoid). В детекторах управляющие электромагнитные поля сводят протоны с параллельных траекторий и направляют навстречу друг другу. Хотя в столкновении двух банчей и участвуют сотни миллиардов частиц, в 2011 году среднее число межпротонных соударений на один такой контакт не превышало десятка, а в 2012-м увеличилось до двадцати. Но поскольку банчи пересекались 20 млн раз в секунду, то суммарное количество ежесекундных столкновений измерялось сотнями миллионов. Лобовой удар двух протонов (которые состоят из кварков и антикварков, скрепленных глюонным полем), разогнанных почти до световой скорости, порождает множество вторичных частиц, среди которых могут встретиться и хиггсы.
Комплексы ATLAS и CMS содержат трековые детекторы, определяющие траекторию частиц, и электромагнитный калориметр для измерения энергии фотонов, электронов и позитронов. Энергии адронов измеряются с помощью адронного калориметра, мюонов - мюонного спектрометра. Нейтрино ускользают из всех детекторов, но уносят с собой часть суммарного импульса.
Отпечатки пальцев
Бозон Хиггса не только трудно изготовить — его очень нелегко обнаружить. Время его жизни, согласно СМ, составляет 1,6 х 10−22 с, а расстояние между точками его возникновения и исчезновения не превышает нескольких десятков фемтометров. И хотя детекторы БАК — чудо измерительной техники, столь короткие дистанции они измерить не в состоянии. Поэтому бозон Хиггса можно обнаружить исключительно по продуктам его распада.