Физики приблизились к открытию пар бозонов Хиггса на Большом адронном коллайдере

Пятница, 28 августа 2026, 09:59

Просмотров: 2540

Спустя 14 лет после открытия бозона Хиггса физики Большого адронного коллайдера приблизились к следующей важной цели — обнаружению рождения сразу двух таких частиц. Новые результаты экспериментов ATLAS и CMS показывают все больше событий, похожих на образование пар бозонов Хиггса. Статистической достоверности пока недостаточно, чтобы объявить об открытии, но исследователи значительно сузили диапазон возможных параметров этого чрезвычайно редкого процесса.

Бозон Хиггса обнаружили в ЦЕРН в 2012 году, подтвердив существование поля Хиггса — одного из ключевых элементов Стандартной модели физики частиц. Взаимодействуя с этим полем, некоторые фундаментальные частицы приобретают массу. Последующие эксперименты позволили довольно подробно изучить взаимодействия бозона Хиггса с другими частицами, однако одна важнейшая часть картины остается экспериментально не подтвержденной.

Речь идет о самовзаимодействии поля Хиггса. В определенных столкновениях протонов должны возникать сразу два бозона Хиггса, а частота таких событий зависит в том числе от параметров потенциала Хиггса. Поэтому обнаружение пар представляет собой не просто повторение открытия 2012 года с удвоенным количеством частиц. Это принципиально новый способ проверить свойства механизма Хиггса.

Проблема заключается в невероятной редкости процесса. Согласно расчетам Стандартной модели, примерно на каждые 1500 одиночных бозонов Хиггса, возникающих в столкновениях на БАК, должна приходиться лишь одна пара. Даже коллайдер, сталкивающий протоны с огромной энергией и производящий колоссальное количество событий, должен работать долго, чтобы накопить достаточно подходящих данных.

Ситуацию усложняет то, что бозоны Хиггса существуют чрезвычайно короткое время. Детекторы ATLAS и CMS не могут увидеть их непосредственно. Физики восстанавливают произошедшее по частицам, образовавшимся после распада бозонов, словно пытаются определить источник взрыва по разлетевшимся фрагментам.

В новых исследованиях обе коллаборации сосредоточились на одном из наиболее перспективных вариантов. Один бозон Хиггса распадается на нижний кварк и антикварк, а второй — на тау-лептон и его античастицу. В детекторе в итоге необходимо распознать сложную комбинацию продуктов дальнейших распадов и отличить ее от огромного количества других процессов, происходящих при столкновениях протонов.

Именно здесь особенно полезны современные методы машинного обучения. Алгоритмы анализируют множество характеристик зарегистрированных событий и помогают выделять чрезвычайно слабый сигнал на фоне процессов, способных создавать похожую картину. Физики объединили информацию предыдущего второго запуска БАК с новыми данными третьего запуска, что повысило чувствительность поиска.

ATLAS получил особенно интригующий результат. Коллаборация обнаружила избыток событий относительно сценария, в котором парное образование бозонов Хиггса отсутствует. Статистическая значимость достигла 2,6 стандартного отклонения. Это уже заметный сигнал, однако в физике элементарных частиц требования к открытию намного строже.

Для официального обнаружения обычно требуется уровень пяти стандартных отклонений. Такой порог необходим потому, что при анализе огромных массивов экспериментальных данных случайные статистические колебания неизбежны. Поэтому результат ATLAS правильнее рассматривать как перспективный намек, который должен усилиться или исчезнуть после накопления дополнительных данных.

CMS подошел к проблеме с другой стороны и установил более жесткое ограничение на возможную частоту процесса. Полученные результаты исключают сценарии, при которых пары бозонов Хиггса образуются с частотой более чем примерно в четыре раза выше значения, предсказываемого Стандартной моделью.

Особенно важны ограничения на параметр самосвязи Хиггса. Упрощенно его можно представить как характеристику того, насколько сильно поле Хиггса взаимодействует само с собой. Точное измерение этого параметра позволит экспериментально исследовать форму потенциала Хиггса — фундаментальной конструкции, описывающей энергетические свойства поля.

Здесь исследования соприкасаются с одним из наиболее глубоких вопросов современной физики — стабильностью вакуума Вселенной. Свойства поля Хиггса связаны с тем, является ли современное состояние вакуума абсолютно устойчивым или лишь метастабильным. Измерение самовзаимодействия не даст мгновенного ответа на все вопросы, но станет важной экспериментальной проверкой теоретической картины.

Не менее интересно искать отклонения от Стандартной модели. Если реальная частота образования пар Хиггса или величина самосвязи существенно отличается от расчетной, это может указывать на неизвестную физику. Теоретически подобные отклонения способны быть связаны с дополнительными частицами или новыми механизмами, которые пока не наблюдались непосредственно.

Следующим этапом станет объединение полных данных второго и третьего запусков БАК и различных вариантов распада двух бозонов. Каждый отдельный канал содержит лишь часть информации, но совместный анализ способен заметно увеличить статистическую чувствительность.

Еще более серьезный скачок ожидается после запуска модернизированного High-Luminosity LHC. Благодаря значительно большей светимости эксперименты смогут накопить примерно в шесть раз больше данных. Именно тогда редкие двойные рождения бозонов Хиггса должны перестать быть единичными намеками и превратиться в процесс, свойства которого можно будет систематически измерять.