Знаменитий бозон Хіггса, співвідповідальний за існування маси елементарних частинок, також може взаємодіяти зі світом «нової фізики», якого шукали десятиліттями, передбачають вчені.
Якби це було так, цей бозон мав би розпадатися характерним чином за участю екзотичних частинок. Інститут ядерної фізики Польської академії наук показав, що якщо такі розпади дійсно відбуваються, їх можна спостерігати в нині розроблених наступниках прискорювача LHC.
У фізиці високих енергій існує поняття «прихованої долини». Цей термін використовується для опису набору моделей, що розширюють набір уже відомих елементарних частинок. У цих моделях частинки нашого світу, описані Стандартною моделлю, належать до групи низьких енергій, а екзотичні частинки — до групи високих енергій.
Теоретичні міркування показують, що знаменитий бозон Хіггса міг розпадатися за участю екзотичних частинок, але поки, незважаючи на багаторічні пошуки, цього не спостерігалося в прискорювачі LHC.
Проте вчені з IFJ PAN вважають, що розпад Хіггса на екзотичні частинки Прихованої долини буде чудово видно на прискорювачах, які стануть наступниками Великого адронного колайдера. Звичайно, за умови, що розглянуті моделі виявляться відповідними дійсності. Свої висновки вони описали в статті, опублікованій в Journal of High Energy Physics. Вони представляють останні аналізи та моделювання щодо можливості виявлення розпадів Хіггса в запланованих колайдерах електронів і позитронів.
«У моделях Hidden Valley ми маємо дві групи частинок, розділених енергетичним бар’єром», — пояснює проф. Марчін Кухарчик, головний автор статті. – Теорія полягає в тому, що тоді можуть існувати екзотичні частинки, які за відповідних обставин зможуть подолати цей бар’єр. Такі частинки, як бозон Хіггса або гіпотетичний Z-бозон, будуть діяти як комунікатори між частинками обох світів. Бозон Хіггса, одна з наймасивніших частинок стандартної моделі, є хорошим кандидатом для такого комунікатора».
Як пояснює професор, комунікатор, перейшовши в область низьких енергій, розпався б на дві досить масивні екзотичні частинки, і кожна з них – всього за пікосекунди, тобто трильйонні частки секунди – розпалася б ще на дві частинки з ще меншими масами. , в рамках Стандартної моделі. Тож яких ознак слід очікувати в детекторах майбутніх прискорювачів? Автори статті пояснюють, що сам бозон Хіггса залишився б непоміченим, як і обидві частинки з Прихованої долини, але фрагментовані екзотичні частинки (зазвичай на пари кварк-антикварк) вже були б видимі в детекторах у вигляді потоків частинок. від осі балок.
«Спостереження розпаду бозона Хіггса, отже, полягатимуть у пошуку потоків частинок, що надходять від пар кварк-антикварк. Тоді їх траєкторії потрібно було б простежити назад, щоб знайти місце, де, ймовірно, розпалися екзотичні частинки. Ці місця, професійно звані вершинами розпаду, повинні з’являтися парами і характерним чином зміщуватися відносно осі зустрічних пучків в прискорювачі. Величина цих зсувів залежить, серед іншого, від мас і середнього часу життя екзотичних частинок, що з’являються під час розпаду Хіггса», – говорить співавтор обговорюваної публікації магістр інж. Матеуш Гонцерц.
У найбільшому у світі прискорювачі LHC енергія зіткнень протонів досягає кількох тераелектронвольт, чого теоретично достатньо для утворення бозонів Хіггса, здатних подолати енергетичний бар’єр, що відділяє наш світ від Прихованої долини. На жаль, як підкреслюють дослідники, протони не є елементарними частинками, а складаються з трьох валентних кварків, пов’язаних сильними взаємодіями, здатних генерувати величезну кількість постійно з’являються і зникаючих віртуальних частинок, включаючи пари кварк-антикварк.
Така динамічна і складна внутрішня структура призводить до того, що в зіткненнях протонів створюється величезна кількість вторинних частинок, включаючи багато кварків і антикварків з великими масами. Вони створюють фон, на якому стає практично неможливо знайти частинки від шуканого розпаду бозона Хіггса на екзотичні частинки Прихованої долини.
Виявлення можливих розпадів бозонів Хіггса до таких станів має бути радикально покращено прискорювачами майбутнього, які вже проектуються як наступники LHC. Це будуть: CLIC (Compact Linear Collider) і circular FCC (Future Circular Collider). В обох пристроях можна буде зіткнути електрони з їхніми партнерами з антиматерії, тобто позитронами. Електрони та позитрони не мають внутрішньої структури, тому фон для екзотичних розпадів бозонів Хіггса тут повинен бути слабшим, ніж у LHC. Питання в тому, чи буде він досить слабким?
У своєму останньому дослідженні фізики з IFJ PAN врахували найважливіші параметри розроблених прискорювачів CLIC і FCC і визначили ймовірність екзотичних розпадів бозонів Хіггса з кінцевими станами у вигляді чотирьох кварків і антикварків краси. електрон-позитронні зіткнення. Для того, щоб прогнози охоплювали ширшу групу моделей, маси та середній час життя екзотичних частинок розглядалися в досить широких діапазонах значень.
Висновки виявилися напрочуд – за словами самих авторів – позитивними. «Все вказує на те, що в майбутніх колайдерах електронів з позитронами фон розпадів Хіггса можна радикально зменшити на кілька порядків, а в деяких випадках ним навіть можна знехтувати», – зазначають вони.
Вони додають, що існування частинок-месенджерів можливе не лише в моделях Hidden Valley, а й в інших розширеннях Стандартної моделі. Тож якщо детектори майбутніх прискорювачів зареєструють сигнатуру, що відповідає розпаду бозонів Хіггса, проаналізованого дослідниками з Кракова, це буде лише перший крок на шляху до відкриття «нової фізики». Наступним кроком буде збір досить великої кількості випадків і визначення основних параметрів розпаду, які можна порівняти з передбаченнями окремих моделей частинок нової фізики.
«Тому головний висновок нашої роботи є суто практичним», – підсумовує проф. Кухарчик. – Ми не впевнені, чи належатимуть нові фізичні частинки, які беруть участь у розпаді бозона Хіггса, до моделі Прихованої долини, яку ми використовуємо. Однак ми розглядали цю модель як репрезентативну для багатьох інших запропонованих моделей нової фізики та показали, що якщо, згідно з її передбаченнями, бозони Хіггса розпадаються на екзотичні частинки, то це явище має бути чудово видно вже в тих колайдерах електронів і позитронів, запуск якого планується найближчим часом».
Дослідження фінансувалося за рахунок гранту OPUS Національного наукового центру. (PAP)
крапельниця/бар/
