Новая частица — бозон Хиггса?

Результаты экспериментов CMS и ATLAS на Большом адронном коллайдере

Abstract

История разработки стратегии и экспериментальных поисков бозона Хиггса Стандартной модели взаимодействий частиц на Большом адронном коллайдере Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) насчитывает более двадцати лет. В этом году экспериментальные коллаборации CMS и ATLAS объявили об открытии новой частицы — бозона с массой примерно 125 ГэВ. Свойства этой частицы не противоречат гипотезе, что она представляет собой бозон Хиггса — единственный и важнейший недостающий доселе компонент Стандартной модели.

1. Введение

Стандартная модель (СМ) взаимодействий кварков и лептонов представляет собой замечательное достижение физики XX века. Согласно СМ фундаментальными частицами являются лептоны и кварки, электромагнитное и слабое взаимодействие которых осуществляется обменом фотонами и калибровочными бозонами W и Z, а сильное взаимодействие кварков происходит за счет обмена глюонами [1-3]. СМ, представляющая собой теорию с локальной калибровочной инвариантностью, определяемой группой симметрии SUc(3)⊗SU(2)w—U(1)Y, была экспериментально подтверждена с огромной точностью в большом количестве экспериментов. Вместе с тем оставался непонятным вопрос происхождения масс частиц. Если калибровочная симметрия SU(2)w—U(1)Y точная, частицы должны быть безмассовыми. Вместе с тем известно, например, что массы W и Z бозонов, переносчиков слабого взаимодействия, превосходят масу протона почти в сто раз. Наличие массы частиц можно обеспечить, если нарушить точную симметрию, предполaгая существование самодействующего скалярного поля, заполняющего всю Вселенную [4-9], которое называется (по имени одного из авторов гипотезы) полем Хиггса. Частицы СМ приобретают массу за счет взаимодействия с вакуумным конденсатом поля Хиггса. При таком механизме возникновения масс, называемым «спонтанным» нарушением симметрии, все взаимодействия полей сохраняют калибровочную симметрию, а нарушает ее конденсат поля Хиггса. Кванты скалярного поля, бозоны Хиггса, должны рождаться при столкновении пучков электронов, позитронов, протонов или антипротонов большой энергии.

В связи с фундаментальной гипотезой о существовании заполняющего Вселенную поля Хиггса СМ можно вспомнить отдаленную историческую аналогию начала прошлого века о существовании «эфира», материальной среды, в которой распространяются электромагнитные волны. Экспериментальные поиски эфира при помощи интерферометров света удаленных звезд, проводившиеся в начале прошлого века, не были успешными, но привели к созданию теории относительности, являющейся крупнейшим достижением мировой науки. Поле Хиггса не служит, в отличие от эфира, материальным носителем для распространения каких-либо волн. Его предназначение заключается в том, чтобы обеспечить генерацию масс частиц за счет взаимодействия с ними. Представим себе пенопластовые шарики, разложенные на гладкой поверхности стола. Легкое дуновение ветра приведет к тому, что они разлетятся (масса шариков почти равна нулю). Если залить поверхность стола маслом, то «разлета» от ветра не произойдет (как будто бы шарики стали железными).

Основная цель экспериментальной программы Большого адронного коллайдера (БАК) ЦЕРН — наблюдение сигнала бозона Хиггса в детекторах CMS (Compact Muon Solenoid) и ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS). Это весьма сложная задача в связи с тем, что при столкновениях пучков протонов, как правило, отношение сигнала к фону очень малМ. Значение массы бозона Хиггса не предсказывается СМ, поэтому поиск частицы при всевозможных значениях ее массы на большом фоне от других процессов СМ очевидно более труден, чем наблюдение сигнала бозона Хиггса с массой, хорошо определенной теоретическими вычислениями. Прямое экспериментальное ограничение на массу бозона времен 90-х годов (коллайдер LEP2 ЦЕРН, коллайдер Tevatron, FNAL) mH>114.4 ГэВ [10,11]. Первые указания [12-14] на сигнал (они были с низким уровнем статистической достоверности над фоном) появились в конце прошлого года, как со стороны CMS и ATLAS, так и со стороны коллабораций D0 и CDF (последние работали на уже остановленном в сентябре 2011 года коллайдере Tevatron Национальной ускорительной лаборатории им.Ферми (FNAL,USA)). В июле 2012 года о наблюдении сигнала от нового бозона с массой примерно 125 ГэВ на уровне статистической достоверности в 5 стандартных отклонений (5 sigma) объявили коллаборации CMS и ATLAS [15,16]. Указание на существование нового бозона в области масс 117-130 ГэВ на уровне достоверности 3 sigma было получено одновременно и на коллайдере Tevatron. Свойства найденного бозона похожи на свойства бозона Хиггса СМ, однако уверенности в однозначной идентификации нет. Нельзя исключить возможности за рамками СМ, например, что найденный бозон является суперсимметричным бозоном Хиггса или радионом, предсказываемым в теориях с дополнительными измерениями пространства-времени. Для идентификации необходимы более точные экспериментальные данные.

Очень велик вклад ученых РФ в проект БАК. В настоящее время в коллаборациях ЦЕРНа работает примерно 820 российских физиков. В НИИЯФ и на физическом факультете МГУ работает примерно 30 физиков — членов коллабораций CMS, ATLAS и LHC-B.

2. Экспериментальное оборудование

БАК проектировался как ускоритель со встречными пучками на энергию 14 ТэВ, осуществляющий порядка 800 млн столкновений протонов в секунду. Такая высокая светимость необходима для «вылавливания» процессов с маленькими сечениями порядка 10 фбн. Проект БАК был утвержден в 1994 г., сооружение началась в 1998 г. Для использования уже готового кольцевого подземного туннеля LEP2 длиной около 27 км было необходимо произвести для размещеня в нем примерно 1250 сверхпроводящих магнитов (криодиполей) с напряжённостью поля 8,5 Тл. Сложной проблемой оказалось создание универсальных детекторов общего назначения CMS и ATLAS. Дело в том, что после рождения бозон Хиггса немедленно распадается по различным каналам (в том числе на два b-кварка, два калибровочных бозона W и Z, два тау-лептона, два фотона и др.), вероятности которых сильно зависят от массы бозона. Помимо того, что детекторы должны эффективно регистрировать все каналы распада, они также должны иметь очень хорошее разрешение по энергии, позволяющее наблюдать узкие резонансы над огромным фоном (например, ширина распада бозона Хиггса с массой 150 ГэВ в два фотона порядка 10 МэВ). При столкновении двух стандартных сгустков протонов (всего в кольце ускорителя вращаются 2800 таких сгустков) рождается примерно тысяча заряженных частиц. Частота столкновений сгустков примерно 40 Мгц (25 наносекунд между столкновениями), что после процедуры отбора событий желаемого типа (так называемый «триггер первого уровня») можно сократить не менее чем до 100 Кгц. Таким образом, электроника считывания должна обладать огромной пропускной способностью каналов (имеется примерно 100 млн. каналов считывания на один детектор). С учетом триггера каждый из детекторов CMS и ATLAS выдает при максимальной светимости порядка 600 Мб/сек данных. Полученные 10-100 Пб данных на одну коллаборацию за рабочий год (1 Пб=106 Гб) распределяются в дальнейшем по мировым научным центрам для offline анализа. Вычислительная система ЦЕРН (LHC computing grid) имеет иерархическую структуру, образованную центральной станцией Tier-0 в ЦЕРН и примерно десятью периферическими станциями Tier-1 в национальных научных центрах разных стран-участниц. Offline-анализ и реконструкция событий осуществляется центрами второго уровня Tier-2 (такой центр имеется в том числе в НИИЯФ МГУ). Первый запуск БАК при энергии 7 ТэВ (3.5 ТэВ+3.5 ТэВ) был осуществен осенью 2008 года, К сожалению, он сопровождался электрическим пробоем соединений силовых кабелей ускоряющих магнитов и перегревом отдельных криодиполей, что привело к их разгерметизации, разливу жидкого гелия и повреждению примерно 55 магнитов, замена которых отложила реальное начало экспериментов на осень 2009 года. В настоящее время режим работы БАК более «мягкий» (50 наносекунд между столкновениями, 1400 столкновений сгустков протонов на один оборот пучков), суммарная энергия пучков 8 ТэВ. Запроектированные параметры (14 ТэВ при высокой светимости) будут достигнуты после технического перерыва, который начнется в 2013 году и продолжится примерно полтора года.

Рис.1. Детектор CMS, вид с торца. Четыре внешних слоя мюонных камер окружают ярмо магнита, внутри которого находятся адронный и электромагнитный калориметры. Трековые детекторы, пиксели и микрострипы расположены вдоль оси цилиндра.

Каждый из детекторов CMS и ATLAS представляет собой набор подсистем, предназначенных для регистрации частиц определенного типа. Точка столкновения пучков (см. Рис.1) окружена трековыми детекторами в комбинации с пикселями и микрострипами. Магнитное поле порядка нескольких Тл предназначено для определения энергий по кривизне треков. Следующие цилиндрические слои представляют собой электромагнитный и адронный калориметры для регистрации фотонов, электронов и тау-лептонов и адронных струй. Регистрация мюонов производится мюонными камерами внешнего слоя компонент. Цилиндрические («barrel») структуры основных подсистем дополняются их аналогами в торцевых зонах («endcap») для регистрации частиц вперед-назад. Нейтрино не регистрируются, их наличие определяется по несбалансированному поперечному импульсу в данном событии («missing pT»). Детекторы отличаются от предыдущего поколения подобных установок уникальными инновационными технологиями электромагнитных калориметров (для CMS — сцинтиллирующие кристаллы вольфрамата свинца, для ATLAS используется свинец с жидким аргоном).

Рис. 2. Детектор ATLAS с извлеченной из области ярма магнита торцевой частью.

3. События рождения бозона Хиггса

При столкновении протонов образуется большое количество вторичных частиц. Говорят, что протоны производят «события» в соответствии с определенной классификацией. Основным каналом открытия нового бозона, похожего на бозон Хиггса, явился его двухфотонный распад. Одно из таких событий показано на Рис.3. В канале распада на два фотона получена статистическая достоверность 4,5 sigma, что в комбинации с другими каналами распада позволяет получить достоверность сигнала на уровне пять стандартных отклонений (5 sigma).

Рис.3. Событие рождения бозона Хиггса в детекторе CMS с последующим распадом на два фотона. Желтыми пунктирами, переходящими в зеленые линии, изображены два фотона распада с поперечными импульсами порядка 50 ГэВ каждый. Сплошные желтые линии соответствуют заряженным частицам, образовавшимся в том же столкновении. Большое количество частиц вылетает под малыми углами к оси сталкивающихся пучков протонов в направлениях вперед-назад.

Рис.4. Распределения по инвариантной массе двух фотонов, полученные в экспериментах CMS и ATLAS. Фоновые события рождения двух фотонов изображены зеленой пунктирной линией для CMS и голубой пунктирной линией для ATLAS. При значении инвариантной массы фотонов 125 ГэВ наблюдается резонанс, соответствующий двухфотонному распаду предполагаемого бозона Хиггса.

Рис.5. Событие рождения предполагаемого бозона Хиггса с последующим распадом на два Z-бозона в детекторе ATLAS. Один из Z-бозонов распадается в пару электрон-позитрон (зеленые линии), другой — в пару мюон-антимюон (красные линии).

Сигнал отчетливо наблюдается также в канале распада предполагаемого бозона Хиггса на два Z-бозона, каждый из которых немедленно распадается в электронную или мюонную пару. Поскольку Z-бозоны, как и бозон Хиггса, весьма короткоживущие (длина пробега до распада не видна), то распады на два Z-бозона выглядят как две электрон-позитронные пары (или пары мюонов разных знаков заряда), вылетающие из точки столкновения пучков. Одно из таких событий показано на Рис. 5. В этом канале получена статистическая достоверность 3 sigma.

Рис.6. Распределения по инвариантной массе четырех лептонов в экспериментах CMS и ATLAS. При энергии 91 ГэВ наблюдается пик, связанный с рождением калибровочного бозона Z и его последующего редкого распада в четыре лептона. В эксперименте ATLAS Z-пик подавлен специальной процедурой отбора при offline-обработке событий.

4. Заключение

Результаты коллабораций CMS и ATLAS хорошо согласуются между собой и свидетельствуют о существовании частицы с массой примерно 125 ГэВ, распады которой в два фотона и четыре лептона соответствуют в целом бозону Хиггса Стандартной модели. Важно отметить, что сигнал наблюдается в четырех каналах распада. Два не упомянутых нами выше канала обладают низким уровнем статистической достоверности 2 sigma, что пока недостаточно для надежного подтверждения сигнала. Имеются указания на принципиальные вопросы в связи с каналом распада на тау-лептон — антилептон. Вместе с тем общая экспериментальная статистика пока явно недостаточна для прямого измерения других характеристик бозона Хиггса, например, его спина, пространственной четности и др. Практически нет точной и прямой экспериментальной информации о константах связи бозона Хиггса с фермионами и векторными бозонами. Отметим, что наиболее надежно установленный экспериментально двухфотонный канал индуцирован на однопетлевом уровне, когда сечение определяется комбинацией разных констант связи. В настоящее время коллаборацией CMS набрана светимость 14,6 обратных фб, то есть полное число событий рождения нового бозона на одну коллаборацию порядка 500. Этого явно недостаточно для определенных выводов об угловых распределения фотонов и лептонов распада, позволяющих установить спин и четность частицы. До конца 2012 года будет набрана дополнительная статистика, что позволит сделать более определенные выводы о природе наблюдаемого объекта.

В заключение отметим, что СМ имеет известные проблемы. Плотность энергии вакуума СМ чрезвычайно велика (на 55 порядков превосходит оценку плотности энергии во Вселенной из астрофизических наблюдений, что часто называют также «проблемой космологического члена»). СМ не имеет в своем составе частицы — кандидата на роль «темной материи», а радиационные поправки в СМ не контролируются на масштабе, так называемого, великого объединения (что известно как «проблема калибровочных иерархий»). Более того, уже на масштабе порядка одного ТэВ петлевая поправка к массе бозона Хиггса СМ становится сравнимой с его массой (так называемая «проблема малой иерархии»). Совершенно непонятно происхождение смешивания в секторах лептонов и кварков — достаточно давно надежно установлено, что матрицы лагранжевых членов трех поколений для вершин взаимодействия и массовые матрицы СМ не являются одновременно диагональными. В последнее время получены убедительные данные о наличии массы нейтрино и смешивании в лептонном секторе в экспериментах по осцилляциям нейтрино, что явно не укладывается в рамки «ортодоксальной» СМ без правого дираковского «стерильного» нейтрино. Кроме того, СМ не обеспечивает при массе бозона Хиггса, равной 125 ГэВ, электрослабый фазовый переход первого рода, необходимый для генерации барионной асимметрии Вселенной после Большого взрыва. Эти и другие аргументы говорят о том, что СМ не может быть «окончательной» теорией, новые частицы и другие взаимодействия должны обязательно существовать и могут проявиться экспериментально при дальнейшем исследовании ТэВ-ой области энергий, доступной для БАК. Продолжение экспериментов CMS и ATLAS, а также экпериментов LHCb и ALICE, имеет очень большое значение для физики и обладает огромным научным потенциалом в связи с фундаментальными проблемами «на стыке» физики частиц и космологии.

Литература

[1] S.L. Glashow, Partial-symmetries of weak interactions, Nucl. Phys. 22 (1961) 579, doi:10.1016/0029-5582(61)90469-2

[2] S. Weinberg, A Model of Leptons, Phys. Rev. Lett. 19 (1967) 1264, doi:10.1103/PhysRevLett.19.1264

[3] A. Salam, Weak and electromagnetic interactions, in: Elementary particle physics: relativistic groups and analyticity (Proc. of the 8th Nobel symposium), ed by N. Svartholm, p. 367, Almqvist & Wiskell, 1968

[4] F. Englert and R. Brout, Broken symmetry and the mass of gauge vector mesons, Phys. Rev. Lett. 13 (1964) 321, doi:10.1103/PhysRevLett.13.321

[5] P.W. Higgs, Broken symmetries, massless particles and gauge fields, Phys. Lett. 12 (1964) 132, doi:10.1016/0031-9163(64)91136-9

[6] P.W. Higgs, Broken symmetries and the masses of gauge bosons, Phys. Rev. Lett. 13 (1964) 508, doi:10.1103/PhysRevLett.13.508

[7] G.S. Guralnik, C.R. Hagen, and T.W.B. Kibble, Global conservation laws and massless particles, Phys. Rev. Lett. 13 (1964) 585, doi:10.1103/PhysRevLett.13.585

[8] P.W. Higgs, Spontaneous symmetry breakdown without massless bosons, Phys. Rev. 145 (1966) 1156, doi:10.1103/PhysRev.145.1156

[9] T.W.B. Kibble, Symmetry breaking in non-Abelian gauge theories, Phys. Rev. 155 (1967) 1554, doi:10.1103/PhysRev.155.1554

[10] ALEPH, DELPHI, L3, OPAL Collaborations (LEP Working Group for Higgs Boson Searches), Search for the standard model Higgs boson at LEP, Phys. Lett. B 565 (2003) 61, doi:10.1016/S0370-2693(03)00614-2, arXiv:hep-ex/0306033

[11] CDF and D0 Collaborations, Combination of Tevatron Searches for the Standard Model Higgs Boson in the W+S Decay Mode», Phys. Rev. Lett. 104 (2010) 061802, doi: 10.1103/PhysRevLett.104.061802. См. также arXiv:1207.0449

[12] G. Aad, et al., Combined search for the Standard Model Higgs boson in pp collisions at ps = 7 TeV with the ATLAS detector, Phys. Rev. D 86 (2012) 032003. arXiv:1207.0319, doi: 10.1103/PhysRevD.86.032003

[13] S. Chatrchyan, et al., Combined results of searches for the standard model Higgs boson in pp collisions at sqrt s = 7 TeV, Phys. Lett. B 710 (2012) 26. arXiv:1202.1488, doi: 10.1016/j.physletb.2012.02.064

[14] CDF and D0 Collaborations, Evidence for a particle produced in association with weak bosons and decaying to a bottom-antibottom quark pair in Higgs boson search at the Tevatron, submitted to Phys. Rev. Lett. (2012). arXiv:1207.6436

[15] ATLAS Collaboration, Observation of a New Particle in the Search for the Standard Model Higgs Boson with the ATLAS Detector at the LHC, Phys. Lett. B 716 (2012) 1

[16] CMS Collaboration, Observation of a new boson at a mass of 125 GeV with the CMS Experiment at the LHC, Phys. Lett. B 716 (2012) 30

Э. Боос, М. Дубинин, В. Саврин

НИИЯФ МГУ