На Большом адронном коллайдере увидели главный канал распада бозона Хиггса
Физикам из коллаборации ATLAS Большого адронного коллайдера впервые удалось надежно зафиксировать распад бозона Хиггса на прелестный кварк и прелестный антикварк. Это последний из основных каналов распада частицы, предсказанных Стандартной моделью и подтвержденный экспериментально. Одновременно с этим ученые проанализировали последний из основных каналов рождения бозона Хиггса в коллайдере, тем самым завершив в общих чертах картину рождения и распада частицы. По словам представителей ATLAS, теперь физика бозона Хиггса переходит в новую эру — точных измерений. Результаты были представлены на конференции ICHEP2018, кратко о них сообщает официальный сайт коллаборации ATLAS.
Важнейшей задачей, стоявшей перед Большим адронным коллайдером в первые годы работы, был поиск бозона Хиггса. Эта частица была предсказана Стандартной моделью, чтобы объяснить, откуда берется масса у частиц-переносчиков слабого взаимодействия (W и Z-бозонов), а также, через взаимодействие Юкавы, у заряженных лептонов (электронов, мюонов и тау-частиц) и кварков. Общая идея механизма Хиггса состоит в том, что существует специальное дополнительное поле, с которым все перечисленные частицы взаимодействуют. Именно это взаимодействие и проявляется как масса частиц — без него (и поля Хиггса) все элементарные частицы были бы безмассовыми. Бозон Хиггса — элементарное возбуждение этого поля.
Однако Стандартная модель предсказывала не только существование новой частицы, но и ее свойства. В зависимости от массы бозона физическая теория позволяла оценить, как именно он будет рождаться и распадаться. У массивного бозона Хиггса несколько каналов (способов) распада и каждый реализуется со своей вероятностью, точно предсказываемой Стандартной моделью.
После открытия самого факта существования бозона Хиггса в 2012 году, эксперименты ATLAS и CMS перешли к измерениям тех самых свойств открытого бозона. Если вероятность любого из путей рождения или распада частицы окажется меньше или больше предсказанной, то это укажет на какой-то неизвестный процесс, не учитываемый Стандартной Моделью. Особенности этого процесса помогут физикам в поисках Новой физики за пределами Стандартной модели — более совершенной физической теории, способной объяснить избыток материи во Вселенной по сравнению с антиматерией и происхождение темной материи.
Бозон Хиггса был открыт благодаря двум каналам распада — на два фотона и на четыре лептона (точнее, сначала на два Z-бозона, а затем на два лептона). Стандартная модель предсказывает, что вероятность этих распадов составляет 0,2 и 2,6 процента соответственно. Казалось бы более частые и, соответственно, более легкие для наблюдения распады на пару W-бозонов и тау-лептонов (21,5 и 8,6 процента распадов Хиггса), удалось выделить среди экспериментальных данных уже позднее. И лишь сейчас, на объединенной статистике Run 1 и Run 2, физики могут окончательно утверждать о наблюдении самого главного канала распада бозона Хиггса — на прелестную кварк-антикварковую пару (58 процентов всех распадов).
Главная сложность наблюдения этого канала распада — большое количество шумов. Чтобы заметить распады бозона физики изучают образующиеся осколки. Пара короткоживущих прелестных кварков, рождающихся в искомом процессе, превращается в две струи (b-jet) из частиц — продуктов распада кварков. Но проблема в том, что прелестные кварки и сами по себе рождаются в столкновениях протонов очень часто — отличить их струи от распадов бозона Хиггса невозможно.
Поэтому физики эксперимента ATLAS искали более редкую ситуацию, включающую в себя одновременное рождение бозона Хиггса вместе с одним из векторных бозонов слабого взаимодействия и распад всей системы в целом. Осколки от такого процесса будут формировать более характерную картину — одновременно со струями будут возникать лептоны (мюоны или электроны). Конечно, и такой набор осколков не уникален — он может возникнуть в результате распада пары короткоживущих топ-кварков. Чтобы отличить осколки от распада бозона Хиггса от остальных физики очень аккуратно смоделировали фоновые распады и отобрали только те события детекторов, которые соответствуют очень строгим критериям.
Данные Run 2 с энергией столкновений протонов в 13 тераэлектронвольт позволили «увидеть» сигнал от распадов бозона Хиггса на прелестные кварк и антикварк со статистической значимостью в 4,9 стандартных отклонений. Это немного меньше, чем требуется для заявления об наблюдении эффекта. Чтобы перешагнуть отметку в «пять сигма» (шанс того, что наблюдаемый эффект это случайная флуктуация, меньше одного на три миллиона) физики объединили статистику последних трех лет работы коллайдера со статистикой Run 1 (7 и 8 тераэлектронвольт), достигнув значимости в 5,4 сигма.
Помимо нового экспериментального подтверждения канала распада, физики заодно достоверно увидели последний из основных предсказанных каналов рождения бозона Хиггса совместно с векторным бозоном. Оба новых наблюдения хорошо согласуются со Стандартной моделью. Будущие планы экспериментаторов связаны уже с более точным определением параметров новых процессов.
Помимо этого, шансы на поиски следов Новой физики остаются в исследованиях чрезвычайно редких процессов, подробнее о которых можно прочесть в наших материалах «Раритеты микромира» и «Раритеты микромира: Возвращение неуловимых».
Владимир Королёв
Он распался на кислород <sup>24</sup>O и четыре нейтрона
Японские физики синтезировали самый тяжелый на сегодняшний день изотоп кислорода 28O с магическим числом и нейтронов, и протонов. Он оказался нестабильным, несмотря на предсказанные для него магические свойства, и моментально распадался на четыре нейтрона и кислород 24O. По мнению авторов статьи в Nature, эти результаты указывают на сложную структуру нейтронной оболочки 28O с близкими по энергии возбужденными состояниями. Стабильность изотопов физики описывают разными теоретическими моделями. В частности, некоторые из них предсказывают высокую стабильность изотопов с определенным — магическим — числом протонов и нейтронов. Для протонов магическими являются числа Z = 2, 8, 20, 50, 82, 114, 126, а для нейтронов — числа N = 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. В атомах с такими числами нейтронные и протонные оболочки ядра полностью заполнены, а основное и возбужденные состояния сильно отличаются по энергии — это приводит к повышенной стабильности ядра. Особенно устойчивыми являются дважды магические ядра, в которых одновременно заполнены и протонная, и нейтронная оболочки — например, самый распространенный изотоп кислорода 16O. Для кислорода также известны более тяжелые изотопы с большим количеством нейтронов. Все они, начиная с 19O и заканчивая 26O, неустойчивы. При этом, согласно теоретическим представлениям, дважды магическое ядро 28O может быть устойчивым, хотя оно и содержит очень большое количество нейтронов. Тем не менее получить этот изотоп до сих пор не получалось. Впервые синтезировать кислород 28O удалось физикам под руководством Ёсуке Кондо (Yosuke Kondo) из Института физико-химических исследований RINKA в Японии. Для этого ученые облучали вращающуюся мишень из бериллия 9Be пучком ядер кальция 48Ca. При этом получались разные легкие ядра, из которых с помощью спектрометра физики отсеяли ядра фтора 29F и направили их на мишень из жидкого водорода. При этом из фтора образовались изотопы кислорода 27O и 28O. Далее, с помощью спектрометров физики смогли детектировать продукты их быстрого распада — нейтроны и кислород 24O. Рассчитанная учеными энергия распада составила 0,5 мегаэлектронвольта для 28O и 1,09 мегаэлектронвольта для 27O. Исходя из того, что энергия распада 27O и 25O больше, чем у 28O, физики сделали вывод, что изотоп 28O разложился ступенчато — сначала образовался изотоп 26O и два нейтрона, а затем 26O превратился в 24O и еще два нейтрона. Далее, физики провели расчеты нуклонной структуры 28O на основе теории χEFT (chiral effective field theory) и метода связанных кластеров (coupled-cluster method). Расчеты показали, что нестабильность ядра 28O связана с нестандартным расположением его нейтронных оболочек, которое приводит к заселению возбужденных состояний ядра с низкой энергией (intruder states). В результате физики впервые получили изотоп кислорода 28O и провели теоретические расчеты, объясняющие его нестабильность нестандартной структурой нейтронных оболочек. Тем не менее, прямые доказательства немагичности нейтронной структуры 28O еще предстоит найти. Ранее мы рассказывали о том, как физики получили самый тяжелый изотоп кальция.