точные электрослабые
из-
мерения зависит от массы бозона Хиггса. При этом оказывается,
что предсказания хорошо согласуются с экспериментом только
в том случае, если масса бозона Хиггса не слишком велика.
Вторая (более умозрительная) причина считать, что бозон
Хиггса должен оказаться не слишком тяжелым, имеет отношение
к теории так называемой суперсимметрии, к которой мы вскоре
обратимся. Многие физики считают, что суперсимметрия реаль-
но существует в природе, и исходя из этой теории масса бозона
Хиггса должна быть близка к измеренной массе калибровочного
Z-бозона, то есть относительно невелика.
Учитывая предположение о том, что бозон Хиггса не слишком
тяжел, можно задать вопрос: почему мы видели все частицы Стан-
дартной модели, но никогда не видели бозона Хиггса. Все дело
в его свойствах. Даже если масса частицы невелика, мы ее не уви-
дим до тех пор, пока не сумеем получить на коллайдере и зареги-
стрировать. А наша способность сделать это определяется свой-
ствами этой частицы. В конце концов, частицу, которая вообще
ни с чем не взаимодействует, никто никогда не увидит, какой бы
легкой она ни была.
Мы немало знаем о том, как должны выглядеть взаимодействия
бозона Хиггса, потому что бозон Хиггса и поле Хиггса, хоть это
и разные вещи, похоже взаимодействуют с другими элементарны-
ми частицами. А о взаимодействиях поля Хиггса с элементарными
частицами мы можем судить по массам этих частиц. Поскольку
механизм Хиггса отвечает за массы элементарных частиц, мы мо-
жем сказать, что поле Хиггса сильнее всего взаимодействует с са-
мыми тяжелыми частицами. А поскольку бозон Хиггса возникает
из поля Хиггса, мы можем сказать то же и о его взаимодействиях.
Бозон Хиггса, как и поле Хиггса, сильнее взаимодействует с теми
частицами Стандартной модели, которые обладают наибольшей
массой.
Более сильное взаимодействие между бозоном Хиггса и тяже-
лыми частицами подразумевает, что для получения бозона Хиггса
лучше всего было бы начать с тяжелых частиц и их столкновений.
К несчастью, в коллайдерах мы не можем начать с тяжелых частиц.
358 МОДЕЛИ,
ПРЕДСКАЗАНИЯ
И ОЖИДАЕМЫЕ
РЕЗУЛЬТАТЫ
Представьте, как в БАКе могли бы возникнуть бозон Хиггса или,
вообще говоря, любая частица. В столкновениях на БАКе участву-
ют легкие частицы. Судя по небольшой массе, с частицей Хиггса
они взаимодействуют так слабо, что если бы в рождении бозона
Хиггса не участвовали никакие другие частицы, то возникал бы он
слишком редко, чтобы мы могли его обнаружить на любом из на-
ших коллайдеров.
К счастью, квантовая механика предлагает нам и другие вари-
анты. Бозон Хиггса незаметно рождается в коллайдерах с участием
тяжелых виртуальных частиц. При столкновении легких кварков
могут родиться тяжелые частицы, которые затем испустят бозон
Хиггса. К примеру, легкие кварки могут при столкновении поро-
дить виртуальный W-бозон, первый в ряду калибровочных бозо-
нов. Эта виртуальная частица может затем излучить бозон Хиггса
(схему этого процесса можно увидеть на первой схеме рис. 51).
Поскольку виртуальный W-бозон намного тяжелее и верхнего,
и нижнего кварков в составе протона, с бозоном Хиггса он взаимо-
действует соответственно сильнее. При достаточном количестве
протонных столкновений именно так должен рождаться хиггс.
Другой вариант рождения бозона Хиггса реализуется, когда
кварки испускают два виртуальных слабых калибровочных бозо-
на, которые затем сталкиваются и порождают один бозон Хиггса,
как можно видеть на второй схеме рис. 51. В этом случае хиггс
возникает вместе с двумя струями, которые формируются вокруг
кварков, разлетающихся после появления калибровочных бозонов.
И этот, и предыдущий механизм порождают не только бозоны Хигг-
са, но и другие частицы. В первом случае Хиггс рождается в связке
с калибровочным бозоном. Во втором — а для БАКа он имеет боль-
шее значение — бозон Хиггса возникает вместе со струями.
Но бозоны Хиггса могут рождаться и сами по себе. Это про-
исходит, когда сталкиваются глюоны, порождая истинный кварк
и его антикварк, которые затем аннигилируют с образованием
бозона Хиггса, как можно увидеть на третьей схеме. На самом
деле истинные кварк и антикварк — частицы виртуальные и жи-
вут недолго, но квантовая механика утверждает, что этот процесс
происходит довольно часто — ведь истинный кварк активно вза-
БОЗОН
ХИГГСА 359
Антикварк
-
Q
Кварк'
Q'
Слабый
калибровочный бозон
Слабый
калибровочный
бозон
Слабый
калибровочный
бозон
Слабый
калибровочный
бозон
Хиггс
Хиггс
H
H
Кварк
Q"
Q
W,z
W,z
W,z
W,z
Q'''
Кварк'
Q'
Хиггс
H
Глюон
G
G
Глюон
T-кварк
T
РИС
. 51.
Три модели рождения бозона Хиггса (сверху вниз): излуче-
ние Хиггса, W-Z-синтез, глюон-глюонный синтез
имодействует с хиггсом. Этот механизм возникновения частицы,
в отличие от двух первых, не оставляет никаких следов, кроме сле-
да непосредственно бозона Хиггса, который затем распадается.
360 МОДЕЛИ,
ПРЕДСКАЗАНИЯ
И ОЖИДАЕМЫЕ
РЕЗУЛЬТАТЫ
Так что, несмотря на то что сам хиггс не обязательно слишком
уж тяжел — по массе он, скорее всего, сравним со слабыми ка-
либровочными бозонами и уступает истинному кварку, — в его
рождении, вероятно, должны быть задействованы тяжелые части-
цы, такие как калибровочные бозоны или истинные кварки. По-
этому высокоэнергетические столкновения (к примеру, в БАКе)
и, разумеется, громадная их частота создают прекрасные условия
для возникновения бозонов Хиггса.
Но, несмотря на то что хиггсы в БАКе должны возникать с до-
статочно высокой частотой, для их наблюдения и регистрации
существует еще одно серьезное препятствие — характер распа-
да этих частиц. Бозон Хиггса, подобно многим другим тяжелым
частицам, нестабилен. Обратите внимание: распадается именно
частица Хиггса, а никак не поле. Поле Хиггса пронизывает вакуум
и придает массу элементарным частицам; оно никуда не пропа-
дает. А вот бозон Хиггса — это реальная элементарная частица,
обнаружимое следствие работы механизма Хиггса. Подобно дру-
гим частицам, она может возникать в коллайдере. И точно так же,
подобно другим нестабильным частицам, не может жить вечно.
Поскольку распад хиггса происходит практически мгновенно,
единственный способ обнаружить эту частицу — это зарегистри-
ровать продукты ее распада.
Бозон Хиггса распадается на частицы, с которыми он способен
взаимодействовать, а именно — на любые частицы, приобрета-
ющие массу через механизм Хиггса и достаточно легкие, чтобы
на их образование хватило энергии. Когда при распаде бозона Хигг-
са рождаются частица и соответствующая ей античастица, масса
каждой из них должна составлять меньше половины его массы, что-
бы не нарушался закон сохранения энергии. При этом чаще всего
частица Хиггса будет распадаться на самые тяжелые частицы, на ко-
торые сможет при этом условии. Но это, к сожалению, означает,
что относительно легкий бозон Хиггса лишь изредка распадается
на те частицы, которые можно без труда обнаружить и распознать.
Если бозон Хиггса, вопреки ожиданиям, окажется действитель-
но тяжелым — вдвое с лишним тяжелее, чем W-бозон (но менее
чем вдвое тяжелее истинного кварка), то искать его будет от-
БОЗОН
ХИГГСА 361
носительно несложно. Тяжелый хиггс будет практически всегда
распадаться на пару W- или Z-бозонов (на рис. 52 показана схема
распада на W-бозоны). Экспериментаторы знают, как распознать
получившиеся при этом частицы, так что бозон Хиггса можно бу-
дет обнаружить без большого труда.
Достарыңызбен бөлісу: |