Научный взгляд на устройство вселенной
жүктеу/скачать 8,11 Mb. Pdf көрінісі
|
knocking on
| 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. жүктеу/скачать 8,11 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|