Тончайшее несовершенство, что порождает всё. Долгий путь частице Бога и Новая физика, которая изменит мир

Открытие бозона Хиггса в 2012 году ознаменовало собой не только кульминацию почти полувековых поисков этой уникальной частицы, но и начало новой эпохи в физике элементарных частиц – эпохи хиггсовских исследований. Нам открылась совершенно новая грань нашего мира, и физики, радостно потирая руки, принялись ее изучать. Популярный рассказ о состоянии физики частиц в тот знаменательный момент можно найти в новости Иванов И. Хиггсовский бозон: открытие и планы на будущее. Элементы. ру, 16.07.2012.

Рассказ Тонелли оканчивается 2015 годом: восторг открытия улегся, уступив место планомерной работе по изучению свойств хиггсовского бозона, попыткам обнаружить с его помощью какие‑то новые законы мироздания, получить прямые намеки на Новую физику. Кратко опишу, что произошло в этой области исследований за прошедшее десятилетие.

Изучение свойств бозона Хиггса подразумевает целый комплекс измерений. Эта частица исключительно нестабильна и спустя кратчайшую долю секунды после своего рождения в протонных столкновениях она превращается в более легкие и стабильные частицы. Однако распадаться она может на разные наборы конечных частиц, и каждый из ее каналов распада имеет четко определенную вероятность. Теоретики могут эти вероятности сосчитать в рамках Стандартной модели, а также в рамках разнообразных теорий Новой физики, а экспериментаторы могут их измерить. Чем больше событий рождения и распада бозона Хиггса задетектировано, тем точнее окажутся экспериментальные измерения и тем надежнее можно будет делать выводы о справедливости предсказаний Стандартной модели или об отклонениях от нее. Кроме того, процесс возникновения бозона Хиггса тоже может протекать по‑разному; все характеристики для любого канала его рождения можно с некоторой точностью вычислить теоретически и измерить в эксперименте. Наконец, для каждой конкретной комбинации рождения и распада бозона можно изучать распределения числа событий по энергиям или углам вылетевших частиц – и тоже сравнивать результаты с предсказаниями теории.

В течение последнего десятилетия из сотен таких исследований постепенно складывался “портрет” хиггсовской частицы. По мере того как накапливались данные и более прозорливыми становились методы их анализа, по мере появления новых идей и теоретических расчетов этот “портрет” становился все более отчетливым, в него добавлялись новые штрихи, исчезали белые пятна.

Работа Большого адронного коллайдера организована в многолетние сеансы, чередующиеся техническими паузами на ремонт и модернизацию. Первый сеанс набора данных, LHC Run 1, закончился в 2012 году, но полученные данные анализировались еще несколько лет. С 2015 по 2018 год прошел второй сеанс работы LHC Run 2 на повышенной энергии протонных столкновений, в ходе которого было собрано значительно больше данных. В 2022 году, после многолетней паузы, усугубленной, в частности, пандемией и ее ограничениями, стартовал рабочий сеанс Run 3. Результаты по хиггсовскому бозону, которые появляются сейчас, в 2024 году, в основном базируются на огромной статистике Run 2, иногда с добавкой прошлогодних данных.

В 2012–2015 годах, когда шла обработка данных Run 1 и все хиггсовские измерения еще обладали большими погрешностями, появились намеки на то, что свойства бозона Хиггса заметно расходятся с ожиданиями Стандартной модели. Каналы рождения и распада были ожидаемыми, но их вероятности, казалось, отличаются от стандартных. Более того, в 2015 году появились намеки на то, что бозон Хиггса может иногда распадаться на две разные частицы (мюон и тау-лептон), что в рамках Стандартной модели совершенно невозможно.

Любопытно, что намеки на отклонения появлялись не только в свойствах бозона Хиггса, но и в иных процессах рождения и распада частиц. В какой‑то момент таких намеков набралось свыше десятка, и у теоретиков разбегались глаза от выбора того, какие из них попробовать описать в рамках многочисленных моделей Новой физики. Надо, впрочем, подчеркнуть, что ни одно из отклонений не выглядело “железобетонным” открытием: погрешности были велики, и статистическая достоверность отклонения была недостаточной для того, чтобы экспериментаторы смогли заявить об однозначном открытии новых явлений. Однако среди теоретиков царило воодушевление: казалось, еще немного – и прекрасная Новая физика будет открыта. Эта ситуация (вместе с описанием каждого интересного отклонения) отражена на специальной странице “Загадки Большого адронного коллайдера: октябрь 2015” в тематическом проекте Элементы. ру.