Годы тщательной работы позволили физикам измерить массу бозона Хиггса с точностью до 0,1%, сообщает CERN. Достижение является вехой само по себе, но может привести и к новым физическим открытиям.
Ещё в 1960-х годах теоретики пришли к выводу, что существует особое поле, которое наделяет элементарные частицы массой (сейчас оно называется полем Хиггса). Если бы не оно, то все частицы, в том числе электроны, протоны и нейтроны, имели бы нулевую массу. А значит, по известным физическим законам, они постоянно двигались бы со скоростью света. Естественно, при этом не образовалось бы никаких атомов, звёзд, планет и людей.
В квантовой физике каждому полю соответствует частица – квант этого поля. Например, квантом электромагнитного поля является фотон. Квант поля Хиггса называется бозоном Хиггса. Эту частицу открыли в 2012 году на Большом адронном коллайдере, доказав, что поле, наделяющее частицы массой, реально, а не является выдумкой теоретиков.
Как мы упоминали выше, без поля Хиггса не существовало бы нас самих и Вселенной в известном нам виде. Возможно, именно поэтому нобелевский лауреат Леон Ледерман назвал его в своей книге "частицей Бога". (Впрочем, мэтр вряд ли мог предугадать, сколько людей из-за этого чисто литературного приёма посчитает открытие долгожданного бозона чуть ли не доказательством бытия Божия).
Сам бозон Хиггса тоже имеет массу, но до сегодняшнего дня она была известна не слишком точно. Между тем этот параметр крайне важен при анализе данных новых экспериментов. Прогнозы теории часто опираются на эту цифру, и теперь они могут стать более точными. Это значит, что физикам будет яснее, происходит ли в эксперименте нечто не предусмотренное теорией. Именно поэтому члены команды детектора CMS на Большом адронном коллайдере потратили годы на тщательную калибровку и моделирование своего инструмента.
Поясним, что бозон Хиггса, как и подавляющее большинство других известных частиц, распадается за доли секунды. Поэтому физики изучают его свойства по продуктам распада. Бозон Хиггса может распасться на разные наборы частиц. Эти сценарии отличаются не только тем, с какой вероятностью они реализуются, но и тем, насколько легко уловить получившиеся частицы и отличить их от фонового шума. К слову, некоторые предсказанные теоретиками варианты распада были экспериментально обнаружены совсем недавно.
В новом исследовании физики воспользовались набором данных, полученным в 2016 году. Тогда исследователи сосредоточились на распаде бозона Хиггса на пару квантов гамма-излучения. По этим данным специалисты вычислили массу бозона Хиггса: она оказалась равна 125,78 ± 0,26 гигаэлектронвольта. (Напомним, что массу элементарных частиц удобнее измерять в единицах энергии. Но её всегда можно пересчитать в килограммы по знаменитой формуле E=mc2).
Кроме того, эксперты воспользовались данными, собранными в 2011 и 2012 годах. В этих экспериментах изучался распад бозона Хиггса на пару Z-бозонов, которая затем превращалась в четыре лептона. Учёные оценили по этим данным массу бозона Хиггса как 125,46 ± 0,17 гигаэлектронвольта.
Объединив два результата, физики получили, что масса знаменитой частицы равна 125,35 ± 0,15 гигаэлектронвольта. Легко подсчитать, что погрешность измерения составляет лишь около 0,1% от самой величины. Никогда ещё масса бозона Хиггса не была измерена настолько точно.
Подробности исследования для специалистов опубликованы на сайте коллаборации CMS.
К слову, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали о том, как именно поле Хиггса придаёт массу частицам.
