Как ищут бозон Хиггса с помощью коллайдера

Некоторые ученые полагают, что 4 июля 2012 года физикам открылись ворота в так называемую «Новую Физику». Это условное обозначение для тех областей непознанного, которые находятся за пределами Стандартной модели: новые элементарные частицы, поля, взаимодействия между ними и т.д. Но до того ученым пришлось найти и допросить привратника – пресловутый Бозон Хиггса.

Большой адронный коллайдер состоит из кольца ускорителя (магнитной системы) длиной 26 659 м., инжекционного комплекса, ускорительной секции, семи детекторов, предназначенных для обнаружения элементарных частиц, и нескольких других малозначимых систем. Два из детекторов коллайдера используют для поиска хиггсовского бозона: ATLAS и CMS. Одноименными аббривеатурами именуются проводящиеся на них эксперименты, а также коллаборации (группы) ученых, которые работают на этих детекторах. Они довольно многочисленны, например, в коллаборации CMS участвует около 2,5 тыс. человек.

Для того чтобы засечь новые частицы, в коллайдере создают протон-протонные столкновения, т.е. столкновения пучков протонов. Каждый пучок состоит из 2808 сгустков, а в каждом из этих сгустков – около 100 млрд протонов. Разгоняясь в инжекционном комплексе, протоны «впрыскиваются» в кольцо, где ускоряются при помощи резонаторов и обретают энергию 7 Тэв, а затем сталкиваются в местах расположения детекторов. Результатами таких столкновений является целый каскад частиц с различными свойствами. Перед началом экспериментов ожидалось, что одной из них будет бозон, ранее предсказанный физиком-теоретиком Питером Хиггсом.

Бозон Хиггса – это нестабильная частица. Появляясь, он тут же распадается, поэтому его искали по продуктам распада на другие частицы: глюоны, мюоны, фотоны, электроны и т.д. Процесс распада фиксировался детекторами ATLAS и CMS, а полученная информация отправлялась на тысячи компьютеров по всему миру. Ранее ученые предположили, что каналов (вариантов распада) может быть несколько, и с разным успехом совершали исследования по каждому из этих направлений.

В конце концов 4 июля 2012 г на открытом семинаре в CERN физики предоставили результаты своей работы. Ученые из коллаборации CMS объявили, что анализировали данные по пяти каналам: распад бозона Хиггса на Z-бозоны, гамма-фотоны, электроны, W-бозоны и кварки. Суммарно статистическая значимость обнаружения бозона Хиггса составила 4,9 сигмы (это термин из статистики, так называемое «стандартное отклонение») для массы 125,3 Гэв.

Затем ученые из коллаборации ATLAS объявили данные распада бозона по двум каналам: на два фотона и на четыре лептона. Суммарно статистическая значимость для массы в 126 Гэв составила 5 сигма, т.е. вероятность того, что причиной наблюдаемого эффекта является статистическая флуктуация (случайное отклонение), равна 1 к 3,5 млн. Этот результат позволил с большой долей вероятности объявить об открытии новой частицы – бозона Хиггса.