Бозон Хиггса заставили распасться самым редким способом: учёные получили новые доказательства Стандартной модели

Почему поиск редких распадов бозона Хиггса — это детектив, а не рутина

Бозон Хиггса нашли в 2012. С тех пор прошло больше десяти лет. Казалось бы — дело закрыто? Ничего подобного. Для физиков это был только старт. Теперь они, как следователи, разглядывают улики: редчайшие распады частицы. Каждый такой распад — либо подтверждение Стандартной модели, либо зацепка к новой физике. Недавние результаты коллаборации ATLAS с Большого адронного коллайдера как раз об этом.

Речь о двух процессах. Таких редких, что их поиск — это попытка услышать шёпот на стадионе во время гола. Но именно в этом шёпоте могут прятаться ответы на тёмную материю, тёмную энергию и слабость гравитации.

Зачем искать иголку в стоге сена? (Распад на мюоны)

Стандартная модель — инструкция по сборке Вселенной. Точная, но с пустыми страницами. Бозон Хиггса — лучший кандидат, чтобы заполнить пробелы. Если его поведение хоть чуть-чуть отклоняется от предсказаний — значит за пределами инструкции есть что-то новое.

Физики изучают распад Хиггса на пару мюонов (H→μμ). Мюоны — «старшие братья» электронов, в 200 раз тяжелее. Они относятся ко второму поколению частиц. Раньше мы видели взаимодействие Хиггса только с частицами третьего поколения — топ-кварками и тау-лептонами. H→μμ — первое твёрдое доказательство, что поле Хиггса работает и с более лёгкими частицами. Это как убедиться, что гравитация действует не только на планеты, но и на яблоки.

Сложность: такой распад происходит лишь раз на 5000 случаев. Выделить его на фоне триллиона других событий — задача для настоящих самураев от науки. Объединив данные нескольких лет, ATLAS зафиксировала сигнал со значимостью 3,4 сигма. Это не открытие (нужно 5 сигма), но очень весомое свидетельство. Вероятность, что это случайность — меньше 1 к 3000. Стандартная модель снова выдержала проверку.

Важная мысль: Каждое новое подтверждение модели — это не поражение, а сужение круга поисков. Чем точнее мы знаем Стандартную модель, тем чётче видны её слабые места.

Петля в неизвестность: распад H→Zγ

Второй процесс — H→Zγ — распад на Z-бозон и фотон. Он ещё более редкий. И хитрый: не происходит напрямую. Сначала бозон Хиггса превращается в кипящий «суп» из виртуальных частиц — они рождаются из ниоткуда и тут же исчезают. Эта петля и порождает Z и фотон.

В чём соль? В этой виртуальной петле могут мелькнуть не только известные частицы, но и гипотетические, очень тяжёлые — те, что предсказывают теории за пределами Стандартной модели. Если они существуют, они слегка изменят вероятность распада. Измеряя H→Zγ с высочайшей точностью, физики косвенно ищут то, что напрямую пока не могут увидеть. Это один из самых изящных методов поиска новой физики.

Последние данные ATLAS: чувствительность доведена до рекорда. Наблюдаемый избыток событий — 2,5 сигма — пока не тянет на свидетельство. Но главное — создан невероятно точный инструмент. Теперь можно отсеивать теории, которые не вписываются в реальность.

Как физики отделяют сигнал от шума: три хитрости

Достижения ATLAS — не только мощь коллайдера. Это виртуозная работа с данными. Представьте реставратора, который слой за слоем снимает пыль с фрески.

Шаг 1. Объединяют гигантские массивы данных за годы работы (сеансы Run 2 и Run 3). Больше данных — чётче сигнал.
Шаг 2. Создают сложные компьютерные модели, которые с невероятной точностью описывают «фоновый шум» — все триллионы обычных столкновений. Зная шум, его легче вычесть.
Шаг 3. Усовершенствуют алгоритмы отбора событий. Компьютер в реальном времени анализирует продукты столкновений и отбирает только те, что похожи по энергиям и траекториям на искомый редкий распад.

Недавно я заметил, как один из коллег объяснял это на лекции: «Мы не ищем иглу в стоге сена. Мы сначала сжигаем стог, а потом просеиваем пепел». — грубо, но по сути верно.

Сравнение двух распадов

Что дальше? Терпение и статистика

Новые результаты — важный шаг, но не финал. Стандартная модель держится крепко. Но лазейки для новой физики остаются. Большой адронный коллайдер будет работать ещё много лет, накапливая статистику. Каждый новый результат сужает область поиска. И кто знает — может быть, в одном из следующих, ещё более редких распадов бозона Хиггса мы увидим то, что перевернёт всё.

Охота продолжается.