Открытие бозона Хиггса

Механизм спонтанного нарушения симметрии и предсказание бозона Хиггса

В рамках Стандартной модели бозон Хиггса возникает как квант возбуждения скалярного поля, необходимого для реализации механизма спонтанного нарушения электрослабой симметрии. Простейшая реализация механизма Браута–Энглера–Хиггса предполагает наличие SU(2) дублета комплексного скалярного поля

$$ \Phi = \begin{pmatrix} \phi^+ \\ \phi^0 \end{pmatrix} $$

с лагранжианом, включающим кинетический и потенциал взаимодействия:

ℒΦ = (DμΦ)†(DμΦ) − V(Φ),  V(Φ) = −μ2Φ†Φ + λ(Φ†Φ)2.

При μ2 > 0 минимум потенциала достигается при ненулевом вакуумном ожидании:

$$ \langle \Phi \rangle = \frac{1}{\sqrt{2}} \begin{pmatrix} 0 \\ v \end{pmatrix}, \quad v = \sqrt{\mu^2/\lambda} \approx 246\ \text{ГэВ}. $$

Это приводит к генерации масс W и Z бозонов и предсказывает наличие скалярной частицы – бозона Хиггса с массой

$$ m_H = \sqrt{2\mu^2} = \sqrt{2\lambda} v. $$

Экспериментальные стратегии поиска бозона Хиггса

На момент запуска Большого адронного коллайдера (БАК), прямые поиски на ускорителях LEP и Tevatron ограничили массу бозона Хиггса снизу и сверху. Конкретно, на LEP было установлено, что mH > 114.4 ГэВ, а результаты Tevatron исключили диапазоны до  ∼ 160 ГэВ.

На БАК основными механизмами рождения бозона Хиггса в протон-протонных столкновениях являются:

  • глюон-глюонное слияние (ggF): gg → H — наиболее вероятный процесс, обусловленный петлей с участием тяжёлого кварка (в основном, топ-кварка);
  • векторное слияние (VBF): qq → qqH — характерен наличием двух струй от кварков;
  • ассоциированное производство с W/Z: qq̄ → WH/ZH;
  • ассоциированное производство с топ-кварками: gg → tt̄H.

Пути распада бозона Хиггса зависят от его массы. В окрестности 125 ГэВ наибольшую чувствительность дали следующие каналы:

  • H → γγ: редкий, но очень чистый канал, благодаря высокому разрешению по массе;
  • H → ZZ* → 4ℓ: “золотой канал”, характеризующийся малыми фоновыми процессами;
  • H → WW* → ℓνℓν: высокая вероятность, но менее точное восстановление массы;
  • H → τ+τ−: позволяет тестировать куплинг Хиггса к лептонам;
  • H → bb̄: доминирующий распад при низкой массе, но фон от QCD велик.

Открытие: данные ATLAS и CMS

Открытие было официально объявлено 4 июля 2012 года двумя коллаборациями ATLAS и CMS. Наблюдение избыточных событий в каналах H → γγ и H → ZZ* → 4ℓ при массе около 125 ГэВ имело статистическую значимость более 5 стандартных отклонений, что соответствует критерию открытия в физике высоких энергий.

ATLAS:

mH = 126.0 ± 0.4 (стат.) ± 0.4 (сист.) ГэВ,

CMS:

mH = 125.3 ± 0.4 (стат.) ± 0.5 (сист.) ГэВ.

Были использованы данные с накопленной интегральной светимостью  ∼ 5 фб−1 при $\sqrt{s} = 7\ \text{ТэВ}$ и  ∼ 5 фб−1 при $\sqrt{s} = 8\ \text{ТэВ}$.

Свойства бозона Хиггса: проверка соответствия Стандартной модели

После открытия начался этап точного измерения свойств бозона Хиггса:

  • Масса: уточнена с погрешностью <0.1%;
  • Ширина: для массы ~125 ГэВ предсказывается ΓH ∼ 4 МэВ, экспериментально измерить напрямую невозможно, однако существуют непрямые методы;
  • Куплинги: все измеренные взаимодействия с фермионами и бозонами (W, Z, γ, g) соответствуют предсказаниям Стандартной модели в пределах 10-20%;
  • Спин и четность: определены как JP = 0+ на основе анализа угловых распределений в H → ZZ* → 4ℓ и H → WW*;
  • Процессы редкого распада, такие как H → μ+μ− и H → Zγ, начинают исследоваться на стадии накопления большого объёма данных.

Статистические методы анализа и значимость сигнала

Для выделения сигнала применялись сложные методы на основе вероятностных моделей:

  • построение функции правдоподобия;
  • метод профилирования систематических неопределённостей;
  • использование локальной и глобальной p-value;
  • определение отношения правдоподобия (likelihood ratio) и его преобразование в статистику q0;
  • техника CLs для установления пределов и оценки значимости.

Принятый критерий 5σ означает, что вероятность наблюдаемого превышения над фоном в отсутствие сигнала составляет менее 3 × 10−7.

Фундаментальные последствия открытия

Обнаружение бозона Хиггса завершает структуру Стандартной модели как самосогласованной теории с массами частиц, возникающими через спонтанное нарушение симметрии. Однако, остаётся множество фундаментальных вопросов:

  • Почему масса Хиггса именно 125 ГэВ?
  • Как стабилизировать массу при квантовых поправках? (проблема иерархии)
  • Есть ли расширение сектора Хиггса (например, двойной или триплетный сектор)?
  • Какова роль бозона Хиггса в механизмах барионной асимметрии Вселенной?
  • Является ли бозон Хиггса единственным скаляром, или он часть более сложной структуры (суперсимметрия, теория Техницвета и т.д.)?

Перспективы исследований и роль будущих коллайдеров

Для прецизионного измерения свойств бозона Хиггса планируется использование будущих ускорителей:

  • HL-LHC: фаза высокой светимости Большого адронного коллайдера, с целью набора 3 аб−1 к 2040 г.;
  • ILC/CLIC: линейные электрон-позитронные коллайдеры для измерения куплингов с точностью ~1%;
  • FCC-hh и CEPC/SppC: проекты будущих колец с энергией 100 ТэВ и высокой чувствительностью к редким процессам и новым состояниям.

Изучение самосопряжения бозона Хиггса через процессы двойного производства (pp → HH) — один из главных приоритетов, поскольку именно оно определяет форму потенциала и механизм электрослабого фазового перехода.

Символическая роль

Бозон Хиггса, как последняя недостающая частичка Стандартной модели, стал символом завершения целой эпохи в физике элементарных частиц, но одновременно — входной дверью в новую область, где скрыты механизмы за пределами SM, включая тёмную материю, нейтринную массу и квантовую гравитацию.

Оглавление