Физики Европейской организации по ядерным исследованиям (CERN), которые проводят свои основные эксперименты на Большом адронном коллайдере — наиболее мощном ускорителе частиц в мире на текущий момент, — недавно зафиксировали очередное взаимодействие бозона Хиггса с истинным кварком. Результаты исследований в рамках проектов ATLAS и CMS предоставляют критически важные данные о природе массы элементарных частиц и открывают возможности для изучения областей физики, выходящих за пределы Стандартной модели. Феномен массы объектов проявляется в повседневной деятельности человека постоянно — от перемещения тяжелых предметов до преодоления инерции собственного тела во время физических упражнений. Однако о природе массы известно весьма мало. Около 50 лет назад физик Питер Хиггс предположил, что масса всех элементарных частиц является результатом их взаимодействия с бозоном, частицей той же категории, что и фотон.

Бозон Хиггса взаимодействует с частицами в какой-то особой области, что дает им недостающую часть их энергии, которая определяет их массу.

В течение нескольких десятилетий бозон Хиггса являлся недостающей частью Стандартной Модели. И, после обнаружения первого бозона Хиггса в 2012 году Стандартная Модель начала считаться полной. Однако, этот момент стал только началом исследований бозона Хиггса и его свойств, а его взаимодействие с истинным кварком является хорошей отправной точкой этих исследований.

Отметим, что в отличие от верхних и нижних кварков, из которых состоят протоны и нейтроны, истинные кварки не обладают стабильностью и распадаются на другие частицы спустя малые доли секунды после их появления. Однако, их большая масса, которая больше массы электрона в три миллиона раз, является следствием достаточно сильных взаимодействий с бозоном Хиггса.

Регистрация взаимодействия бозона Хиггса с истинным кварком производилась во время процесса под названием ttH-производство. Однако такие явления сами по себе весьма и весьма редки, порядка 1 процента бозонов Хиггса, возникающих в недрах коллайдера, появляется в такой близости от истинного кварка, чтобы начать взаимодействовать с ним. И для того, чтобы поймать эти явления, ученым пришлось задействовать данные, получаемые сразу от двух экспериментов коллайдера.

Тем не менее, среди огромного количества данных о рождении и распаде частиц, ученые обнаружили редкие случаи ttH-процессов. И полученых данных хватает для того, что бы получить достоверные значения параметров, описывающих силы взаимодействия бозона Хиггса с истинным кварком. “Измерения, проведенные в рамках экспериментов CMS и ATLAS, дают нам знать о том, что бозон Хиггса играет главную роль в формировании большой массы истинного кварка” – рассказывает Карл Джейкобс, физик, работающий в рамках ATLAS collaboration, – “Это, конечно, является неотъемлемой частью Стандартной Модели, но данный случай является первым разом, когда это было проверено экспериментальным путем”.

В течение ближайших месяцев ученые CERN планируют собрать больший объем дополнительных данных, что позволит им получить еще более точные значения характеристик взаимодействия бозона Хиггса с истинным кварком. И, как надеются ученые, это уточненное значение может стать указателем на существование еще неизвестных науке областей физики, законам которых подчиняется удивительный бозон Хиггса.

В объятиях титанов: зачем физики сталкивают бозон Хиггса и истинный кварк

Суть дела: На Большом адронном коллайдере (БАК) ученые исследуют один из самых редких процессов в микромире — одновременное рождение и взаимодействие бозона Хиггса и топ-кварка (истинного кварка). Это не просто проверка фундаментальной теории; понимание этой связи открывает двери к технологиям управления пространством-временем, расчету стабильности нашей Вселенной и созданию новых источников энергии будущего.

Главные действующие лица: Полевой командир и Тяжеловес

Чтобы понять суть эксперимента, нужно познакомиться с его участниками.

• Бозон Хиггса — это квант особого поля, которое пронизывает всю Вселенную. Именно проходя сквозь поле Хиггса, элементарные частицы обретают массу (инертность). Без него электроны и кварки летали бы со скоростью света, не способные сформировать ни единого атома.
• Топ-кварк (истинный кварк, \(t\)-кварк) — самая тяжелая из известных фундаментальных частиц. Он весит примерно как целый атом золота. Из-за колоссальной массы он обладает уникальной особенностью: он взаимодействует с бозоном Хиггса сильнее, чем любая другая частица во Вселенной.

Поскольку бозон Хиггса напрямую порождает массу, а топ-кварк — самый массивный, их «рукопожатие» (так называемая Юкавская связь) — это идеальная точка для проверки законов природы на прочность.

Суть эксперимента: Поймать неуловимое

Физики не могут просто взять и столкнуть бозон Хиггса с топ-кварком. Бозон Хиггса слишком легок, чтобы распасться на пару топ-кварков. Поэтому ученые идут обратным путем: они ловят события экстремально редкого процесса \(t\bar{t}H\)-рождения.

В недрах БАК сталкиваются протоны, рождая пару из топ-кварка и анти-топ-кварка, которые буквально на долю секунды «выплевывают» из себя бозон Хиггса. Этот процесс происходит лишь в 1% случаев от всех рождений бозона Хиггса, требуя обработки колоссальных массивов Big Data с помощью нейросетей.

Практическая польза: От чистой теории к технологиям будущего

У обывателя часто возникает вопрос: «Зачем тратить миллиарды долларов на изучение частиц, которые живут миллиардные доли секунды?». Ответ лежит в долгосрочной перспективе. Вся современная электроника родилась из абстрактной квантовой механики 1920-х годов. Исследования связи «Хиггс — Топ-кварк» преследуют фундаментальные практические цели:

1. Стабильность Вселенной и «Смерть вакуума»

Массы топ-кварка и бозона Хиггса определяют форму так называемого «хиггсовского потенциала». Текущие расчеты показывают, что наш мир находится в метастабильном состоянии (так называемый ложный вакуум). Если параметры взаимодействия этих частиц хоть немного отличаются от Стандартной модели, это значит, что Вселенной не грозит внезапный распад. Точное измерение этой связи — это проверка долговечности самого бытия.

2. Преодоление гравитации и управление массой

Поскольку бозон Хиггса дает частицам массу, изучение его тесного контакта с самым тяжелым объектом микромира — топ-кварком — ключ к пониманию природы инерции. В долгосрочной перспективе это может привести к технологиям искусственного изменения массы объектов, созданию материалов с программируемой плотностью или двигателей, способных обходить ограничения инерции.

3. Новая энергетика и “Темная материя”

Любое отклонение в силе взаимодействия бозона Хиггса и топ-кварка укажет на существование «Новой физики» за пределами Стандартной модели. Бозон Хиггса называют «порталом» в мир темной материи. Поняв, как он взаимодействует с тяжелыми кварками, ученые смогут нащупать скрытые типы взаимодействий и новые поля, которые в будущем станут основой для генерации энергии принципиально нового типа, превосходящей термоядерный синтез.

Сравнение характеристик взаимодействия

Резюме

Изучение взаимодействия очередного бозона Хиггса с истинным кварком — это не просто коллекционирование экзотических частиц. Это детальное картирование механизма, который создает физическую реальность вокруг нас. Тот, кто поймет, как именно поле Хиггса цепляется за топ-кварк, в конечном счете получит ключи к управлению самой массой и пространством.