Спустя шесть лет после открытия неуловимой частицы — бозона Хиггса, учёные, работающие на крупнейшем ускорителе частиц, сумели понаблюдать за ещё более таинственным процессом — распадом бозона Хиггса.
Используя данные Большого Адронного Коллайдера, физики поймали бозон, распадающийся на две более мелкие частицы — нижний кварк и, его эквивалент антиматерии, антикварк.
Стандартная модель физики элементарных частиц предсказывает, что бозон Хиггса распадется на нижние кварки примерно в 60 процентах случаев. Физикам было нужно воочию увидеть явление, чтобы понять, верно ли построена модель или не хватает каких-то деталей.
Проблема заключается в том, что процесс чрезвычайно трудно поймать в действии. Бозон Хиггса образуется при столкновении двух протонов. Если два глюона внутри протонов сплавляются и производят два верхних кварка, эти верхние кварки могут рекомбинировать в бозон Хиггса. При этом сама частица существует около одной септиллионной секунды, прежде чем распадется на менее массивные частицы. И уже после обнаружения этих частиц делают вывод о существовании бозона Хиггса.
Существует несколько способов распада этих частиц, в том числе в пару фермион-антифермент, пару фотонов или пару калибровочных бозонов, которые относительно легко наблюдать. Но с нижними кварками это становится немного сложнее, потому что каждое протонное столкновение производит поток субатомных частиц, включая нижние кварки. Затем они быстро распадаются на другие частицы.
Поскольку существование бозона Хиггса столь коротко, было невозможно определить, были ли обнаруженные нижние кварки результатом распада бозона Хиггса или фоновых процессов столкновения протонов.
Чтобы найти распад, ATLAS и CMS — объединили данные из первого и второго запусков большого адронного коллайдера и проанализировали массив полученной информации, чтобы попытаться найти нижние кварки из ливней частиц, которые они произвели. Затем им пришлось отследить эти нижние кварки до бозона Хиггса.
«Найти только одно событие, которое выглядит как два нижних кварка, полученных из бозона Хиггса, недостаточно», — сказал Крис Палмер, физик из Принстонского университета, который работал над анализом CMS: «Нам нужно было проанализировать сотни тысяч событий, прежде чем мы смогли осветить этот процесс, который происходит на вершине горы подобных фоновых событий.»
Однако, есть несколько частиц, которые могут идентифицировать продукты распада бозона.
«Мы использовали эти частицы, чтобы помечать потенциальные события Хиггса и отделять их от всего остального», — объяснил Палмер: «Таким образом, мы действительно получили результат два к одному с этим анализом, потому что мы не только нашли Хиггса, распадающегося на нижние кварки, но и узнали много нового о его производственных механизмах.»
И они вновь подтвердили стандартную модель физики элементарных частиц, с которой совпадает измеренная скорость распада.
Это результат, который открывает перед учеными новую возможность более подробно изучить поведение бозона Хиггса и то, как он взаимодействует с другим веществом, а также то, может ли он взаимодействовать с частицами, которые еще не были обнаружены (например, темная материя).
Следующим шагом в исследовании является уточнение измерений для изучения распада в гораздо более высоком разрешении.
