Рядък разпад на Хигс бозона може да сочи към физика отвъд Стандартния модел

/КРОСС/ Физиците откриха нов разпад на Хигс бозона, който разкрива леко несъответствие в прогнозите на Стандартния модел и може би насочвайки към нова физика отвъд него. Изводите са публикувани в списанието Physical Review Letters. Хигс бозонът, прогнозиран теоретично от 60-те години на миналия век, най-накрая беше открит през 2012 г. в лабораторията на ЦЕРН в Швейцария. Като квантово поле той прониква в цялото пространство, през което се движат други частици, придобивайки маса чрез взаимодействието си с полето на Хигс, което може грубо да се представи като вид съпротивление на тяхното движение, пише Phys.org.

Много свойства на Хигс бозона, включително взаимодействията му с други частици и свързаните с тях полета, вече са измерени, за да съответстват на прогнозите на Стандартния модел. Но един режим на разпадане на Хигс, който все още трябваше да бъде изследван, беше теоретично предсказание, че Хигс бозон от време на време ще се разпадне и ще произведе фотон, квант на светлината, и Z бозон, който е незаредена частица, която заедно с двата W бозона предава слабата сила.

Учените от колаборациите ATLAS и CMS в ЦЕРН са използвали данни от сблъсъци протон-протон, взети от цикъл 2 от 2015 до 2018 г., за да търсят този конкретен Z+фотон Хигс разпад. Големият адронен колайдер (LHC) в ЦЕРН е високоенергиен ускорител на частици близо до Женева, Швейцария, който циркулира протони в противоположни посоки, като същевременно ги кара да се сблъскват в определени точки на детектора милиони пъти в секунда. За този цикъл енергията при сблъсъка на двата протона е била 13 трилиона електронволта, точно под максимума на възможностите на ускорителя, който в по-сравними единици е 2,1 микроджаула. Това е горе-долу кинетичната енергия на средностатистически комар или зърно сол, което пътува един метър в секунда.

Теорията предвижда, че около 15 пъти на 10 000 разпада Хигс бозонът трябва да се разпадне на Z бозон и фотон, най-редкият разпад в Стандартния модел. Той прави това, като първо произвежда двойка топ кварки или двойка W бозони, които след това се разпадат на Z и фотон. Измерената част е твърде голяма - 3,4 стандартни отклонения над теоретичната стойност, число, което все още е твърде малко, за да се изключи статистическа случайност.

Все пак сравнително голямата разлика подсказва възможността за значимо несъответствие с теорията, което може да се дължи на физика отвъд Стандартния модел - нови частици, които са посредници, различни от топ кварка и W бозоните. Една възможност за физика отвъд Стандартния модел е суперсиметрията - вид симетрия, която съпоставя една частица с целочислен спин с друга частица, разликата между които е 1/2 спин, като така съпоставените частици се наричат суперсиметрични партньори (или счастици). С други думи, в суперсиметричната теория на всеки вид бозон (частица с целочислен спин) съответства вид фермион (частица с получислен спин) и обратно. Tъй като суперпартньорите на частиците в стандартния модел все още не са наблюдавани, суперсиметрията трябва да е нарушена симетрия, позволяваща на счастиците да бъдат сравнително тежки.

Суперсиметрията е теоретично предположение, за което до началото на 2019 г. все още не намерено експериментално потвърждение. Много теоретични физици отдавна са привърженици на суперсиметрията, тъй като тя би разрешила много главоблъсканици, които измъчват Стандартния модел, като например защо масата на Хигс бозона, около 125 гигаелектронволта (GeV), е много по-малка от енергийната скала на голямото обединение от около 1016 GeV. В експеримента масивният Z бозон се разпада за около 3 × 10-25 секунди, много преди да достигне детектор. Така че учените компенсирали, като разгледали енергията на двата електрона или двата мюона, които разпадът на Z ще произведе, изисквайки общата им маса да бъде по-голяма от 50 GeV, значителна част от масата на Z от 91 GeV.

„Този ​​много хубав резултат беше получен заедно с колаборацията CMS. Според прогнозата на Стандартния модел това е най-рядкото крайно състояние на Хигс бозона, за което видяхме първите доказателства", казва Андреас Хьокер, говорител на колаборацията ATLAS.

„Този ​​резултат е впечатляващ по няколко причини - добавя Моника Дънфорд от колаборацията CMS. - Ние сме в състояние експериментално да измерим с такава прецизност тези много редки процеси. Те са мощен тест за Стандартния модел и възможните теории отвъд него." Дънфорд добавя, че групите са получили нови данни по време на цикъл 3 в CERN, който започна през юли 2022 г., с 13,6 TeV обща енергия. Още повече данни ще дойдат от Големия адронен колайдер с висока яркост, който ще осигури около пет пъти повече сблъсъци протон-протон в секунда. Предвижда се HL-LHC да се появи онлайн през 2028 г.