. Дубна: -1 oC
Дата 19.03.2024
rss telegram vk ok

23 - 24 июня в Доме международных совещаний прошло международное научное совещание, посвященное двадцатилетию участия ОИЯИ в программе эксперимента CMS Большого адронного коллайдера «Физика с димюонами»

Совещание, организованное Объединенным институтом ядерных исследований, было посвящено новой физике и проверке Стандартной модели, физике будущего за пределами энергий Большого адронного коллайдера.

Что дала фундаментальной науке эта частица с точки зрения Стандартной модели элементарных частиц?

Директор ЛТФ ОИЯИ, член-корреспондент РАН Дмитрий Казаков выразил мнение, что бозон Хиггса – не просто новая частица, но и очень важный краеугольный камень в основании Стандартной модели. 

«Все прошедшие 10 лет шло очень интенсивное изучение свойств этого бозона, и подтвердилось, что это действительно та частица, которая необходима для реализации механизма генерации масс элементарных частиц. Оказалось, что мы открыли частицу, которая выполняла именно те функции, которые требуются для Стандартной модели. В этом смысле ее роль очень велика, и сразу отпали альтернативные варианты, которые обсуждались. Вариант, который реализовался, был самым простым, но элегантным – потому что простая схема, которая работает, подтверждает красоту науки»,  отметил он.

Десять лет назад о бозоне Хиггса говорили "частица, похожая на бозон Хиггса", и важно было изучить ее свойства, рассказал Дмитрий Казаков. Необходимо было не только узнать, чему равняется масса, но и изучить квантовые числа частицы, установить ее четность, моды распада, чтобы они в точности соответствовали тому, что предсказывают; нужно было выяснить, как соотносится масса элементарных частиц и константа взаимодействия с бозоном Хиггса. 

«Все это было изучено и получено для различных частиц, сначала для более тяжелых, потом для более легких, – продолжил спикер,  этот процесс продолжался все 10 лет. Теперь мы знаем про эту частицу гораздо больше, чем про другие, потому что внимание к ней было пристальным».

Дмитрий Казаков отметил, что могут быть явления, которые выходят за рамки той минимальной схемы, которая была получена, поэтому параллельно с изучением частицы шли поиски аналогичных других частиц, но они не были обнаружены. 

«Теория допускает существование не одного, а многих хиггсовских бозонов, но пока никаких других таких частиц не найдено, и это одно из направлений нового поиска. Думаю, если бы таких частиц было больше, это обогатило бы т. н. хиггсовский сектор. Во всяком случае, это остается одним из самых актуальных направлений исследований в физике Стандартной модели и за ее пределами»,  сказал теоретик Казаков.

Заместитель руководителя отделения физики высоких энергий НИЦ КИ – ПИЯФ Виктор Ким: «Нас окружает вакуум, он обладает квантовыми свойствами. Один из квантов этого вакуума – это бозон Хиггса, который стал известен тем, что это очень необычная частица. Она дает массу всем известным сейчас частицам. Впервые в фундаментальной физике была открыта новая частица, представляющая вакуум, которая ни на что не похожа. Свойства этой частицы еще требуют уточнения в том, насколько она связана с другими, как уже открытыми, так и еще неизвестными частицами».

Виктор Ким пояснил, что Стандартная модель элементарных частиц и их взаимодействий в самом простом своем варианте использует только один вид бозона Хиггса, но их может быть несколько. Более того, в теории нет никаких ограничений на количество видов хиггсовских бозонов. Изучая свойства этой частицы, можно понять новую физику, новый, неизвестный человечеству мир.

«Почему все это важно? Потому что мы до сих пор не знаем, из чего состоит Вселенная. Та видимая материя, которую мы наблюдаем и которая описывается Стандартной моделью, составляет всего лишь 5 % от массы и энергии наблюдаемой Вселенной. Указание на это не прямое – мы заключаем это из гравитационного баланса. Прямое же указание – эти новые частицы и взаимодействия, которые мы пытаемся найти, и, возможно, бозон Хиггса нам в этом поможет»,  добавил он.

Виктор Ким рассказал, что коллайдеры позволяют получить ранее неизвестные частицы, в том числе те, которые были недостижимы по энергии для образования в лабораторных условиях ранее, но, возможно, существовали в первые мгновения существования Вселенной. Физика микро- и макро-мира связана, таким образом, через теорию Большого взрыва, которая говорит о том, что в первые мгновения существования Вселенной были элементарные частицы, еще более элементарные, чем те, которые мы сейчас знаем.

«Поэтому существующая сейчас теория называется Стандартной моделью, а не теорией, так как мы знаем, что она временная, что есть еще более глубокая. Стандартная модель содержит слишком много параметров и туда не входит одним из видов взаимодействия гравитация, которая как бы существует отдельно. Более того, мы думаем, что должны быть новые взаимодействия, не описываемые Стандартной моделью. А может быть даже, предполагают теоретики, есть дополнительные размерности пространства-времени и другая, интересная новая физика. Поэтому исследования не прекращаются. LHC скоро вступит в новую фазу, когда значительно увеличится его интенсивность, и в то же время идут уже разработки новых ускорителей, потому что новые технологии позволяют нам достичь новых энергий, новая электроника позволяет нам достичь лучших точностей, и т. д. Современное состояние физики говорит о том, что самым актуальным сейчас являются поиски этих более фундаментальных взаимодействий и частиц. Картина мира, которая сейчас есть, очевидно неполна»,  подвел итог Виктор Ким.

Ведущий научный сотрудник ЛФВЭ Мария Савина посвятила свой доклад поискам темной материи на LHC: «Возникновение всех масс наблюдаемых известных нам частиц во Вселенной связано с хиггсовским бозоном. Поэтому, если мы ищем какие-то другие массы, в частности, темную материю, мы можем рассматривать бозон Хиггса как концепцию, которая поможет нам пролить свет и на этот вопрос, а это очень важно и нужно, потому что темной материи в пять раз больше, чем обычной, и мы ничего про нее не знаем. Соответственно, мы стартуем с того, что бозон Хиггса связан взаимодействием со всеми обычными частицами, с видимым сектором, и далее предполагаем, что темная материя тоже может быть связана с бозоном Хиггса. Это всего лишь гипотеза, но она достаточно обоснована особой ролью хиггсовского сектора, ответственного за возникновение массы».

Она уточнила, что масса темной материи необязательно приобретается за счет того бозона Хиггса, который уже наблюдается и изучается на Большом адронном коллайдере. Конкретно за темную материю могут отвечать другие, дополнительные хиггсовские бозоны, которые взаимодействуют с нашей материей лишь опосредованно, через связь с нашим бозоном Хиггса, а он, таким образом, является неким «мостом», связывающим темный и видимый сектора. В таком случае это называется «хиггсовский портал в темную материю». Если такая концепция имеет место быть, то бозон Хиггса может помочь исследователям открыть частицы темной материи.

«В рамках такого же квантово-полевого формализма, который используется для построения Стандартной модели и ее расширений, можно построить теорию, или модель, которая описывает взаимодействие частиц темной материи и бозона Хиггса, – продолжила Мария Савина. – Любая хорошо построенная модель позволяет нам предсказать все возможные процессы с элементарными частицами, протекающие по принятым в этой модели правилам, и получить количественные характеристики, в частности, вероятности этих процессов в процентных долях. А после этого мы можем изучить на Большом адронном коллайдере процессы, происходящие с участием бозона Хиггса, и посмотреть, нет ли среди них таких, которые отличаются от перечисленного в Стандартной модели разрешенного списка возможностей и которые, может быть, отвечают взаимодействию с частицами темной материи».

Мария Савина объяснила, как ученые понимают, что в действительности произошло на LHC и как происходит изучение свойств какой-то частицы. Изучаются сигналы в детекторных системах, связанные с рождением частиц определенного типа. Отлично разработанная техника и методики реконструкции позволяют физикам достоверно утверждать, что тот или иной сигнал действительно отвечает рождению конкретной пары частиц, а другой зарегистрированный сигнал соответствует рождению какой-то другой конечной конфигурации частиц. Так после взаимодействия частиц ученые восстанавливают, что было в начале.

«Конечно, мы можем это сделать только в том случае, когда у нас есть теория или модель, которая позволяет количественно просчитать все возможные процессы. И, как уже говорилось, такую модель надо себе задать – придумать, создать и потом проверять, сравнивая ее предсказания с предсказаниями Стандартной модели. В нашем случае это — предсказания для разных вариантов распада бозона Хиггса на разные конечные частицы», – добавила Савина.

Мария Савина подчеркнула: ученые предполагают, что новая физика устроена более сложно, чем Стандартная модель, а более сложные теории часто дают несколько разных скалярных бозонов Хиггса. Поэтому прицельное изучение хиггсовского сектора имеет огромную важность не только с точки зрения поиска частиц темной материи, но и с точки зрения проверки многих других теоретических концепций новой физики.

Сопредседатель оргкомитета совещания, руководитель физической программы CMS в ОИЯИ, начальник сектора новой физики на CMS ЛФВЭ, Сергей Шматов напомнил: «Наше совещание посвящено 20-летию программы исследования на CMS с парой мюонов. За это время у нас был проведен большой объем работ, во время которых с помощью этой пары мюонов мы искали пресловутые сигналы новой физики. Мы проверяли, работает ли Стандартная модель, как она должна работать в новой области энергий, и второе – есть ли новая физика. Мы искали, существуют ли новые частицы, типа новых калибровочных бозонов и многомерных гравитонов, а также искали с помощью комплементарных каналов микроскопические черные дыры, однако не нашли их. После двух этапов работы коллайдера (RUN1 и RUN2) мы подошли к такой ситуации, когда на LHC был достигнут пик энергии. Сейчас Большой адронный коллайдер работает на проектной пиковой энергии, на максимуме возможностей. Какие бы сложные экспериментальные сигнатуры мы ни изобретали и как бы ни продвигались в техниках реконструкции, чтобы иметь возможность такие сигналы изучать, все равно у нас есть кинематический предел, связанный с тем, что энергия LHC равна 14 ТэВ».

Сергей Шматов пояснил, что дальше в рамках эксперимента есть возможность получать больше данных, но невозможно будет увеличивать энергию. В то же время энергия для этих исследований более критична, чем статистика. «Таким образом, в наших классических исследованиях с парой мюонов мы приходим к определенному логическому тупику,  отметил спикер.  Увеличение статистики на порядок приводит лишь к небольшим сдвижкам в пространстве модельных параметров – с каждым годом область неизвестного нам закрывать все сложнее и сложнее. Поэтому мы пришли к тому, чтобы использовать дополнительные каналы: смотреть пару мюонов плюс что-то. Допустим, пару мюонов плюс два b-кварка, или какую-то долю потерянной энергии, и так далее. Усложнения этих каналов позволяют нам добавлять новые физические направления: допустим, смотреть сигналы от потенциального кандидата в темную материю с помощью этого сигнала. Таким образом, исследования, в которых участвует ОИЯИ, постепенно идут от простых, очевидных сигналов к более сложным, добавляя все более сложные теоретические концепции, которые мы можем исследовать экспериментально».

Источник

Добавить комментарий

Комментарии не должны оскорблять автора текста и других комментаторов. Содержание комментария должно быть конкретным, написанным в вежливой форме и относящимся исключительно к комментируемому тексту.


Защитный код
Обновить