Подробная карта взаимодействий бозона Хиггса, полученная экспериментом ATLAS через десять лет после открытия.

Nature, том 607, страницы 52–59 (2022 г.) Процитировать эту статью

27 тысяч доступов

38 цитат

435 Альтметрика

Подробности о метриках

Исправление издателя к этой статье было опубликовано 6 декабря 2022 г.

Эта статья была обновлена

Стандартная модель физики элементарных частиц1,2,3,4 описывает известные фундаментальные частицы и силы, из которых состоит наша Вселенная, за исключением гравитации. Одной из центральных особенностей стандартной модели является поле, пронизывающее все пространство и взаимодействующее с фундаментальными частицами5,6,7,8,9. Квантовое возбуждение этого поля, известное как поле Хиггса, проявляется как бозон Хиггса, единственная фундаментальная частица, не имеющая спина. В 2012 году частица со свойствами, соответствующими бозону Хиггса стандартной модели, была обнаружена в экспериментах ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН10,11. С тех пор в ходе эксперимента ATLAS было зарегистрировано более чем в 30 раз больше бозонов Хиггса, что позволило провести гораздо более точные измерения и провести новые проверки теории. Здесь, на основе этого более обширного набора данных, мы объединяем беспрецедентное количество процессов рождения и распада бозона Хиггса, чтобы тщательно изучить его взаимодействие с элементарными частицами. Подробно изучены взаимодействия с глюонами, фотонами, W- и Z-бозонами — носителями сильного, электромагнитного и слабого взаимодействий. Взаимодействия с тремя частицами материи третьего поколения (нижними (b) и верхними (t) кварками и тау-лептонами (τ)) хорошо измеряются, и появляются признаки взаимодействия с частицей второго поколения (мюонами, μ). Эти тесты показывают, что бозон Хиггса, открытый десять лет назад, удивительно согласуется с предсказаниями теории и обеспечивает строгие ограничения для многих моделей новых явлений, выходящих за рамки стандартной модели.

Стандартная модель физики элементарных частиц была проверена множеством экспериментов с момента ее формулировки1,2,3,4, и после учета масс нейтрино до сих пор не было установлено никаких расхождений между экспериментальными наблюдениями и ее предсказаниями. Центральной особенностью стандартной модели является существование бесспинового квантового поля, которое пронизывает Вселенную и придает массу массивным элементарным частицам. Проверка существования и свойств этого поля и связанной с ним частицы, бозона Хиггса, была одной из главных целей физики элементарных частиц на протяжении нескольких десятилетий. В стандартной модели сила взаимодействия или «связи» между бозоном Хиггса и данной частицей полностью определяется массой и типом частицы. Не существует прямой связи с безмассовыми силовыми посредниками стандартной модели, фотонами и глюонами, тогда как в теории существует три типа связей с массивными частицами. Первый — это «калибровочное» взаимодействие бозона Хиггса с медиаторами слабого взаимодействия — векторными бозонами W и Z. Демонстрация существования калибровочных связей является важной проверкой механизма спонтанного электрослабого нарушения симметрии5,6,7,8,9. Второй тип связи включает в себя другое фундаментальное взаимодействие, взаимодействие Юкавы, между бозоном Хиггса и частицами материи, или фермионами. Третий тип связи — это «самосвязь» бозона Хиггса с самим собой. Центральное предсказание теории заключается в том, что связи масштабируются вместе с массами частиц, и все они точно предсказываются, как только известны массы всех частиц. Таким образом, экспериментальное определение связи бозона Хиггса с каждой отдельной частицей обеспечивает важные и независимые проверки стандартной модели. Он также накладывает строгие ограничения на теории, выходящие за рамки стандартной модели, которые обычно предсказывают различные закономерности значений связи.

В 2012 году эксперименты ATLAS12 и CMS13 на Большом адронном коллайдере (LHC)14 в ЦЕРН объявили об открытии новой частицы со свойствами, соответствующими свойствам, предсказанным для бозона Хиггса стандартной модели10,11. Более точные измерения, в которых использовались все данные о протон-протонных столкновениях, полученные в течение первого периода сбора данных с 2011 по 2012 год на БАК (запуск 1), показали, что, в отличие от всех других известных фундаментальных частиц, свойства обнаруженных частицы согласовывались с гипотезой об отсутствии спина15,16. Альтернативные гипотезы спина 1 и спина 2 также были проверены и исключены с высоким уровнем достоверности. Также были проведены исследования свойств зарядового сопряжения и четности (CP) новой частицы, продемонстрировавшие соответствие CP-четному квантовому состоянию, предсказанному стандартной моделью, но при этом допускающие небольшие примеси нестандартной модели CP-четного или CP-четного состояния. -нечетные состояния15,16. Пределы времени жизни частицы были получены путем косвенных измерений ее естественной ширины15,16,17,18,19. Кроме того, были достигнуты более точные измерения взаимодействия новой частицы с другими элементарными частицами20. Результаты всех этих исследований показали, что его свойства совместимы со свойствами бозона Хиггса стандартной модели. Однако статистические неопределенности, связанные с этими ранними измерениями, предоставили значительные возможности для возможных интерпретаций данных с точки зрения новых явлений, выходящих за рамки стандартной модели, и оставили многие предсказания стандартной модели непроверенными.