Бозон Хиггса: наш пропуск в скрытую долину новой физики в следующем выпуске

Автор: Институт ядерной физики ПАН, 23 мая 2023 г.

Ученые из Института ядерной физики Польской академии наук предполагают, что бозон Хиггса может взаимодействовать с «новой физикой» посредством распада на экзотические частицы, согласно моделям «Скрытой долины». Эти модели предполагают, что будущие ускорители частиц смогут наблюдать этот экзотический распад, потенциально открывая путь к пониманию новой физики за пределами нашей нынешней Стандартной модели.

Возможно, знаменитый бозон Хиггса, ответственный за существование масс элементарных частиц, также взаимодействует с миром новой физики, которую искали десятилетиями. Если бы это действительно было так, бозон Хиггса должен был бы распадаться характерным образом с участием экзотических частиц. В Институте ядерной физики Польской академии наук в Кракове было показано, что, если такие распады действительно происходят, их можно будет наблюдать в преемниках БАКа, проектируемого в настоящее время.

Когда мы говорим о «тайной долине», мы в первую очередь думаем о драконах, а не о здравой науке. Однако в физике высоких энергий это живописное название дается некоторым моделям, расширяющим набор известных сейчас элементарных частиц. В этих так называемых моделях «Скрытой долины» частицы нашего мира, описанные Стандартной моделью, принадлежат к группе с низкими энергиями, в то время как экзотические частицы скрыты в области высоких энергий. Теоретические соображения предполагают экзотический распад знаменитого бозона Хиггса, чего не наблюдалось на ускорителе БАК, несмотря на многие годы поисков. Однако ученые из Института ядерной физики Польской академии наук (IFJ PAN) в Кракове утверждают, что распад Хиггса на экзотические частицы уже должен быть прекрасно наблюдаем на ускорителях, которые являются преемниками Большого адронного коллайдера – если модели Скрытой долины превратятся в реальность. чтобы соответствовать действительности.

«В моделях Хидден-Вэлли мы имеем две группы частиц, разделенных энергетическим барьером. Теория состоит в том, что тогда могут существовать экзотические массивные частицы, которые могут пересечь этот барьер при определенных обстоятельствах. Частицы, такие как бозон Хиггса или гипотетический Z'-бозон, будут действовать как "коммуникаторы между частицами обоих миров. Бозон Хиггса, одна из самых массивных частиц Стандартной модели, является очень хорошим кандидатом на роль такого коммуникатора", - объясняет профессор Марцин Кухарчик (IFJ PAN), ведущий автор статьи в Журнал физики высоких энергий, в котором представлены последние результаты анализа и моделирования, касающиеся возможности обнаружения распадов бозона Хиггса в будущих лептонных ускорителях.

Коммуникатор после перехода в область низких энергий распался бы на две довольно массивные экзотические частицы. Каждая из них за пикосекунды, то есть триллионные доли секунды, распадется на две другие частицы, с еще меньшими массами, которые тогда попадут в Стандартную модель. Так какие же признаки можно было бы ожидать в детекторах будущих ускорителей? Сам бозон Хиггса остался бы незамеченным, как и две частицы Скрытой долины. Однако экзотические частицы постепенно расходились и в конечном итоге распадались, обычно образуя красивые пары кварк-антикварк, видимые в современных детекторах, когда струи частиц смещались от оси лептонного пучка.

Поиски экзотического распада бозона Хиггса в будущих лептонных коллайдерах: 1) сталкиваются электрон и позитрон из встречных пучков; 2) при столкновении образуется бозон Хиггса высокой энергии; 3) бозон распадается на две экзотические частицы, удаляющиеся от оси лучей; 4) экзотические частицы распадаются на пары кварк-антикварк, видимые детекторами. Фото: IFJ PAN.

«Поэтому наблюдения за распадом бозона Хиггса будут заключаться в поиске струй частиц, созданных парами кварк-антикварк. Их треки затем придется ретроспективно реконструировать, чтобы найти места, где, вероятно, распались экзотические частицы. Эти места, профессионально называемые вершины распада, должны появляться парами и характерно смещаться относительно оси встречных пучков в ускорителе. Размер этих смещений зависит, среди прочего, от масс и среднего времени жизни экзотических частиц, появляющихся при распаде Хиггса", говорит Матеуш Гонцерж, магистр наук. (IFJ PAN), соавтор рассматриваемой статьи.