Физик из Санкт-Петербурга теоретически предсказал существование еще одного бозона Хиггса. Согласно предложенной модели, эта новая элементарная частица должна быть примерно в четыре раза тяжелее обычной «частицы Бога». Предсказание, полученное в работе, поможет заполнить целый ряд пробелов в Стандартной модели, которая описывает взаимодействие всех элементарных частиц, а также, вероятно, приблизит к разгадке тайны темной материи. Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Physics Letters B.

Стандартная модель позволяет ученым описывать происходящие вокруг нас процессы на уровне мельчайших частиц, предсказывать пока неизвестные свойства материи и пробовать «создать» новые. Она как бы является описанием «матрицы» нашего мироздания на микроуровне. Эта теория о строении и взаимодействии элементарных частиц основывается на небольшом количестве постулатов, многократно и с точностью до сотых долей процента подтверждавшихся в экспериментах.

Наблюдение в ЦЕРНе ранее предсказанного бозона Хиггса – «частицы Бога», с которой могла начаться Вселенная, – как будто бы завершило эпоху открытий фундаментальных элементарных частиц. На самом же деле вопросов к Стандартной модели меньше не стало – она может объяснить далеко не все явления. Например, непонятно, почему во Вселенной почти нет антивещества (проблема барионной асимметрии Вселенной); почему нейтрино имеют хоть и ничтожно малую, но ненулевую массу; почему вакуум Стандартной модели выглядит метастабильным (измеренная масса частицы Хиггса лежит в узкой области между границами стабильности и нестабильности вакуума); почему масса бозона Хиггса относительно невелика, хотя ожидаемый вклад от квантовых поправок на очень малых расстояниях, согласно современной теории, должен вести к гигантским значениям этой массы. Наконец, осталась загадкой природа темной материи.

«Есть довольно старая, но все еще привлекательная идея, что существуют другие бозоны Хиггса, которые влияют на „стандартный”. Расширение Стандартной модели хотя бы на одну такую частицу потенциально может „одним махом” объяснить вышеупомянутые несостыковки. На эту тему есть немало работ, однако здесь остро встает вопрос о величине массы второго бозона Хиггса, так как от нее решающим образом зависит то, как именно можно решить имеющиеся проблемы на уровне количественных предсказаний, а также понять, по каким признакам искать такую частицу в экспериментах на Большом адронном коллайдере», – рассказывает автор новой работы и руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Сергей Афонин, доктор физико-математических наук, профессор кафедры физики высоких энергий и элементарных частиц, руководитель лаборатории теории ядра и элементарных частиц имени В. А. Фока Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург).

Исследователь разработал теоретическую модель, которая позволила предсказать массу второго гипотетического бозона Хиггса. В основе концепции лежит идея о том, что бозон Хиггса может быть составной частицей, части которой очень сильно связаны, наподобие того, как кварки сильно связаны внутри протонов и нейтронов.

Идея «композитного Хиггса» часто используется для решения проблемы стабилизации его массы, обеспечивая «защиту» от быстро растущего вклада квантовых поправок – грубо говоря, величина массы стабилизируется размером «внутренних частей». При очень сильной связи «структурных частей» между собой могут появляться некоторые универсальные характеристики, что, при определенных предположениях, позволяет описывать систему без знания конкретной природы этих «частей». В квантовой теории поля на этом основан так называемый голографический подход, изначально возникший в теории струн. Именно в рамках такого подхода и была построена модель. Сначала, в совместной работе исследователя с коллегами, она была успешно протестирована на описании масс известных легких частиц, составленных из кварка и антикварка, где также имеет место сильная связь составных частей, а затем применена к Стандартной модели.

Расчеты показали, что второй бозон Хиггса имеет массу примерно в четыре раза больше первого, однако доказать его существование еще предстоит. Более того, эпитет «частица Бога», скорее всего, к ней вряд ли применим в том же смысле, как к стандартному бозону Хиггса.

«Современный уровень согласия теории и эксперимента показывает, что частицы Стандартной модели напрямую не взаимодействуют или почти не взаимодействуют с какими-то другими гипотетическими частицами. Исключение составляет бозон Хиггса, для которого на это пока нет сильных экспериментальных ограничений. Это указывает на то, что из частиц Стандартной модели второй бозон Хиггса, скорее всего, заметно взаимодействует только с известным бозоном Хиггса, поэтому в образовании масс других элементарных частиц не участвует. Тогда эта частица, по определению, не является бозоном Хиггса. Более интригующий вариант – она действительно бозон Хиггса, но не в нашем „светлом” мире наблюдаемых элементарных частиц, а в „темном” мире ненаблюдаемых частиц темной материи. Тогда, если уж прибегать к популярным метафорам, ее, вероятно, было бы точнее называть не второй „частицей Бога”, а „частицей антипода Бога”. Если она существует, и физики научатся экспериментально наблюдать ее эффекты, то мы как бы приоткроем портал в мир темной материи, находясь в земной лаборатории», – поясняет Сергей Афонин.

Напомним, что в настоящее время эффекты темной материи наблюдают только в космологических масштабах. Например, именно темная материя ответственна за своего рода «хаос» в наблюдаемых законах движения звезд во многих галактиках. Причем, по современным данным, ее общая масса почти в пять раз превышает массу обычной материи.

«Довольно неожиданным в предсказанном значении массы второго бозона Хиггса стало то, что она практически в точности соответствует максимальной вероятности распада такой частицы на топ-кварк и топ-антикварк – самых тяжелых частиц в нынешней Стандартной модели. При этом масса обычного бозона Хиггса соответствует максимальной вероятности распада на глюоны – переносчики сильного взаимодействия, являющиеся, как и фотон, безмассовыми векторными бозонами. В будущем было бы интересно исследовать подмеченное соответствие, что могло бы дать новые, независимые аргументы в пользу существования второго бозона Хиггса с предсказанной массой, а следовательно, сильнее мотивировать физиков к его целенаправленному поиску в планируемых экспериментах на Большом адронном коллайдере», – подводит итог Сергей Афонин.

Источники: пресс-служба Российского научного фонда /
научно-информационный портал «Поиск».