|
Две главных коллаборации, работающие на Большом адронном коллайдере, представили новые результаты по распаду бозона Хиггса на фундаментальные частицы материи — кварки и лептоны. Их совместные данные впервые доказывают, что этот распад действительно идет, и служат дополнительным свидетельством в пользу того, что обнаруженный бозон Хиггса — самый стандартный из всех ожидавшихся вариантов.
Открытие бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере стало самым ярким экспериментальным достижением в физике элементарных частиц за последнее время. Для физиков это означало долгожданный переход от десятилетий поисков к изучению характеристик этого бозона. Они надеялись, что, обнаружив какие-то необычные его свойства, какие-то отклонения от предсказаний Стандартной модели, они смогут впервые почувствовать то фундаментальное устройство нашего мира, которое должно лежать под этой классической картиной. К сожалению, после того как первое воодушевление угасло, стало ясно, что полученные данные пока не демонстрируют никакого отличия от стандартного бозона Хиггса. Подробные сводки данных см. на страницах Поиск бозона Хиггса: результаты и Изучение бозона Хиггса.
«Элементы» неоднократно рассказывали, что такое хиггсовский механизм, отголоском которого является бозон Хиггса. Для этой новости полезно особо подчеркнуть одно его свойство. Изначально хиггсовский механизм был придуман лишь для того, чтобы давать массы калибровочным бозонам (то есть W- и Z-бозонам, переносчикам слабого взаимодействия) и не нарушать при этом другие важные свойства калибровочной теории. В такой формулировке не требовалось, чтобы то же самое поле Хиггса давало еще массы частицам вещества — кваркам и лептонам, то есть известным сейчас фундаментальным фермионам.
В рамках Стандартной модели, где больше просто нечему обеспечить фермионам массивность, эту дополнительную повинность тоже «навесили» на поле Хиггса. Именно поэтому стандартный бозон Хиггса должен «уметь» распадаться не только на W- и Z-бозоны, но и на фермионы. Наиболее частыми среди этих распадов должны быть распады на фермионы, самые тяжелые из доступных по закону сохранения энергии, — на b-анти-b-пару и на тау-анти-тау-лептонную пару (рис. 1). Если же отойти от Стандартной модели, то в неминимальных вариантах теории вполне допустимы ситуации, когда хиггсовских полей несколько, так что одно из них дает массу W- и Z-бозонам, а другие — фермионам. Поэтому вполне могло бы получиться, что какой-то определенный бозон Хиггса, который кажется вполне стандартным при распаде на W- и Z-пары, будет вести себя необычно в распадах на фермионы или даже вообще не захочет на них распадаться. Это было бы очень ярким проявлением Новой физики.
Теперь важный момент: тот хиггсовский бозон, который был открыт в 2012 году, был надежно зарегистрирован только в распадах на бозоны. Либо это распад на два фотона (H → γγ), либо распад на два Z-бозона с их последующим распадом на четыре лептона (H → ZZ → 4l), либо распад на два W-бозона, с их последующим распадом на лептоны (H → WW → lνlν). Сводку результатов по состоянию на июль этого года см. в новости Обновлены данные ATLAS и CMS по хиггсовскому бозону («Элементы», 07.07.2013).
Распады на фермионы до сих пор не были надежно зарегистрированы. Некоторые намеки на распады на b-кварки и на тау-лептоны в данных, конечно, прослеживались, но статистическая значимость этих намеков была невелика, меньше 3 стандартных отклонений (3σ). Связано это было с тем, что такие распады не слишком сильно бросаются в глаза. Во-первых, их вероятность не очень велика, а во-вторых, это не такие уже и «чистые» события распада — ведь для их регистрации нужно анализировать не только лептоны, но и адроны. Даже тау-лептон регистрируется не непосредственно, а через свои продукты распада, и в большинстве случаев они включают адроны. По этой причине «выцарапывать» эти события из всей накопленной статистики гораздо труднее, поскольку физикам приходится бороться с сильным фоном от похожих событий, но без хиггсовского бозона.
Отдельной строкой надо еще упомянуть результаты Тэватрона: в 2012 году он тоже стал видеть намеки на хиггсовский бозон в b-анти-b-канале распада на уровне статистической значимости почти 3σ.
Сейчас обе крупнейшие коллаборации наконец-то завершили анализ распадов на эти частицы. В конце ноября и начале декабря в ЦЕРНе прошли два семинара, на которых сначала ATLAS, а потом и CMS сообщили о своих результатах по измерению распада бозона Хиггса на фермионы. Краткие сводки результатов доступны также на страницах хиггсовских данных ATLAS и CMS. Впрочем, до появления полновесных статей эти данные следует считать предварительными. Кроме того, два месяца назад коллаборация CMS уже представляла свои данные по измерению распада хиггсовского бозона на b-кварки.
Обе коллаборации для этого анализа обработали весь накопленный к настоящему моменту объем статистики. Поиск распада бозона Хиггса на тау-лептоны велся всеми доступными способами — через адронные и через лептонные распады каждого тау. Всего было найдено несколько тысяч событий, похожих на рождение двух тау-лептонов, но в основном это был фон: рождение и распад Z-бозона на два тау-лептона или на лептоны и адроны, рождение и распад топ-кварков и некоторые другие процессы (рис. 2). Сколько среди них настоящих хиггсовских событий, без дополнительного анализа сказать невозможно. В этом кропотливом анализе заключалась основная трудность работы. После того как он был завершен, оказалось, что хиггсовских событий получается примерно столько же, сколько и ожидалось от стандартного бозона Хиггса.
|
В случае распада на b-кварки требовалось регистрировать рождение не одиночного бозона Хиггса, а его в паре с W- или Z-бозоном (так называемое WH- или ZH-рождение, см. рис. 1 на странице Рождение и распад хиггсовского бозона). При этом дополнительный бозон детектируется через свой лептонный распад, а в оставшемся адронном потоке требуется выделять две b-струи, порожденные b-кварками.
Для удобного представления полученных результатов физики вычисляют отношение реально зарегистрированных распадов бозона Хиггса в какой-то набор частиц к предсказаниям Стандартной модели и обозначают его через μ. Значение μ = 1 отвечает полностью стандартному бозону Хиггса, значение μ = 0 означает, что бозон Хиггса вообще не зарегистрирован в этом канале распада, значение μ существенно больше 1 означает, что этот распад усилен. Поиск Новой физики в этих распадах — это, фактически, поиск хоть какого-то примера, в котором измеренное значение μ статистически достоверно отличалось бы от единицы.
Предыдущие сводки измеренных величин μ приведены на страничке Изучение бозона Хиггса. Новые значения μ для распадов на b-анти-b-пары и на тау-лептоны, полученные коллаборациями ATLAS и CMS, таковы:
ATLAS: μττ = 1,4+0,5−0,4; μbb = 0,2+0,7−0,2;
CMS: μττ = 0,87 ± 0,29; μbb = 1,0 ± 0,5.
Для тау-лептонной пары статистическая значимость сигнала составила 4,1σ (ATLAS) и 3,4σ (CMS). Иными словами, оба детектора вместе доказали, что распад хиггсовского бозона на тау-лептоны действительно идет и что он вполне похож на стандартный, поскольку μττ вполне согласуется с единицей. Что касается распада на b-кварки, то здесь две группы пока дают непохожие результаты. Данные ATLAS пока что вообще не указывают на этот распад, в то время как CMS видит этот распад ровно на том уровне, который ожидается в Стандартной модели. Впрочем, погрешности тут велики, поэтому ни о каком серьезном расхождении речи пока не идет.
Что же получается в итоге? Во-первых, если объединить все данные, то можно считать доказанным, чтобозон Хиггса действительно распадается на фундаментальные частицы материи, а не только на бозоны-переносчики электрослабых взаимодействий. Во-вторых, измеренные вероятности распадов и здесь вполне согласуются со Стандартной моделью. Конечно, точность тут не слишком велика, но никаких существенных отклонений от Стандартной модели не видно.
Таким образом, развитие событий по-прежнему идет по пессимистическому сценарию. LHC обнаружил бозон Хиггса, очень похожий на стандартный, и не видит никаких экспериментальных указаний на физику за пределами Стандартной модели. Конечно, сам коллайдер в этом не виноват — он-то работает отлично, просто природа оказалась именно такова. Это значит, что скорее всего никаких исключительно ярких открытий в свойствах бозона Хиггса ожидать на LHC не стоит. Если что-то выходящее за рамки Стандартной модели и будет обнаружено, то оно будет проявляться лишь как небольшое отличие и вряд ли сможет обладать большой статистической значимостью. Существенные новости тут стоит теперь ожидать только ближе к концу 2015 года, когда коллайдер заработает на повышенной энергии и будет обработана первая порция новых данных.
Источники:
ATLAS results on Higgs boson searches in fermion final states и Direct Measurement of the Higgs Boson Fermionic Couplings at CMS — доклады коллабораций ATLAS и CMS на специальном семинаре в ЦЕРНе.
См. также:
1) CMS presents evidence for Higgs decays to fermions — сообщение на сайте коллаборации CMS.
2) ATLAS sees Higgs boson decay to fermions — сообщение на сайте коллаборации ATLAS.
CMS Collaboration,
3) Search for the standard model Higgs boson produced in association with a W or a Z boson and decaying to bottom quarks // е-принт arXiv:1310.3687 [hep-ex].
Измерения времени жизни нейтрона, выполненные разными методами, по-прежнему расходятся
|
Группа исследователей из Американского национального института стандартов и технологий обновила свои результаты измерения времени жизни нейтрона в эксперименте с нейтронным пучком. Их значение стало еще сильнее отличаться от результатов, полученных в нейтронных ловушках. В чем причина этого расхождения — пока неясно.
Нестыкующиеся измерения
Экспериментальная физика занимается не только изучением каких-то сложных эффектов, но и аккуратным измерением простых и универсальных параметров. Эти параметры характеризуют то или иное свойство нашего мира, они могут встречаться в описании разных явлений, поэтому очень полезно их знать как можно точнее. Такие измерения, вследствие своей важности, часто проводятся несколькими группами исследователей и разными экспериментальными методами.
К сожалению, иногда возникает ситуация, когда измерения разных групп или измерения разными методами дают существенно отличающиеся результаты. Сразу же подчеркнем: речь идет не о расхождении теории с экспериментом, а о расхождении между разными результатами измерений. Для физика-экспериментатора такие ситуации — источник постоянной головной боли («где же я ошибся, что же я не углядел?»), для теоретика-оптимиста — повод поупражняться в придумывании новых физических явлений, которые могли бы тоже играть тут роль. Такие ситуации, конечно, происходят регулярно и являются частью естественного процесса экспериментального изучения нашего мира. Они могут оказаться очень полезными с точки зрении истории физики — по крайней мере после того, как физики наконец-то разберутся в источниках проблем. Но при взгляде изнутри ситуации, когда проблема еще не решена, они всё же неприятны: непонятно, что именно и где именно сбоит, непонятно, какому методу можно доверять, а какому — нет, да и внимание теоретиков иногда отвлекается от других задач.
Конечно, никто не требует, чтобы результаты измерений буквально совпадали друг с другом. Совершенно нормально, когда они различаются в рамках заявленных погрешностей измерений — на одну-две величины погрешности (на научном языке, на одну-две «сигмы»). Такое расхождение может произойти чисто случайно, и нет никаких оснований видеть тут серьезное отличие. Когда измеренные величины различаются на 3 сигмы — это уже повод для беспокойства, на 5 сигм — повод для очень серьезного беспокойства (см. подробности на страничке Что такое «сигма»?). И снова подчеркнем: это беспокойство относится не к самой величине, а к методам измерения, к (не)пониманию экспериментаторами своей установки либо метода измерения и обработки данных.
Особенно драматична ситуация, когда с течением времени погрешности каждого отдельного эксперимента уменьшаются, но различие между ними остается. В этом случае расхождение между ними, выраженное в единицах сигма, растет со временем.
Есть несколько примеров такой ситуации в современной физике. Видимо, самая впечатляющая — это гравитационная постоянная, где нестыковка между четырьмя точными измерениями уже превышает 10 сигм; см. подробности в новости Новые измерения гравитационной постоянной еще сильнее запутывают ситуацию, «Элементы», 13.09.2013. Другой пример — недавние измерения новым методом зарядового радиуса протона с результатом, отличающимся от общепринятого значения на 7 сигм. Еще одна «проблемная величина» — это время жизни нейтрона, где бурные изменения произошли в последние несколько лет. И вот сейчас, когда казалось уже, что ситуация успокоилась, в журнале Physical Review Letters вышла статья, подливающая масла в огонь.
Время жизни нейтрона: предыстория
Нейтрон — самая долгоживущая из нестабильных элементарных частиц. В свободном состоянии он живет очень долго, почти 15 минут, и распадается за счет слабого взаимодействия на протон, электрон и антинейтрино. Внутри ядра он может стать как совершенно стабильным, так и очень нестабильным; эти ядерные эффекты мы здесь не обсуждаем. Еще подчеркнем, что речь тут идет о времени жизни в системе отсчета самой частицы; если частица движется с околосветовой скоростью, ее время жизни может сильно увеличиться (см. по этому поводу задачу про время жизни фотона). Время жизни нейтрона — величина, очень важная как для физики частиц и атомного ядра, так и для астрофизики. Неудивительно, что его принялись измерять почти сразу после того, как экспериментаторы научились получать и регистрировать свободные нейтроны, ну и, конечно, отвлеклись от задач, связанных с военными применениями — всё же происходило это в 40-е годы.
Поначалу все эксперименты делались только с нейтронами, вылетающими из реактора. Из-за того что нейтроны живут долго, а летят из реактора быстро, измерить их уменьшение с течением времени нереально. Зато можно убедиться, что нейтроны распадаются, поскольку датчики, установленные поодаль от реактора, регистрировали иногда приходящие почти одновременно протоны и электроны. Если знать нейтронный поток, измерить частоту таких срабатываний и разобраться с угловыми характеристиками, то можно оценить и время жизни нейтрона. Первые оценки 1950 года давали время жизни от 13 до 40 минут; год спустя было было опубликовано первое настоящее измерение с результатом 1110 ± 220 с.
В течение последующих трех десятилетий измерения становились всё более и более точными (см. рис. 1) и постепенно сошлись на значении около 900 секунд с погрешностью 1–2%. В схему эксперимента было внедрено много усовершенствований, но общий подход оставался неизменным: измерялось не уменьшение количества нейтронов со временем, а радиоактивность пролетающего мимо нейтронного пучка. Такой метод так и называется — пучковый.
Последнее обновление датировалось 2005 годом. Исследователи из Американского национального института стандартов и технологий (NIST) провели измерения времени жизни нейтрона в пучковом эксперименте, схема которого показана на рис. 2. Нейтронный пучок идет сквозь установку справа налево. Пока пучок летит через магнитную ловушку для протонов, некоторые нейтроны успевают распасться на лету. В закрытом состоянии ловушка удерживает все протоны, получившиеся от этих распадов. После стадии накопления ловушку открывают, и она выпускает накопленные протоны, которые следуют за линиями магнитного поля и попадают в протонный детектор (этот этап и показан на рис. 2). Так удается сосчитать количество актов распадов за время набора статистики. Поток нейтронов измеряется отдельно, путем поглощения нейтронов в мишени и регистрации продуктов инициированных ими распадов. Измерения дали результат 886,3 ± 1,2 ± 3,2 с (здесь два последних числа обозначают статистическую и систематическую погрешности).
|
В 70-х годах стал доступен новый метод изучения свойств нейтронов — физики научились получать и долго удерживать в ловушках ультрахолодные нейтроны. Ультрахолодными называют нейтроны с энергиями меньше 100 нэВ (наноэлектровольт). Нейтроны с такой энергией движутся со скоростью всего лишь несколько метров в секунду, им тяжело даже подняться вверх против силы тяжести. Обзор физических исследований с ультрахолодными нейтронами см. в статье: В. К. Игнатович, 1996. Ультрахолодные нейтроны — открытие и исследование. Самое важное свойство таких нейтронов — они практически полностью отражаются от стенок вакуумной камеры; получается, такие нейтроны можно просто держать «в бутылке». Конечно, всегда есть какие-то потери, но если время удержания достаточно велико и потери известны, то можно просто запереть нейтроны внутри, подождать какое-то время, а потом измерить количество выживших нейтронов и вычислить отсюда время их жизни. Ну а если совсем не хочется разбираться с потерями из-за контактов со стенками, то нейтроны можно поместить в магнитную ловушку. Правда, тогда придется разбираться с другими источниками погрешностей.
Эксперименты по измерению времени жизни нейтрона таким методом начались в 80-х годах, причем существенную роль в них играли советские физики. Поначалу точность измерения была невелика, но постепенно улучшалась, и уже в 1986 году был получен результат 903 ± 13 с. Затем на первый план вышли французские исследователи: с помощью своей установки MAMBO в Институте Лауэ–Ланжевена в Гренобле они существенно улучшили точность и в 1989 году опубликовали результат 887,6 ± 3 с. В дальнейшем, благодаря усовершенствованиям установки, погрешность удалось уменьшить, и в 2000 году было получено885,4 ± 0,9 ± 0,4 с. Это стало первым измерением времени жизни нейтрона с общей погрешностью меньше 1 секунды.
Таким образом, в середине 2000-х годов в задаче измерения времени жизни нейтрона вырисовывалась спокойная ситуация. Два основных метода и несколько независимых друг от друга измерений давали примерно одинаковый результат: 885–886 секунд (см. рис. 3). В выпусках обзоров от коллектива Particle Data Group, который занимается обработкой всех поступающих данных по свойствам элементарных частиц, вплоть до 2010 года фигурировало усредненное значение 885,7 ± 0,8 с (полоска на рис. 3).
|
«Революция» 2005 года
В конце 80-х годов новая установка (гравитационная ловушка Gravitrap) по измерению времени жизни нейтрона была создана и в России совместными усилиями физиков из Петербургского института ядерной физики в Гатчине и ОИЯИ в Дубне. Поначалу она работала в ПИЯФе на реакторе ВВР-М, однако потоки нейтронов там были недостаточные, и ее было решено перевезти в Гренобль, в Институт Лауэ–Ланжевена. В 2004 году там было выполнено новое измерение времени жизни нейтрона, которое дало очень точное, но неожиданно маленькое значение — 878,5 ± 0,7 ± 0,3 с. Это значение более чем на 6 сигм отличалось от «общепринятого» на тот момент; оно обведено в кружочек на рис. 3. Подробный рассказ об этом эксперименте см. в статье: А. П. Серебров, 2005. Измерение времени жизни нейтрона с использованием гравитационных ловушек ультрахолодных нейтронов.
Несколько лет ситуация оставалась подвешенной. Авторы «революционного» измерения не ограничились предъявлением только своих результатов, но и тщательно рассмотрели методики, использованные в других ловушечных экспериментах, и указали на возможные источники неточностей и систематического смещения результатов. В своей статье 2010 года два ключевых автора провели общий анализ всех имевшихся на тот момент данных и предложили снизить официально среднее значение практически до своего результата. Коллектив Particle Data Group, который занимается такими усреднениями, в этой ситуации воздержался от суждений. В его отчете за 2010 год осталось старое общепринятое число, но оно сопровождалось такой припиской:
Новый результат Серебров и др. (2005) настолько сильно отличается от остальных, что нет смысла пытаться включать его в общее усреднение. Разобраться с этой ситуацией должны эксперты, а до тех пор наше усредненное значение 885,7 ± 0,8 с следует воспринимать с долей скептицизма.
Авторы предыдущих измерений прислушались к критике группы Сереброва, провели новый анализ погрешностей и действительно вынуждены были пересмотреть свои результаты. В их новых публикациях уже фигурируют числа от 880 до 882 секунд. При этом авторы работы 2000 года — той самой, в которой впервые была достигнута общая погрешность меньше 1 секунды, — были вынуждены в 2012 году эту погрешность резко увеличить. Можно сказать, что группа Сереброва в этом вопросе одержала полную и безоговорочную победу. Она не только в одиночку «переборола» несколько результатов других групп, но и способствовала нахождению у них ошибок. В настоящее время это измерение 2005 года является единственным с полной погрешностью меньше 1 секунды.
Завершающим аккордом стал пересмотр общепринятого значения от Particle Data Group в отчете 2012 года. Нынешнее значение равно 880,0 ± 0,9 с. Это редкий случай, когда PDG пересматривает значение какой-то величины, резко и сильно смещая его практически без изменения погрешности.
Текущая ситуация
Можно ли сказать, что ситуация сейчас полностью разрешена? Пока нет. Некоторый консенсус сейчас достигнут между несколькими экспериментами, использующими, по сути, один и тот же инструмент — материальную ловушку нейтронов. Как показала история развития ситуации, в этом методе есть много подводных камней, и никто пока не может гарантировать, что все они обнаружены. Для примера скажем, что в 2009 году вышла статья с указанием на еще один возможный источник погрешности, связанный с диффузным рассеянием нейтронов на шероховатой поверхности ловушки, однако группа Сереброва на эту критику оперативно отреагировала. Впрочем, в последней версии статьи появилась реакция и на этот ответ. Так или иначе, обсуждения продолжаются. А поэтому для большей уверенности, что всё под контролем, желательно убедиться, что такое же значение времени жизни получается в магнитных ловушках, а также в пучковых экспериментах.
С магнитными ловушками ситуация пока не вполне ясна. С одной стороны, еще в 2007 году было получено значение, близкое к нынешнему «официальному», но результаты там, строго говоря, остаются предварительными. Месяц назад в архиве е-принтов появилась статья D. J. Salvat et al. Storage of ultracold neutrons in the UCNτ magneto-gravitational trap, в которой описывается первое измерение времени жизни нейтрона в новой магнитно-гравитационной ловушке, построенной в Лос-Аламосской национальной лаборатории в США. Первое измерение на очень низкой статистике дало значение 860 ± 19 с, то есть точность тут пока слишком низка для каких-то существенных выводов. Авторы вскоре увеличат статистку и тем самым намереваются достичь точности аж в 0,1 секунды. Существуют и другие нейтронные ловушки, на которых исследователи попробуют добиться сравнимой точности.
Что касается пучковых экспериментов, то здесь расхождение остается невыясненным. На днях в журналеPhysical Review Letters вышла статья с улучшенной версией пучкового эксперимента, проводимого в NIST. Новый эксперимент проводился по технологии, описанной в публикации 2005 года (см. рис. 2), только сейчас была усовершенствована методика измерения нейтронного потока, что позволило уменьшить погрешность. Улучшенный результат составляет 887,7 ± 1,2 ± 1,9 с. Он согласуется со старым значением той же группы и существенно расходится с последними ловушечными результатами.
Различие тут пока не столь драматическое, всего 3,8 сигмы, но — как показала вся эта история — отбрасывать его ни в коем случае не следует. Оно является указанием на то, что какой-то из методов принимает во внимание не все тонкости, но какой — пока не ясно. Конечно, в идеале хотелось бы получить аналогичное пучковое измерение и другой, независимой от NIST группы. К сожалению, в последние годы упор в этом вопросе смещается всё больше и больше к ловушечным экспериментам с нейтронами. Так или иначе, ситуация пока требует разъяснения.
Источник: A. T. Yue et al. Improved Determination of the Neutron Lifetime // Phys. Rev. Lett. 2013. V. 111. P. 222501; статья свободно доступна как е-принт arXiv:1309.2623.
См. также:
1) Сводка экспериментальных результатов по времени жизни нейтрона на сайте Particle Data Group.
2) F. E. Wietfeldt, G. L. Greene. Colloquium: The neutron lifetime // Rev. Mod. Phys. 2011. V. 83. P. 1173.
3) А. П. Серебров. Измерение времени жизни нейтрона с использованием гравитационных ловушек ультрахолодных нейтронов // УФН. 2005. Т. 175. Стр. 905.
4) Материалы двухдневной конференции Next Generation Experiments to Measure the Neutron Lifetime, прошедшей в ноябре 2012 года и посвященной экспериментам нового поколения по измерению времени жизни нейтрона.
Источник: elementy.ru.
Источник: elementy.ru.
Свежие комментарии