Охотники за бозонами: физики ЦЕРН ищут редчайшие события во Вселенной

Физики из Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) представили результаты экспериментов по поиску "новой физики" на Большом адронном коллайдере (БАК). Несмотря на то, что у нас все еще нет доказательств существования явлений за пределами Стандартной модели, полученные данные помогут в планировать будущие эксперименты после того, как установку модернизируют.

БАК представляет собой кольцевой ускоритель частиц длиной 27 километров, расположенный на глубине до 175 метров под землей. Внутри кольца частицы разгоняются практически до скорости света и сталкиваются друг с другом при температуре, в 100 000 раз превышающей температуру в центре Солнца.

Коллайдер в Женеве - один из самых амбициозных научных проектов в истории человечества. Над его созданием на протяжении десяти лет трудились более 10 000 ученых из сотни стран мира. Общая стоимость проекта превысила девять миллиардов долларов, но затраты окупились знаменательным открытием бозона Хиггса в 2012 году.

Для регистрации частиц, рождающихся при столкновениях протонов, используются четыре гигантских детектора: ATLAS, CMS, ALICE и LHCb. Детектор ATLAS, данные которого анализировались в новом исследовании, достигает 46 метров в длину, 25 метров в высоту и весит около 7000 тонн.

Бозон Хиггса долгое время оставался последним недостающим элементом Стандартной модели физики. Согласно современным представлениям, в момент зарождения Вселенной частицы не обладали массой и двигались со скоростью света. Лишь благодаря взаимодействию с полем Хиггса они обрели массу, что сделало возможным формирование звезд, планет и зарождение жизни.

Открытие самого бозона Хиггса потребовало анализа данных о примерно 500 триллионах столкновений протонов. Масса обнаруженной частицы составила около 125 гигаэлектронвольт, что примерно в 133 раза превышает массу протона. За это открытие Питер Хиггс и Франсуа Энглер были удостоены Нобелевской премии по физике в 2013 году.

Научное сообщество возлагало большие надежды на открытие новых физических явлений, выходящих за рамки Стандартной модели. Однако многолетние наблюдения пока не выявили никаких отклонений от существующей теории.

Среди явлений, которые надеются обнаружить физики, - суперсимметричные частицы, дополнительные измерения пространства-времени и частицы темной материи. Последняя особенно интересна ученым, поскольку составляет около 27% массы-энергии Вселенной, но до сих пор не поддается прямому наблюдению.

Исследователи, работающие с детектором ATLAS , предложили новую методику для обнаружения чрезвычайно редкого феномена - одновременного появления двух бозонов Хиггса в одном событии. Согласно Стандартной модели, случается это крайне редко, однако ряд современных теоретических моделей предполагает, что подобные события должны происходить значительно чаще. Однако же за все время работы коллайдера не удалось зафиксировать ни одного подобного случая.

По расчетам теоретиков, вероятность рождения пары бозонов Хиггса при одном столкновении протонов составляет примерно один случай на 100 000 триллионов столкновений. А регистрация таких событий дополнительно осложняется тем, что бозоны крайне нестабильны и распадаются за время порядка 10^(-22) секунды.

Для решения проблемы было разработано специальное программное обеспечение, моделирующее процесс рождения частиц. Симуляции включали как одиночные бозоны Хиггса, так и их пары. Сигналы от смоделированных событий были нормализованы в соответствии с ожидаемыми показаниями детектора.

После завершения компьютерного моделирования исследователи приступили к сравнению полученных результатов с реальными данными БАК. Учитывая колоссальный объем информации и редкость искомых событий, были задействованы алгоритмы машинного обучения с настраиваемыми деревьями решений.

Система обработки данных БАК представляет собой распределенную компьютерную сеть, объединяющую более 170 вычислительных центров в 42 странах мира. Ежегодно детекторы коллайдера генерируют около 90 петабайт данных, что эквивалентно 90 миллионам гигабайт.

Искусственный интеллект обработал миллионы точек данных – задача, которая потребовала бы от человека многих лет кропотливой работы. Однако даже такой тщательный анализ не выявил сигналов, соответствующих теоретическим предсказаниям.

По словам доктора Забински, детекторы БАК пока не зарегистрировали ни одного отклонения от Стандартной модели. Тем не менее, проделанная работа позволила установить важные ограничения для дальнейших экспериментов.

Отсутствие доказательств "новой физики" не означает окончательного опровержения теорий. Возможно, влияние неизвестных явлений на образование пар бозонов Хиггса настолько слабо, что его невозможно обнаружить при текущей чувствительности приборов.

В ближайшие годы БАК ожидает серьезная модернизация. Планируется значительно увеличить интенсивность протонных пучков, что приведет к росту числа столкновений в каждом эксперименте. При поиске столь редких событий, как рождение пары бозонов Хиггса, количество столкновений играет решающую роль.

Модернизация коллайдера, получившая название High-Luminosity LHC, увеличит светимость установки в 5-7 раз. С ее помощью можно будет регистрировать до 4 миллиардов столкновений протонов в секунду. Проект оценивается в 950 миллионов швейцарских франков и должен быть завершен к 2029 году.

Параллельно ученые ЦЕРН продолжают изучать свойства одиночных частиц. Особый интерес представляет характер взаимодействия бозона Хиггса с тяжелыми кварками и лептонами.