1,6 x 10-22 секунды: Таково, согласно теории, время жизни бозона Хиггса, одной из самых востребованных частиц в субатомном мире. Это время настолько мало, что десятки триллионов бозонов Хиггса могут жить и умереть прежде, чем свет от устройства, с помощью которого вы это читаете, достигнет ваших глаз.
Физики определили это время жизни в реальном мире. Изучая данные Большого адронного коллайдера (БАК) ЦЕРНа, ученые сузили продолжительность жизни Хиггса до цифры 1,6 x 10-22. Ученые смогли сделать это благодаря данным CMS, одного из детекторов БАК. Их работа является значительным прогрессом и признаком того, что спустя почти десятилетие после открытия бозона Хиггса еще многое предстоит узнать об этой частице.
"Это хорошее достижение, большая веха, но это только первый шаг", - говорит Катерина Верниери, физик частиц из Национальной ускорительной лаборатории SLAC в Калифорнии, которая работала с группой CMS в прошлом, но не участвовала в нынешнем исследовании.
Бозон Хиггса - это причина того, что многие частицы обладают массой, если вкратце рассказать длинную историю, связанную со сложными понятиями "квантовые поля" и "нарушение симметрии". Впервые он был теоретизирован в 1960-х годах - его однофамильцем является Питер Хиггс, нобелевский лауреат британский физик, - но в течение десятилетий он ускользал от внимания ученых.
Сбивание частиц вместе при все более высоких энергиях стало ключом к его открытию, которое стало возможным благодаря БАК, где частицы кружат по кольцу длиной 17 миль на границе Франции и Швейцарии. БАК был запущен в эксплуатацию в 2008 году. В 2012 году физики, работающие на нем, обнаружили отпечатки чего-то, что могло бы быть бозоном Хиггса; к концу 2013 года они определили, что их результаты не были просто случайным статистическим шумом.
Поиски бозона Хиггса завершились. Но если ученые открыли частицу - или что-то еще - это еще не значит, что они понимают все ее свойства.
Физики-теоретики предсказали многие свойства бозона Хиггса за несколько десятилетий до его открытия. Если эти теоретические предсказания совпадут с тем, что ученые в итоге обнаружили, то это станет дополнительным доказательством того, что бозон Хиггса вписывается в теорию современной физики частиц - так называемую Стандартную модель. Это поможет ученым узнать больше о том, как устроена Вселенная в мельчайших масштабах.
Но ученые пытаются изучать вещи, которые не совсем открываются миру. Такие частицы, как Хиггс, помимо своего ничтожного размера, могут проявлять себя лишь в течение исчезающе малого времени, прежде чем распасться на множество других частиц.
"Время жизни бозона Хиггса чрезвычайно мало", - говорит Верниери. "Поэтому, когда он образуется в нашем эксперименте, мы не измеряем бозон Хиггса и не видим бозон Хиггса, а видим обломки ... частиц, на которые он распадается".
Поэтому ученые CMS изучили данные экспериментов на БАК, проведенных в период с 2015 по 2018 год. Изучив частицы, в которые распадается бозон Хиггса, они смогли проследить обратный путь и найти диапазон масс, которые мог иметь бозон Хиггса. Благодаря квантовому свойству, называемому принципом неопределенности, этот диапазон обратно пропорционален времени жизни частицы, что позволило физикам вычислить последнюю из первой.
Согласно их расчетам, время жизни бозона Хиггса лежит где-то между 1,2 x 10-22 секунды и 4,4 x 10-22 секунды. Это самая точная оценка времени жизни бозона Хиггса, которая хорошо согласуется с предсказанным теоретиками числом 1,6 x 10-22.
И, тем не менее, он недостаточно точен для некоторых видов физики.
Существует возможность, например, что существует странная, неизвестная в настоящее время экзотическая частица, в которую распадается бозон Хиггса и которую Стандартная модель не учитывает. Это могло бы повлиять на время жизни бозона Хиггса - но настолько тонко, что даже этот расчет не смог бы его обнаружить.
"Это будет крошечное, крошечное изменение в стоимости жизни", - говорит Верниери. "Поэтому нам нужно очень точно измерить срок службы".
К счастью, физики частиц считают, что они могут стать лучше в этом отношении. "Ожидается, что в ближайшие годы точность измерений повысится благодаря данным следующих запусков БАК и новым идеям анализа", - говорится в заявлении Паскаля Ванлера, физика из CMS и одного из физиков, стоящих за проектом.
Первый из этих следующих запусков, согласно плану, состоится не так уж далеко в будущем. С 2018 года БАК был остановлен на длительный период, который получил название Long Shutdown 2. За это время коллайдер и прилегающие к нему объекты ЦЕРН подверглись целому ряду модернизаций. После срыва графика, вызванного COVID-19, коллайдер планируется включить в феврале 2022 года.
И есть много других вещей о бозоне Хиггса, которые мы все еще не знаем наверняка - от того, как он образуется, как он реагирует на другие частицы и как он взаимодействует сам с собой. Для определения этих особенностей даже БАК может оказаться недостаточно чувствительным.
"Мы производим бозон Хиггса каждый миллиард столкновений на БАКе", - говорит Верниери, и часто, пытаясь увидеть бозон Хиггса, приходится просматривать целое море других частиц. "Это очень сложная среда для очень точного изучения производства частиц".
По словам Верниери, ключевым моментом будет более чистая среда для изучения бозона Хиггса с более высокой точностью. Возможно, это работа для одного из предполагаемых преемников БАК.