Является ли бозон Хиггса частью головоломки материя-антиматерия?

Несколько экспериментов, в том числе эксперимента BaBar в Национальной ускорительной лаборатории SLAC, помогли частично объяснить дисбаланс между материей и антиматерией во Вселенной. Теперь теоретик из SLAC и его коллеги изложили возможный метод для определения, участвует ли в этом бозон Хиггса.

В статье, опубликованной в Physical Review D, они предполагают, что ученые в ЦЕРНе на Большом адронном коллайдере (LHC), где был обнаружен бозон, будут искать специфический вид распада бозона Хиггса, когда коллайдер снова запустится в 2015 г. Детали этого распада могут им сказать, имеет ли бозон Хиггса голос в дисбалансе материя-антиматерия.

«Теперь наступило время планировать стратегию поиска, - сказал Мэтт Долан (Matt Dolan), научный сотрудник в группе теории элементарных частиц и соавтор статьи. - Таким образом, когда LHC начинает действовать в полную силу, мы будем готовы».

Почему вещества больше, чем антивещества, является одним из самых загадочных вопросов физики элементарных частиц и космологии, и он не дает ученым покоя. После Большого взрыва, когда зарождающаяся Вселенная охладилась достаточно, чтобы сформировать материю, большинство родившихся пар частица-античастица аннигилировали друг с другом. Но что-то нарушило баланс в пользу материи, иначе звезд, планет, галактик и жизни не было бы здесь.

Недавно обнаруженный бозон Хиггса напрямую связан с проблемами массы и материи. И играл ли бозон Хиггса какую-либо роль в перевесе материи над антиматерией, является вполне резонным вопросом.

Работа основана на явлении под названием нарушение CP-инвариантности, или комбинированной четности, которое исследовалось в эксперименте BaBar. Нарушение CP-инвариантности означает, что природа рассматривает частицу и ее противоположно заряженную и зеркально отраженную в пространстве версию по-разному.

«Поиск нарушения СР-инвариантности на LHC является сложным, - сказал д-р Долан. - Мы только начали изучать свойства бозона Хиггса, и эксперименты должны быть очень тщательно разработаны, если мы хотим улучшить наше понимание того, как бозон ведет себя в различных условиях».

Прежде всего, исследователи должны подтвердить, что бозон Хиггса вписывается в Стандартную модель, нынешнее лучшее объяснение свойств материи, энергии и процессов, которые, в конце концов, создали нас. Бозон Хиггса, который соответствует Стандартной модели, где СР-инвариантность нарушается, называется CP-четным; тот, где не нарушается, называется CP-нечетным. Если бозон Хиггса участвует в нарушении СР-инвариантности, то он должен представлять собой смесь четного и нечетного состояний.

Теоретики предложили, чтобы экспериментаторы искали процесс, в котором бозон Хиггса распадается на две тау-частицы, которые похожи на сверхбольшие кузены электронов, а остальная часть энергии от оригинального протон-протонного столкновения выбрасывается наружу в виде двух струй. Любое сочетание СР-четных и СР-нечетных бозонов Хиггса определяется углом между двумя струями.

«Это очень тонкий и запутанный анализ, - сказал Филип Харрис (Philip Harris), физик из ЦЕРНа и соавтор статьи. - Даже имея данные за несколько месяцев, мы можем начать делать реальные заявления о бозоне Хиггса и нарушении СР-инвариантности».

На этой иллюстрации два протона сталкиваются при высокой энергии, рождая бозон Хиггса, который мгновенно распадается на две тау-частицы. Остальная часть энергии от столкновения выбрасывается наружу в двух струй (розовых конусов). Измерение угла между этими струями может определить, участвует ли бозон Хиггса в нарушение CP-инвариантности