Пробуждение тайного мира: Обнаружение экзотических распадов бозона Хиггса в лептонных ускорителях

Ученые из Института ядерной физики Польской академии наук (IFJ PAN) в Кракове представили новые анализы и симуляции, касающиеся возможности обнаружения распада бозона Хиггса в будущих лептонных ускорителях. Так называемые модели "Скрытой Долины" предполагают существование экзотических частиц, скрытых в области высоких энергий, в то время как частицы нашего мира, описанные Стандартной Моделью, принадлежат к группе низких энергий. Согласно теоретическим представлениям, распады Хиггса на экзотические частицы должны быть наблюдаемы в преемниках Большого адронного коллайдера (LHC), если модели "Скрытой Долины" окажутся согласованными с реальностью.

Исследователи объясняют, что в моделях "Скрытой Долины" есть две группы частиц, разделенные энергетическим барьером. При определенных условиях экзотические массивные частицы могут пересекать этот барьер. Бозоны Хиггса и гипотетические бозоны Z' играют роль посредников между частицами обоих миров. Бозон Хиггса, являющийся одной из самых массивных частиц Стандартной Модели, является отличным кандидатом на роль такого посредника, по словам профессора Марцина Кухарчика (IFJ PAN), главного автора статьи в Journal of High Energy Physics.

Согласно исследованию, при распаде бозона Хиггса на две экзотические частицы, каждая из них в пикосекундах распадается на две другие частицы, меньшей массы, входящие в Стандартную Модель. При детектировании таких распадов в будущих ускорителях ожидается обнаружение потоков частиц, образованных кварк-антикварковыми парами, наблюдаемых как струи частиц, отклоненные от оси пучка лептонов.

Поиск экзотических распадов бозона Хиггса в будущих лептонных коллайдерах: 1) сталкиваются электрон и позитрон от встречных пучков; 2) при столкновении образуется высокоэнергетический бозон Хиггса; 3) бозон распадается на две экзотические частицы, удаляющиеся от оси пучков; 4) экзотические частицы распадаются на пары кварк-антикварк, видимые детекторами. 

Продолжая исследование, ученые отмечают, что обнаружение распадов бозона Хиггса будет состоять в поиске струй частиц, образованных кварк-антикварковыми парами. Затем требуется реконструировать их траектории, чтобы найти места, где предположительно произошел распад экзотических частиц. Эти места, профессионально называемые вершинами распада, должны появляться парами и иметь характерное отклонение от оси сталкивающихся пучков в ускорителе. Величина этих отклонений зависит, среди прочего, от масс и среднего срока жизни экзотических частиц, возникающих во время распада Хиггса, говорит соавтор статьи, Матеуш Гончерц, магистр наук (IFJ PAN).

В настоящее время Большой адронный коллайдер (LHC), являющийся крупнейшим в мире ускорителем частиц, способен достигать энергии столкновения протонов до нескольких тераэлектронвольт. Теоретически эта энергия достаточна для создания Хиггсов, способных преодолеть энергетический барьер, разделяющий наш мир и Скрытую Долину. Однако протоны не являются элементарными частицами, а представляют собой комбинацию трех валентных кварков, связанных сильными взаимодействиями и способных генерировать огромное количество постоянно возникающих и исчезающих виртуальных частиц, включая кварк-антикварковые пары. Такая динамичная и сложная внутренняя структура порождает огромное количество вторичных частиц при столкновениях протонов, включая многочисленные кварки и антикварки с большими массами. Они образуют фон, в котором практически невозможно обнаружить частицы от распада экзотических бозонов Хиггса, которые ищутся.

Обнаружение возможных распадов Хиггса на указанные состояния должно быть радикально улучшено ускорителями, разрабатываемыми в качестве преемников LHC. В устройствах будет возможность сталкивать электроны с их античастицами — позитронами. Электроны и позитроны не имеют внутренней структуры, поэтому фон для экзотических распадов бозонов Хиггса должен быть слабее, чем на LHC. Будет ли он достаточно слабым, чтобы обнаружить ценный сигнал?

В своих исследованиях физики из IFJ PAN учитывали наиболее важные параметры ускорителей КЛИК и ФЦК и определили вероятность экзотических распадов Хиггса с конечными состояниями в виде четырех кварк-антикварковых пар. Чтобы обеспечить то, что предсказания охватывают более широкий класс моделей, массы и средние время жизни экзотических частиц рассматривались в достаточно широком диапазоне значений. Заключения оказались удивительно положительными: все указывает на то, что на будущих ускорителях электронов и позитронов фон от экзотических распадов бозонов Хиггса может быть существенно снижен на несколько порядков, а в некоторых случаях его можно считать пренебрежимо малым.

Существование частиц-коммуникаторов возможно не только в моделях Скрытой Долины, но и в других расширениях Стандартной Модели. Поэтому, если детекторы будущих ускорителей зарегистрируют сигнатуру, соответствующую распадам Хиггса, проанализированным краковскими исследователями, это будет только первым шагом на пути к пониманию новой физики. Следующим шагом будет собрать достаточно большое количество событий и определить основные параметры распада, которые можно будет сравнить с предсказаниями теоретических моделей новой физики.

Более совершенные ускорители, откроют новые возможности для исследования новой физики и расширения наших знаний о фундаментальных частицах и их взаимодействиях. Обнаружение распадов Хиггса на экзотические частицы может представлять собой прорыв в нашем понимании устройства Вселенной и помочь нам расширить нашу картину микромира. Дальнейшие эксперименты и анализ данных на будущих ускорителях позволят уточнить и подтвердить эти предсказания и пролить свет на тайны новой физики, которая может лежать за пределами Стандартной Модели.