CC BY
33
СОВРЕМЕННЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИКИ БОЗОНА ХИГГСА
© Гурская А.В.*
Самарский государственный университет, г. Самара
В данной работе дается краткий обзор существующих возможностей изучения свойств бозона Хиггса. Перечислены основные ускорительные эксперименты, в которых уже регистрируется и будет зарегистрирована данная частица. Также освещены проблемы СМ, связанные непосредственно со структурой хиггсовского сектора в теории. В дополнение ко всему, приводится некоторый набор программных средств для численных расчетов физических параметров бозона Хиггса и построения новых теоретических моделей.
Ключевые слова: бозон Хиггса, LHC, расширение скалярного сектора СМ, суперсимметрия, СР-нарушение, программные средства.
Ускорительные эксперименты
На сегодняшний день исследования в физике элементарных частиц сопряжены с большими финансовыми затратами и колоссальными экспериментальными установками, среди которых самой мощной по праву считается Большой Адронный Коллайдер (Large Hadron Collider, сокращенно LHC) -ускоритель протонов на встречных пучках. Он находится в ЦЕРНе, на границе между Швейцарией и Францией. LHC представляет из себя кольцо длиной 27 км, на котором расположено четыре крупных детектора: CMS, ATLAS, ALICE и LHCb. У каждого детектора имеются свои особенности в конструкции и собственные цели исследования сталкивающихся частиц. На ALICE получают кварк-глюонную плазму, на LHCb исследуют различия в материи и антиматерии, а на CMS и ATLAS был открыт бозон Хиггса - последний недостающий «кирпичик» Стандартной Модели (СМ). Официально об открытии нового бозона было объявлено на семинаре в ЦЕРНе в 2012 г. [1, 2], а в 2013 г. Франсуа Энглеру и Питеру Хиггсу, которые теоретически предсказали эту частицу, была присуждена Нобелевская премия.
Несмотря на то, что бозон Хиггса по своим физическим свойствам вполне вписывается в рамки СМ, исследования данной частицы будут продолжены, как на эксперименте, так и в теории. В начале 2013 г. LHC был остановлен для модернизации, и следующий запуск планируется в 2015 г. Мощность ускорителя будет увеличена.
Необходимо отметить, что на эксперименте регистрируют не сам бозон Хиггса, а продукты его распада. Но протон-протонные столкновения имеют
* Аспирант кафедры Общей и теоретической физики.
110
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
слишком много фоновых процессов, и выделить нужный сигнал довольно сложно, из-за чего в будущем ожидается строительство ускорителей, например, электрон-позитронных, фотонных и мюонных, где бозон Хиггса будет получен совсем в других процессах [3]. Однако, это, отнюдь, не новые революционные технологии. Если вспомним, на месте LHC, в том же самом тоннеле, ранее работал именно электрон-позитронный коллайдер, который не смог «увидеть» бозон Хиггса, потому что ему на это просто не хватило мощности. Среди перспективных проектов электрон-позитронных ускорителей можно выделить Fermilab site-filler (США), SuperTRISTAN (Япония), IHEP Higgs factory (Китай). Интересен также проект фотонного ускорителя SAPPHiRE [4], который по размерам в три раза меньше LHC. Проект мюонного коллайдра еще только разрабатывается.
Нарушение электрослабой симметрии в расширениях СМ
Несмотря на имеющиеся научные успехи, СМ накопила в себе достаточно противоречий [5], которые указывают на то, что, данная теория не может быть окончательной. Попытки решить имеющиеся проблемы приводят к расширению СМ и увеличению количества частиц в теории. Мы здесь выделим только теории, в которых имеется тенденция к расширению скалярного сектора Хиггса.
Чем обусловлено расширение сектора Хиггса? В теории бозон Хиггса возникает в результате спонтанного нарушения электрослабой симметрии и далее, при взаимодействии с этой частицей, в процессе, так называемого, механизма Хиггса, другие частицы приобретают массу. При этом возникают некоторые трудности, а именно:
1. Массу в теории не приобретает нейтрино. Это противоречит результатам экспериментов, которые регистрируют переходы одних видов нейтрино в другие (осцилляции нейтрино), что возможно лишь при наличии у нейтрино массы. Сами значения масс трех видов нейтрино пока неизвестны.
2. Если СМ верна, то регистрируемая масса бозона Хиггса СМ порядка 125 ГэВ говорит о том, что наша Вселенная находится в метастабильном состоянии и может распасться через определенное количество времени [6, 7].
3. В нашей Вселенной практически отсутствует антиматерия. Данное явление - явление барионной асимметрии - связывают с нарушение СР-инвариантности (комбинированной зарядовой и пространственной симметрии) и фазовым переходом 1-го рода. Фазовый переход 1-го рода не реализуется в СМ, и источников СР-нарушения в СМ также недостаточно.
4. В последнее время привлекательной была идея суперсимметрии, согласно которой бозоны и фермионы могут преобразовываться друг в друга. Такая ситуация в СМ не может существовать из-за нехватки степеней свободы, но такую модель можно построить, сопоставив каждой частице СМ в соответствие суперчастицу. В суперсимметричных моделях сектор Хиггса
Физико-математические науки
111
будет расширен как минимум до двух дублетов, исходя из требований ки-ральности суперполей лагранжиана.
Перечисленные выше трудности могут быть решены именно при расширении скалярного сектора Хиггса, т.к. увеличение количества полей в нем может дать нейтрино массу [8], «островок» стабильности для нашей Вселенной, дополнительные источники СР-нарушения [9], а также надежду на существование суперсимметричных частиц [10].
Программные средства
Теоретические расчеты и моделирования требуют использования специализированные программных средств. Одной из самых мощных программ, базируемых на вычислительном аппарате квантовой теории поля, является CompHEP [11]. Одно из преимуществ данного программного обеспечения заключается в том, что вычисления строятся на основе правил Фейнмана, а не на уже готовых выражениях для амплитуд, как в большинстве программ. В базе имеются правила Фейнмана СМ и некоторых суперсимметричных моделей, а также есть возможность создавать свои собственные модели.
Данные пакет предназначен не только для теоретиков. CompHEP содержит в себе интерфейсы к программам реконструкции некоторых реальных детекторов, например, таких, как CMS и ATLAS на LHC. Также имеются интерфейсы к программам PYTHIA и HERWIG образования адронных струй и адронизации кварков / глюонов. CompHEP свободно распространяется и работает в системе Linux.
Для тех, кто привык работать в Windows в программах символьной математики, больше подойдут приложения FeynArts и FeynCalc, подключаемые в свою очередь к приложению Wolfram Mathematica. Данные приложения позволяют рисовать диаграммы Фейнмана и сохранять их в код Latex, а также записывать амплитуды процессов и делать необходимые расчеты. Последние версии этих приложений выпускаются совместно одним пакетом.
До недавнего времени также была популярна специализированная программа для расчета физических параметров сектора Хиггса FeynHiggs, Однако, она посвящена Минимальной Суперсимметричной Стандартной Модели (МССМ), для которой уже закрыты все интересные области свободных параметров. Наиболее мотивированным является исследование в Неминимальной Модели - НМССМ, а соответствующее программное средство NMSSMTools [12] содержит в себе целый набор программ для исследования параметров этой модели: NMHDECAY, NMSDECAY, NMSPEC, NMGMSB, micromegas_2.2, EXPCON. Помимо возможностей расчета ширин распадов, бренчингов, масс частиц, сдержатся также и экспериментальные ограничения на модели. NMSSMTools работает в системе Linux.
112
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Из множество оставшихся программ можно выделить еще приложение Sarah [13], предназначенное для построения и анализа различных моделей квантовой теории поля. Sarah производит расчеты вершинных функций, массовых состояний, позволяет делать одно- и двупетлевые приближения, создает файлы для FeynArts, CompHEP и не только.
Конечно, имеется еще солидное число приложений, которые могут конкурировать с перечисленными выше. Наш выбор ограничился наиболее мощными и универсальными приложениями, охватывающими, по возможности, весь спектр возможных вычислений.
Список литературы:
1. Aad G Observation of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC / G.Aad [et al.] // Physics Letters B. - 2012. - V 716. - P. 1-29.
2. Chatrchyan S. Observation of a new boson at a mass of 125 GeV with the CMS experiment at the LHC / S. Chatrchyan [et al.] // Physics Letters B. - 2012. -V 716. - P. 30-61.
3. Blondel A. Report of the ICFA Beam Dynamics Workshop «Accelerators for a Higgs Factory: Linear vs. Circular» (HF2012) / A. Blondel [et al.] // e-print: arXiv:1302.3318v2.
4. Bogacz S.A. SAPPHiRE: a Small Gamma-Gamma Higgs Factory / A.S. Bo-gacz [et al.] // e-print: arXiv:1208.2827v1.
5. Троцкий С.В. Нерешенные проблемы физики элементарных частиц / С.В. Троцкий // УФН. - 2012. - Т. 182, № 1. - С. 77-103.
6. Elias-Miro J. Higgs mass implications on the stability of the electroweak vacuum / J. Elias-Miro [et al.] // e-print: arXiv:1112.3022v1.
7. Degrassi G. Higgs mass and vacuum stability in the Standard Model at NNLO / G Degrassi [et al.] // e-print: arXiv:1205.6497v2.
8. Chen C.-H. Two-Higgs-doublet type-II seesaw model / Chen C.-H., T. Nomura // Phys.Rev.D. - 2014. - V 90. - 075008.
9. Гурская А.В. СР-нарушение в расширенном секторе Хиггса / А.В. Гур-ская // Научно-практический журнал «Аспирант». - 2014. - № 4. - C. 75-79.
10. Drees L. Supersymmetric Models With Extended Higgs Sector / L. Drees // Int. J.Mod. Phys. - 1989. - A4. - P. 3635.
11. Boos E. CompHEP 4.5 Status Report / E. Boos [et al.] // e-print: ar-Xiv:0901.4757v1.
12. Das D. NMSDECAY: A Fortran Code for Supersymmetric Particle Decays in the Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model / D.Das, U. Ell-wanger, A.M. Teixeira // e-print: arXiv:1106.5633v1.
13. Staub F. SARAH 4: A tool for (not only SUSY) model builders / F. Staub // e-print: arXiv:1309.7223v2.
