Rambler's Top100 Service
Поиск   
 
Обратите внимание!   Посетите Сервер по Физике Обратите внимание!
 
  Наука >> Физика >> Общая физика >> Физика микромира >> Физика высоких энергий | Новости
 Написать комментарий  Добавить новое сообщение
 См. также

Популярные заметкиБудущее физики элементарных частиц

Физика хиггсовского бозона на будущих фотонных коллайдерах
9.03.2002 22:53 | И.П.Иванов, Русский Переплет
    

Хиггсовский бозон (или просто Хиггс) - не просто еще одна элементарная частица. Это частица, которая, в некотором смысле, определяет свойства нашего мира. Если говорить точнее, то изучая хиггсовский бозон, мы можем изучать и свойства первоначального хиггсовского поля (полей?), которое-то во многом и определила черты нашего мира. Поэтому всестороннее ее изучение полезно и оправдано. Фотонные коллайдеры, которые существуют пока лишь в проекте и которые вступят в строй лишь лет через 10, будут представлять собой очень важный источник информации о хиггсовском секторе теории, а значит, и о нашем мире.

В своей заметке я сначала расскажу про историю хиггсовского бозона, затем изложу основные идеи и назову параметры фотонных коллайдеров, и потом перечислю, какие именно задачи хиггсовской физики стоит изучать на фотонных коллайдерах.

Хиггсы

Хиггсовская частица была не то, чтобы предсказана, а скорее угадана теоретически. Так же, как и были в свое время угаданы кварки. Просто экспериментальная ситуация в обоих случаях выглядела несколько озадачивающей, никаких намеков на ее разрешение в эксперименте не было, и потому теоретики выходили в свободное плавание, не имея перед собой иного ориентира, как непротиворечивость, разумность и красота получающихся теорий. И тогда кто-то из теоретиков восклицал: "Эврика! Если сделать такое и такое предположение о структуре нашего мира, то теория сразу становится изящной и самосогласованной, а экспериментальные данные легко и просто описываются на новом языке."

Хиггсовский бозон был "побочным" продуктом одной из таких идей - приобретения масс электрослабыми калибровочными бозонами с помощью спонтанного нарушения симметрии хиггсовского поля. Он является единственным непосредственным вещественным доказательством того, что эта идея в самом деле работает. Именно потому тут же была начата настоящая охота за Хиггсом (например, одна из классических монографий по хиггсам так и называется "The Higgs Hunter's Guide").

Несмотря на долгие поиски, Хиггс не обнаруживался. Серьезного беспокойства это не вызывало: теория не предсказывала значения массы Хиггса, делая лишь смутные намеки на то, что она может быть порядка энергетического масштаба электрослабого объединения, то есть, порядка 100-1000 ГэВ. Ранние эксперименты до таких энергий просто не дотягивали.

В прошлом году эксперимент, по-видимому, вплотную подошел к открытию Хиггса. На некоторых (не всех!) детекторах ускорительного комплекса LEP в ЦЕРНе было зарегистрировано несколько "лишних событий", которые намекали на существование Хиггса с массой около 114 ГэВ (читайте про это заметку [1]). Едва сдерживаемые восторги были омрачены решением комиссии закрыть работу LEP. В конечном счете, все упиралось в денежные отношения: во-первых, работая на предельной энергии, комплекс потреблял очень много энергии, а во-вторых, туннель LEP пора уже было освобождать под следуюший коллайдер LHC. Так или иначе, статус этого "открытия" не ясен: в эксперименте зафиксировано превышение фона на 2.5 сигмы, что считается "указанием на возможное существование", но не открытием. С другой стороны, для достижения необходимых 5 сигм потребовалось бы еще около года работы на предельной мощности, что достаточно много.

В ближайшее время вступит в строй проапгрейженный адронный коллайдер Теватрон в ФермиЛабе в Чикаго, и если "аномалия на LEP" в самом деле есть проявления хиггсовского бозона, то Хиггс будет там непременно обнаружен.

Так или иначе, в 2006 году начнет свою работу LHC (Large Hadron Collider), адронный коллайдер нового поколения. Его энергии и светимости будут столь высоки, что даже если Хиггс не будет обнаружен до этого, то одной недели работы LHC хватит для надежного открытия Хиггса! Хиггсы на LHC будут рождаться в столь больших количествах, что вдоль и поперек буду изучены и измерены все его основные парметры: масса, ширина, константы взаимодействия с другими частицами (что явится тестом для идеи о спонтанном нарушении симметрии: ведь константы взаимодействия должны быть пропорциональны массам частиц).

Затем, лет через 8-10, планируется запуск нового поколения линейных e+e- коллайдеров, которые также дадут новую информацию о хиггсовском бозоне. Казалось бы, что после этого делать фотонным коллайдерам? Но не будем спешить с выводами.

Фотонные коллайдеры

Фотонный коллайдер - это ускорительный комплекс, в котором будут осуществляться столкновения высокоэнергетических фотонов. Впрочем, ускорителем его назвать нельзя - фотоны же нельзя ускорять. Как же тогда планируется реализовать эту идею?

Фотонный коллайдер предполагается создать, слегка модифицируя финальную часть линейного электрон-позитронного коллайдера (см. рисунок). Электронный пучок, прошедщий через финальный магнит, уже сфокусированный в точку встречи с таким же позитронным пучком. За несколько сантиметров до встречи на него светят обычным лазерным сверхкоротким (а потому и сверхмощным) импульсом. Происходит комптоновское рассеяние лазерных фотонов на высокоэнергетических электронах, и в результате значительная часть энергии электронов (около 80%) передается фотонам. Очень важно, что при этом фотонные пучки будут автоматически сфокусированы - ведь фотоны будут лететь приблизительно в направлении электрона! Рассеянные же электроны уводятся прочь с помощью магнитного поля.

В результате мы имеем линейный электрон-позитонный коллайдер, который может работать в трех модах: e+e-, e-$\gamma$ и $\gamma-\gamma$ ($\gamma$ - обозначение фотона, или $\gamma$-кванта). Две последние моды и называются фотонным коллайдером.

Основные предполагаемые параметры фотонного коллайдера [2,3]:

  • годовая интегральная светомость - до 100 fb-1 (около 20% от светимости базового e+e- коллайдера)
  • энергия пучка - 0.4 ТэВ (около 80% энергии базового электронного пучка)
  • разброс фотонного пучка по энергии - около 7%
  • степень поляризации фотонов - 0.95

Про поляризацию - отдельный разговор. Циркулярная поляризация получается легко: для этого нужны поляризованные электроны и начальные фотоны. А где взять линейную? Оказывается [4], если пучок высокоэнергетичных циркулярных фотонов пропусить через еще один мощный лазерный сгусток, то этот сгусток будет действовать на ТэВный фотон как анизотропная оптически активная среда. И если правильно подобрать толщину сгустка, то циркулярно поляризованный тэвный фотон превратится в линейно поляризованный!

Хиггсы на фотонных коллайдерах

Здесь я затрону один-единственный аспект физической программы фотонных коллайдеров - хиггсовскую физику. На самом деле программа значительно шире, см. подробнее в [5]. Достаточно будет сказать, что двухфотонные столкновения изучаются уже и сейчас на обычных e+e- коллайдерах, когда оба фотона излучились электроном и позитроном. И заметьте, несмотря на то, что сечение такой реакции подавлено по сравнению с прямым столкновением фотонов в $\alpha$em2 = 10000 раз, все равно эти исследования очень интересны. Что же будет, когда этот подавляющий фактор исчезнет!

Прежде, чем говорить о хиггсовской физике на фотонных коллайдерах, я хочу подчеркнуть, что они ни в коей мере не заменяют линейные коллайдеры или LHC. Все эти типы коллайдеров дополняют друг друга.

Задачи хиггсовской физики внутри Стандартной Модели.

1. Определение спина наблюденного кандидата в Хиггсы (то есть, проверка, что это в самом деле скаляр). На других коллайдерах это очень трудоемкая, если не непосильная задача: надо разбираться в угловом распределении продуктов распада. На фотонном коллайдере - смотришь сечение фотонов с одинаковыми и противоположными спиральностями.

2. Определение CP-четности Хиггса: скаляр, псевдорскаляр, смесь. Мало ли что бывает. Фотонный коллайдер - единственный способ это проверить напрямую; для этого нужны пучки с линейной поляризацией.

3. Эффективное исследование Хиггса во всем диапазоне масс. Известно, что есть некое "окно" масс (140-180 ГэВ), когда Хиггс трудно наблюдаем (или по крайней мере, трудно изучаем) на других коллайдерах. В этом окне распад Хиггса идет преимущественно через подпороговое образование двух W-бозонов, которые распаются дальше на лептоны и адронные струи. Из-за чистоты процесса наблюдать это на фотонном коллайдере проще, чем на других ускорителях.

4. Измерение полной ширины, то есть непосредственное сканирование хиггсовского пика. Это возможно на фотонных коллайдерах только для Хиггса с массой больше 200 ГэВ. Просто при этом ширина становится более 1 ГэВ, и появляется возможность ее просканировать. Это невозможно на линейных e+e- и адронных коллайдерах, потому что там Хиггс не рождается в s-канале. Хотя, в совсем уже отдаленном будущем, лет через 15-20, возможно, появятся циклические мюонные коллайдеры [6] с энергией 2 на 2 ТэВа в СЦИ. У мюонных пучков будет леденящая душу монохроматичность вплоть до 0.003%, то есть, менее 100 МэВ. Там-то хиггсовский пик можно будет легко просканировать.

Задачи вне Стандартной Модели.

В последнее время появилось понимание того, что изучая Хиггс, можно эффективно изучать и физику вне Стандартной Модели, причем даже если эти нестандартные эффекты имеют энергетический масштаб, значительно превосходящий полную энергию столкновений (энергетический масштаб - это та энергия, при которой новые эффекты становятся 100% значимы).

К примеру, есть подозрение, что в природе существует суперсимметрия. Это сразу же приводит к предсказанию множества частиц-суперпартнеров, а также к существованию не одного, а 5 хиггсовских бозонов. Однако массы всех этих частиц (кроме легчайшего хиггса) могут оказаться довольно велики, скажем несколько ТэВ. Тогда новые частицы, за исключением одного хиггса, не будут обнаружены ни на LHC, ни на линейном электрон-позитронном коллайдере. То есть придется тогда выуживать информацию о реальном устройстве мира исключительно из свойств наблюдаемого хиггсовского бозона. В этом-то деле у фотонных коллайдеров преимущество. Во-первых, просто весь эксперимент идет с минимальным фоном, во-вторых, главную роль в рождении хиггса играет $H-\gamma-\gamma$ взаимодействие. А оно очень, очень чувствительно ко всякого рода "аномалиям" (то есть отклонениям от Стандартной Модели).

Так что сейчас изучение Хиггса на фотонных коллайдерах часто называют "окном в новую физику", физику за пределами Стандартной Модели.

Итак, что тут есть.

5. Измерение двухфотонной ширины с 2% точностью. Это означает, во-первых, проверку существования дополнительных сверхмассивных частиц. Во-вторых, аккуратное изучение позволит "разглядеть" слабенькие аномалии. В частности, возможно будет увидеть эффект аномалий с энергетическим масштабом порядка десятка ТэВ.

6. Далее, если не ограничиваться только реакцией $e^+e^- \longrightarrow H$, а включить, например, $e \gamma \longrightarrow e H$, то сразу можно повысить предсказательную силу опытов. Дело в том, что в реакции $e \gamma \longrightarrow e H$ можно изучать взаимодействие $H-\gamma-Z$Z-бозоном). Если это делать параллельно с "вершиной" $H-\gamma-\gamma$, то можно различить неразличимые до этого типы аномалий (например, MSSM можно отличить от просто двухдублетной модели, а их можно отличить, в свою очередь, от эффекта, вызываемого какой-нибидь новой частицей внутри Стандартной Модели). И заметьте - это все только по одному Хиггсу! За подробностями отсылаю к [7].

7. Изучение CP-нечетных аномалий благодаря возможности контролировать поляризацию фотонов [8].

Ну и другие конкретные задачи. Итак, я хочу, чтобы в памяти остался вывод: Хиггс на фотонных коллайдерах будет изучаться не столько ради самого себя, а ради нетривиальных возможностей "увидеть" новую физику.

Ссылки:
[1] Открыт ли Хиггсовский бозон?
[2] I.F.Ginzburg, G.L.Kotkin, V.G.Serbo and V.I.Telnov, Письма в ЖЭТФ, 34, 514 (1981), Nucl.Instr.Methods (NIM) 205, 47 (1983)
[3] Zeroth-order Design Report for the NLC, SLAC Report 474 (1996); R.Brinkmann et al, NIMR A406, 13 (1998).
[4] G.L.Kotkin and V.G.Serbo, Phys.Lett. B 413, 122 (1997).
[5] Ilya F. Ginzburg, hep-ph/9507233.
[6] Ch.M.Ankenbrandt et al., "Status of Muon Collider Research and Development and Future Plans", Phys. Rev. ST Accel.Beams 2, 081001 (1999), physics/9901022
[7] A.T.Banin, I.P.Ivanov and I.F.Ginzburg, Phys.Rev.D 59, 115001 (1999)
[8] I.P.Ivanov and I.F.Ginzburg, hep-ph/0004069.

Игорь Иванов


Написать комментарий
 Copyright © 2000-2015, РОО "Мир Науки и Культуры". ISSN 1684-9876 Rambler's Top100 Яндекс цитирования