Механизм Хиггса объясняет, почему электромагнитное и слабое взаимодействия имеют такую разительную разницу в силе — то есть как их симметрия нарушилась через пикосекунду после Большого взрыва. Хиггс не взаимодействует с фотонами, делая их безмассовыми, тогда как они взаимодействуют с носителями слабого взаимодействия (бозонами $W^+$, $W^-$ и $Z$), придавая им массы порядка 100 ГэВ. Их ненулевые массы позволяют им приобретать продольную поляризацию — то есть ориентацию спина, перпендикулярную направлению их движения.
Из-за специальной теории относительности фотоны и другие безмассовые бозоны, движущиеся со скоростью света, не могут иметь продольной поляризации, но бозоны $W$ и $Z$ и другие массивные частицы могут. Если бы электрослабая симметрия была нарушена не механизмом Хиггса, а другим взаимодействием, то бозона Хиггса не было бы. Однако теоретики предсказали в 1985 году, что альтернатива механизму Хиггса, называемая техниколором, проявится при энергиях в 40 ТэВ и выше [1]. В 1999 году теоретики сделали более конкретное предсказание: будущий линейный коллайдер с достаточно высокой энергией и светимостью неизбежно обнаружит либо бозон Хиггса, либо характерный признак техниколора [2].
В 2012 году эксперименты ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере (БАК) решили вопрос, обнаружив бозон Хиггса в протон-протонных столкновениях при 8 ТэВ. Теперь эксперимент ATLAS подтвердил ещё один важный аспект физики Хиггса, обнаружив продольно поляризованные фотоны, возникающие в результате протон-протонных столкновений при 13 ТэВ (рис. 1) [3].
Обнаружение продольно поляризованных бозонов $W$
Обнаружение продольно поляризованных бозонов $W$ предполагает отделение их от поперечно поляризованных. Это сложная задача. Начальное состояние возникает, когда бозоны $W$ излучают входящие кварки в протонах, сталкивающихся на БАК. Эти бозоны взаимодействуют, создавая больше бозонов, которые впоследствии распадаются на кварки или лептоны.
Кинематически продольно поляризованные слабые бозоны ведут себя очень похоже на поперечно поляризованные слабые бозоны, за исключением углового разделения между их продуктами распада. В результате чрезвычайно сложно отличить сигналы от других столкновений на БАК.
Использование искусственного интеллекта для обнаружения
Для упрощения задачи коллаборация ATLAS разработала глубокую нейронную сеть (ГНС), которая идентифицирует столкновения, порождающие по крайней мере один продольно поляризованный бозон $W$. ГНС была обучена на симуляциях, чтобы накапливать крошечные различия в числовое значение, называемое дискриминатором, который отличает продольно и поперечно поляризованные столкновения.
Коллаборация ATLAS разделила столкновения на области с различным соотношением сигнал/фон на основе дискриминатора и использовала современные теоретические предсказания для моделирования различных фонов. Количество столкновений в различных областях было оценено для различных фонов и одновременно подогнано к многомерной численной модели для прогнозирования пуассоновской вероятности количества продольно поляризованных бозонов $W$ для каждой области.
Поиск с использованием ГНС выявил избыток столкновений по сравнению с фоном без продольной поляризации. Сигнал 3,3 соответствует поперечному сечению для процесса в 0,88 ± 0,30 фемтобарн, что согласуется с предсказанием стандартной модели.
Гравитационно-волновая астрономия: десятилетие открытий
Гравитационно-волновая астрономия развивается стремительными темпами. Чуть более десяти лет назад прямое обнаружение гравитационных волн считалось труднодостижимой целью — постоянно говорили, что до этого «оставалось пять-десять лет». Затем в 2015 году произошёл прорыв: первое наблюдаемое слияние двух чёрных дыр, известное как GW150914 [1].
Обнаружения стали рутиной, и теперь есть каталог с сотнями слияний чёрных дыр. Есть даже доказательства существования гравитационно-волнового фона на наногерцовых частотах, предположительно создаваемого популяцией сверхмассивных бинарных чёрных дыр по всей Вселенной. Теперь детекторы LIGO зафиксировали самый чёткий сигнал слияния, когда-либо зарегистрированный, GW250114 [2].
Основные выводы
Из такого сигнала коллаборация LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) смогла сделать два впечатляющих вывода. Во-первых, было подтверждено, что природа сливающихся объектов соответствует природе вращающихся чёрных дыр. Во-вторых, была убедительно проверена теорема о площади, сформулированная Стивеном Хокингом в 1971 году, которая утверждает, что общая площадь горизонтов событий чёрных дыр не может уменьшаться со временем [3].
Эти результаты являются вехами, которые показывают, как наблюдения гравитационных волн теперь способны исследовать некоторые из наиболее фундаментальных законов природы.
Чёрные дыры и излучение Хокинга
Считается, что чёрные дыры испаряются, испуская излучение Хокинга — фотоны и различные субатомные частицы — из-за пределов их горизонтов событий. Характерная температура этого излучения, а следовательно, и скорость испарения обратно пропорциональны массе чёрной дыры. Когда масса уменьшается до нуля, наступает взрывной финал. Процесс настолько медленный, что лёгкие чёрные дыры, созданные в ранней Вселенной, могли вступить в свои конечные фазы только сейчас.
Майкл Бейкер и его коллеги из Университета Массачусетса в Амхерсте предположили, что некоторые теории, выходящие за рамки стандартной модели, если они верны, могут порождать гораздо большее количество этих чёрных дыр [1]. Предложение подразумевает, что существует вероятность до 90% наблюдать взрывающуюся чёрную дыру в ближайшие десять лет.
Для каждой взрывающейся чёрной дыры большое количество чёрных дыр до взрыва должно излучать более слабо, добавляя к гамма-фону. Количество взрывов, которые мы должны ожидать увидеть, зависит от размера популяции первичных чёрных дыр, которая не может превышать уровень, выведенный из фона. Бейкер и его коллеги рассчитали существование так называемых частиц тёмного сектора, аналогичных обычным фотонам и электронам, что может означать, что больше чёрных дыр могут соответствовать этому наблюдательному ограничению.