Бозон Хиггса, открытый более десяти лет назад, возможно, не единственный в своем роде. Физики из Индийского технологического института предложили модель, в которой существует три типа полей Хиггса, и показали, как их можно обнаружить на будущих коллайдерах.
В 2012 году ученые из ЦЕРН обнаружили частицу, которую назвали бозоном Хиггса. Это было важное событие, потому что она объясняла, как другие частицы приобретают массу. Ее открытие стало последним подтверждением теории, которая называется «Стандартная модель». Эта теория описывает, из чего состоит все, что мы видим вокруг, — электроны, фотоны и другие мельчайшие кирпичики материи.
Однако «Стандартная модель» не всеобъемлюща. Она не может объяснить, что такое темная материя, из-за которой галактики не разлетаются, или почему во Вселенной гораздо больше обычной материи, чем антиматерии. Поэтому ученые продолжают искать ответы за пределами этой теории.
Одна из идей заключается в том, что бозон Хиггса на самом деле не одинок. Возможно, у него есть «родственники» — другие похожие частицы, которые пока не обнаружены. Эту гипотезу недавно проверили исследователи из Индии. Вместо одного поля Хиггса они рассмотрели модель с тремя такими полями. Каждое из них отвечает за свою группу частиц: одно — за электроны, другое — за один тип кварков, третье — за другой. Такое разделение позволяет избежать противоречий с уже известными экспериментальными данными и при этом допускает существование новых, еще невиданных частиц, в том числе заряженных бозонов Хиггса.
Проверить эту теорию оказалось непросто, потому что у модели очень много переменных — 14 параметров, каждый из которых можно менять в широком диапазоне. Если перебирать все возможные комбинации, их число превышает сотни миллиардов. Чтобы справиться с этим, ученые применили метод машинного обучения, который называется «активное обучение». Вместо того чтобы проверять все подряд, алгоритм быстро находит самые перспективные области и сосредотачивается на них, постепенно уточняя поиск. Это похоже на умный металлоискатель, который сначала пробует копать в разных местах, а потом понимает, где монеты попадаются чаще, и перестает тратить время на пустые участки. В итоге время расчетов сократилось с четырех часов до примерно десяти минут, а качество поиска не пострадало.
В результате анализа ученые выделили три возможных сценария, в зависимости от того, какое место в этом воображаемом семействе занимает уже известный бозон Хиггса массой около 125 ГэВ. Первый вариант: наш бозон — самый легкий из трех. Тогда два его более тяжелых собрата должны весить от 350 до 580 ГэВ. Они слишком массивны, чтобы их могли заметить в прошлых экспериментах, но в будущем, на более мощных коллайдерах, их можно будет найти. Второй вариант, самый интересный: наш бозон — средний по массе. Это значит, что где-то существует более легкая частица Хиггса, возможно, массой всего 82 ГэВ. Она могла просто ускользнуть от внимания ученых, потому что взаимодействует с другими частицами не так, как ожидалось. Третий вариант: наш бозон — самый тяжелый. Это означало бы, что есть две еще не открытые, более легкие частицы. Однако этот сценарий не прошел проверку на прочность — расчеты показали, что он противоречит уже известным законам физики, поэтому ученые его отбросили.
Второе исследование было посвящено тому, как на практике искать этих «родственников» бозона Хиггса. Ученые обратили внимание на будущую установку — Международный линейный коллайдер. В отличие от существующих машин, он создает более «чистые» условия для экспериментов, что позволяет лучше различать сигналы от новых частиц на фоне посторонних шумов. Исследователи смоделировали несколько способов, которыми на этом коллайдере могут рождаться новые бозоны Хиггса, и показали, что при достаточном времени работы аппарата эти сигналы можно будет зафиксировать. Это дает физикам четкий план действий: они будут знать, на какие именно реакции и комбинации частиц обращать внимание.
В целом работа индийских ученых важна тем, что она соединяет теорию с практикой. С помощью машинного обучения они сузили огромное поле возможностей до нескольких реалистичных сценариев, а затем показали, как именно их можно проверить в будущих экспериментах. Это не просто абстрактные рассуждения — теперь есть конкретные ориентиры для поиска. Если новые частицы действительно существуют, следующие опыты на коллайдерах смогут их найти. А если нет — ученые продолжат искать другие объяснения. В любом случае, подход с использованием умных алгоритмов уже доказал свою эффективность и может пригодиться не только в физике, но и в других областях науки, где приходится иметь дело с огромным количеством данных. Вопрос о том, одинок ли бозон Хиггса, остается открытым, но теперь у ученых есть более точные карты и более быстрые инструменты для его решения.
Читайте также: Астрономы открывают новый частотный диапазон для поиска инопланетных цивилизаций.