Теоретики обсуждают гипотезу «хиггсовского взрыва»

Рис. 1. Два примера диаграмм, описывающих процесс рождения семи бозонов Хиггса в столкновении двух глюонов. Рисунок из статьи V. V. Khuze, 2015. Diagrammatic computation of multi-Higgs processes at very high energies: scaling F holy grail with MadGraph

Физика хиггсовского бозона — одно из самых горячих направлений современной физики элементарных частиц. Теоретики и экспериментаторы в мельчайших подробностях изучают варианты рождения и распада бозона Хиггса на LHC, обсуждают тонкости расчета и измерения этих процессов, а также спорят, как с помощью характеристик бозона Хиггса заглянуть за пределы Стандартной модели. Примеры таких исследований можно найти в нашей ленте хиггсовских новостей.

Пару лет назад возникло подозрение на то, что хиггсовский бозон может сыграть новую роль в столкновениях частиц сверхбольшой энергии, в десятки раз превышающих энергию LHC. Теоретик Валентин Хозе, выпускник Санкт-Петербургского университета, а ныне — профессор в Университете Дарема (Великобритания), в серии статьей (arXiv:1411.2925, arXiv:1504.05023, arXiv:1605.06372) заметил, что при таких больших энергиях — сотни ТэВ — можно породить не один, не два, не несколько, а сотни и даже тысячи бозонов Хиггса. Диаграммы, описывающие такой процесс, ветвящиеся: в них первые родившиеся хиггсовские бозоны расщепляются на новые и новые бозоны Хиггса (рис. 1). Самый важный момент: поскольку расщепляться бозоны Хиггса могут по-разному, число таких диаграмм растет исключительно быстро, как факториал количества рожденных хиггсовских бозонов. Вклад от каждой диаграммы маленький, но их совокупный эффект может оказаться огромным. Учет петлевых диаграмм тех же хиггсовских бозонов не меняет общего вывода.

В результате при больших энергиях сечение рождения десятков и сотен бозонов Хиггса резко растет, и расчеты предсказывают, что именно такие процессы становятся доминирующими (рис. 2). Например, для коллайдера с энергией 100 ТэВ — а такие коллайдеры действительно сейчас обсуждаются, — можно ожидать многочисленные события рождения сотен бозонов Хиггса. Уже пошли первые оценки того, как такие события искать на коллайдере (см. статью arXiv:1705.00737).

Рис. 2. Теоретически рассчитанное сечение рождения n бозонов Хиггса (от 20 до 150) в протонных столкновениях разной энергии. Изображение из статьи C. Degrande, V. V. Khoze, O. Mattelaer, 2016. Multi-Higgs production in gluon fusion at 100 TeV

Более того, с точки зрения теории, вся конструкция переходит в совершенно новый, непертурбативный режим, в котором разложение процессов по отдельным частицам и отдельным диаграммам становится малоосмысленным. И это при том, что все константы связи между отдельными частицами остаются малыми! В принципе, это явление было обнаружено теоретиками еще четверть века назад, но для других, более рафинированных теорий. Хозе впервые показал, что оно касается и нашего родного хиггсовского бозона и может быть проверено на будущих коллайдерах.

И вот совсем недавно Хозе с коллегой обнаружили (см. статью arXiv:1704.03447), что этот процесс может разрешить одну давнюю и исключительно сложную загадку Стандартной модели — так называемую проблему иерархии. Заключается она в том, что при учете всех петлевых диаграмм масса хиггсовского бозона должна получиться не 125 ГэВ, как измерено на коллайдере, а в триллионы раз больше, на планковском масштабе масс. Что ее сдерживает на «нормальном» масштабе — неизвестно. Здесь предлагается новое решение, которое авторы назвали «хиггсовским взрывом» (Higgsplosion). При попытке взять виртуальную частицу очень большой энергии, которая могла бы сильно увеличить массу бозона Хиггса, эта частица просто рассыпется, распадется на многочисленные бозоны Хиггса, и просто не может циркулировать в петлях. Иными словами, такой частицы уже не существует, она распадается быстрее, чем сможет образоваться, — а значит, она и не будет уже влиять на массу бозона Хиггса.

Впрочем, следует упомянуть совсем недавнюю работу arXiv:1704.07320, в которой было показано, что топ-кварки могут сильно испортить эту зависимость. Их вклад тоже быстро растет с ростом числа бозонов, но он отрицательный, он мешает сечению расти. Кроме того, авторы той же статьи arXiv:1704.03447 обнаружили другой, чисто хиггсовский эффект, который тоже сдерживает рост сечений. Поэтому оговоримся, что до точных предсказаний здесь еще очень далеко. Тем не менее, новое предложенное явление кажется чрезвычайно интересным и оно, безусловно, будет пристально изучаться теоретиками.