В прошлом году одна из наиболее оживлённых дискуссий в моём блоге (116 комментариев) развернулась под статьёй о ложном вакууме, опубликованной в конце августа. В начале этой статьи я упоминал, что уровень энергии вакуума и, следовательно, масса рождающихся элементарных частиц, а также масса протона, напрямую зависят от свойств скалярного поля Хиггса. Бозон Хиггса, открытый в 2012 году на Большом Адронном Коллайдере, является квантом этого поля. Там же я вскользь упоминал, что бозон Хиггса может быть не единственным, а представлять собой лишь одну из группы подобных частиц. Если бы в пространстве доминировало поле Хиггса, заключающее иную энергию, нежели наблюдаемое нами, то настройки Вселенной и нуклеосинтеза в частности могли бы слететь непредсказуемым и, скорее всего, катастрофическим образом. Поэтому важно понимать, существуют ли альтернативные поля, подобные полю Хиггса, и можно ли экспериментально получить другие частицы, функционально похожие на бозон Хиггса. Одно из первых сообщений о том, что на Большом Адронном Коллайдере обнаружен новый бозон Хиггса, поступило в 2015 году от знаменитого физика Марио Ливио. С тех пор ведутся исследования и делаются прогнозы о том, как искать такие альтернативные бозоны, и сколько их может быть в соответствии с какими теориями (спойлер: до пяти). Об этих поисках коротко расскажу под катом.
Эта история началась с того, что в 1964 году молодой Питер Хиггс (1929-2024) изучал электрослабое взаимодействие и механизмы возникновения W- и Z-бозонов. Он предположил, что масса этих частиц зависит от потенциала поля, впоследствии названного полем Хиггса. Квант этого поля должен быть очень тяжёлым и иметь энергию порядка 126 гигаэлектронвольт (ГэВ) – то есть примерно в 200 000 раз тяжелее электрона. Природа массы, которую поле Хиггса сообщает другим элементарным частицам — отдельная большая тема, которую ранее рассматривал на Хабре уважаемый @SLY_G в частности, в переведённых статьях Мэтта Страсслера «Что было бы, если бы поле Хиггса было нулевым» и «Чем так важна частица Хиггса».
Бозон Хиггса был такой желанной целью для физиков-ядерщиков, поскольку именно его не хватало для заполнения последней клетки в Стандартной модели физики частиц. Тем не менее, совсем не факт, что бозон Хиггса должен быть ровно один. Различные теории, описывающие вероятные расширения физики за пределами Стандартной модели, предполагают существование целого хиггсовского «сектора», в котором существует до пяти подобных бозонов. Кроме того, без дополнительных скалярных полей (и бозонов) не обойтись в картине мира, предполагающей суперсимметрию и наличие «суперпартнёров» у известных нам элементарных частиц.
Большой Адронный Коллайдер действует с 2008 года, бозон Хиггса был открыт в 2012 году, и с тех пор не прекращаются поиски аналогичных частиц. Как правило, их ищут по следам распада, то есть по образованию частиц-фрагментов интересующего нас бозона. Допускается, что новые частицы из сектора Хиггса могут вести себя не так, как уже известный бозон, иначе взаимодействовать с лептонами и состоять из иных комбинаций кварков. Частицы в БАК создаются путём протон-протонных столкновений, и если для возникновения других бозонов требуются другие пары частиц, то имеющимися методами их получить не удаётся.
Масса аналогичных бозонов может быть близка к массе известного бозона Хиггса, но само рождение этих частиц может происходить значительно реже, либо они окажутся слишком короткоживущими. Совсем недавно (в марте 2026 года) на БАК была открыта новая тяжёлая частица, подобная протону, но содержащая два тяжёлых очарованных кварка на месте двух более лёгких верхних кварков, входящих в состав протона.
Таким образом, гипотеза о множественности бозонов Хиггса вполне укладывается в современную физику как описывающая вариации кваркового состава частиц-барионов, но требует либо уточнить (расширить) Стандартную модель, либо предложить альтернативную ей теорию.
Одна из первых таких альтернативных теорий называется «Минимальная суперсимметричная стандартная модель» (MSSM), она была предложена в 1981 году в качестве возможного решения проблемы калибровочной иерархии. Описываемый в рамках MSSM суперпартнёр бозона Хиггса называется «хиггсино», а суперпартнёры всех калибровочных бозонов называются «гейджино» (от англ. «gauge» — «калибровочный»). Подробнее о гипотетическом мире суперсимметричных частиц рассказывал на Хабре уважаемый @SLY_G в статье «Что сейчас известно о суперсимметрии в физике». Как правило, суперпартнёры отличаются от частиц-аналогов только спином, но в случае с бозонами Хиггса MSSM предполагает, что существует пять разновидностей хиггсовских бозонов: два разноимённо заряженных и три нейтральных, и при этом каждому из них соответствует свой хиггсино. Также существует «почти минимальная суперсимметричная стандартная модель», допускающая существование всего двух вариантов бозона Хиггса. Суперсимметричная модель мира пока не находит экспериментального подтверждения, и это оставляет повод для оптимизма — масса покоя протона не меняется, не происходит спонтанного превращения протонов в нейтроны, сохраняется нуклеосинтез, а также не меняются свойства химических элементов.
Наряду с упомянутыми теориями интересна картина с «композитным бозоном Хиггса» — аналогичной частицей, которая вчетверо тяжелее известного нам бозона Хиггса. Эту теорию развивает, в частности, Сергей Афонин, физик из Санкт-Петербурга. Новый бозон может иметь массу порядка 515 ГэВ. Эта частица является такой приоритетной целью, так как, возможно, из известных частиц она взаимодействует только с более лёгким бозоном Хиггса, но в то же время взаимодействует с частицами тёмной материи и поможет их обнаружить и охарактеризовать.
В настоящее время, когда отсутствуют ускорители, которые позволяли бы серьёзно увеличить массу сталкивающихся частиц или попытаться собрать композитный бозон Хиггса, искать дополнительные частицы поля Хиггса пытаются методами искусственного интеллекта. Такое моделирование призвано показать, на какие частицы (и как быстро) будет распадаться аналог бозона Хиггса, содержащий два очарованных кварка.
Открытие новых частиц, соответствующих пока не зафиксированным квантам поля Хиггса, не только прояснило бы природу тёмной материи, но и помогло понять, почему нейтрино имеют ненулевую массу, какова природа нейтринных осцилляций, а также почему в природе наблюдается такая асимметрия между веществом и антивеществом.
Для проверки этих гипотез необходима машина, которая позволила бы контролируемо синтезировать много бозонов Хиггса, а также устраивать их столкновения с другими частицами. В 2014 году ЦЕРН объявил о намерении соорудить именно такую установку. Она условно называется «FCC» (Future Circular Collider, «кольцевой коллайдер будущего»). Ускоритель будет иметь почти 91 километр в длину, заменить БАК в 2030-е годы, а на полную эксплуатационную мощность должен выйти к 2070 году. Предполагается, что эта машина позволит во множестве получать не только бозоны Хиггса, но и W- и Z-бозоны, изучая взаимодействия между ними и возможную перестановку кварков в этих частицах.