Как открывали бозон Хиггса?

Радостную новость об открытии бозона Хиггса объявили в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) на научном семинаре, проходившем в торжественной и праздничной обстановке. Его посетили не только сотрудники центра, но и крупные специалисты по физике высоких энергий. Это открытие вызвало настоящий восторг в мире науки, ведь его смело можно причислить к важнейшим достижениям человечества начала нынешнего века.

Стандартная модель

Прежде чем говорить о новом бозоне и его функциях, нужно вкратце рассказать о нынешнем состоянии теории, в рамках которой он рассматривается. Эта теория, называемая Стандартной моделью, описывает свойства элементарных частиц и их взаимодействие: сильное (ядерное), слабое и электромагнитное.

Всё вещество Вселенной, за исключением тёмной материи и тёмной энергии, состоит из двенадцати квантовых полей с их квантами — фермионами, объединёнными в три семейства: шесть лептонов (включающих в себя хорошо знакомый всем нам электрон), шесть кварков (частиц, из которых состоят протоны, нейтроны) и двенадцать соответствующих им античастиц (антикварки, антинейтрино, позитрон и др). Эти семейства хоть и очень похожи, но имеют большую разницу в массе.

Следующее важное положение Стандартной модели: есть частицы, которые обеспечивают фундаментальные взаимодействия и служат их переносчиками. Они не являются «строительным материалом мироздания», а образуют своего рода «скрепляющий раствор», не позволяющий Вселенной разлететься на куски. Что это за частицы? Читателям ещё из школьного курса физики хорошо известно об электричестве и магнетизме. Так вот, этот тип взаимодействий, называемый электромагнитным, переносит фотон. Имеются и другие частицы-переносчики: два типа бозонов W и Z, обеспечивающие слабое взаимодействие и глюоны, отвечающие за связь между ядерными силами.

И, наконец, третье положение гласит о существовании поля Хиггса, приводящего к спонтанному нарушению симметрии и описывающего наличие массы у всех остальных элементарных частиц. Поскольку в квантовой теории каждому полю соответствует своя частица-квант, то у хиггсова поля тоже есть такой квант — одноименный бозон.

На сцену выходит симметрия

Общим признаком практически всякой физической концепции, будь то классическая механика или специальная теория относительности, является связь каждой симметрии системы с присущими ей законами сохранения. И наоборот, любой закон сохранения связан с симметрией. Впервые это было продемонстрировано немецким математиком Эмми Нётер в её знаменитой теореме.

Например, симметрии касательно однородности времени, постулирующей, что законы физики одинаковы и неизменны в каждый временной период, соответствует закон сохранения энергии; симметрии однородности пространства (и на Меркурии, и на Плутоне действует идентичная физика) — закон сохранения импульса; а симметрии относительно его изотропии (поворотов в нём) — закон сохранения углового момента, и т. д. И если бы не существовало всех этих законов, то в макромире наступил бы полнейший хаос, ибо законы сохранения одновременно являются запретами.

Но тут присутствует очень интересный момент: помимо «наглядных» пространственно-временных симметрий, с которыми мы имеем дело в повседневной жизни, существуют ещё и так называемые «внутренние» симметрии. К ним относится закон сохранения электрического заряда, который запрещает элементарным частицам иметь массы, включая электрон. Но в действительности частиц с нулевой массой всего три штуки: фотон, глюоны и нейтрино. А это значит, что если бы данный запрет действовал в полной мере, то Вселенная просто не смогла бы «жить».

Этот странный парадокс можно обойти, предположив, что в пространстве есть поле, которое обеспечивает спонтанное нарушение внутренней симметрии и придаёт массу всем элементарным частицам, кроме трёх вышеназванных. То есть внутренняя симметрия присутствует, как и предписано законом, но она нарушена неким скалярным полем.

Всё сразу становится на свои места! Выходит, и волки сыты, и овцы целы, а пастух стоит и довольно улыбается. Этим талантливым «пастухом» от науки оказался английский физик Питер Хиггс. Именно он первым опубликовал научную статью, в которой сформулировал и описал механизм, впоследствии названный его именем. Правда, независимо от Хиггса и даже немножко раньше, к аналогичному теоретическому обоснованию пришли его бельгийские коллеги — Роберт Браут и Франсуа Энглер.

Большое открытие на большом ускорителе

Ещё не успела утихнуть первая волна ликования, вызванная статьёй Хиггса, как исследователи начали подумывать об экспериментальной проверке его смелого предположения. Известно, что большинство элементарных частиц могут распадаться, превращаться друг в друга, «реагировать» между собой — это совершенно обычное для них явление. Чтобы узнать, как они устроены, нужно столкнуть их лоб в лоб на скорости, близкой к скорости света, и посмотреть на продукты соударений.

Для решения этой научной задачи требовалось построить мощный ускоритель. Идея проекта с грандиозным названием «Большой адронный коллайдер» появилась ещё в далёком 1984 году, но его строительство началось семнадцать лет спустя. Коллайдер, и правда, очень большой: длина его 27-километрового кольца располагается в глубоком тоннеле под территорией двух государств — Швейцарии и Франции.

В этом кольце производится столкновение протонов, которые по Стандартной модели являются вовсе не фундаментальными частицами, а составными, так как внутри них находятся три кварка, скреплённые друг с другом глюонным «раствором». Соударение на высоких энергиях разрушают «раствор», и кварки с глюонами уходят в свободный полёт, также сталкиваясь и взаимодействуя между собой.

Рождение бозона Хиггса имеет четыре основных канала: слияние двух глюонов, слияние WW и ZZ бозонов, появление вместе с W и Z бозоном или рождение одновременно с t-кварками. На Большом адронном коллайдере есть четыре детектора, два из которых — ATLAS и CMS — предназначены для изучения распада частиц на высоких энергиях. С помощью этих детекторов и был обнаружен бозон Хиггса. Оказалось, что его масса составляет 125 ГэВ (гигаэлектронвольт).

Как использовать бозон Хиггса в хозяйстве?

Большой адронный коллайдер сейчас на слуху, и у многих людей возникает вопрос: «А какую же практическую пользу можно извлечь из открытия бозона Хиггса и стоит ли вообще заниматься фундаментальной физикой?» С точки зрения этих людей, килограмм фиников имеет очевидную пользу, ведь их можно употребить в пищу. Мобильный телефон тоже незаменим в быту. А вот бозон — это бессмысленная вещь, из которой нельзя получить сиюминутной выгоды.

Когда Майкла Фарадея спрашивали, как можно применить открытое им явление электромагнитной индукции, он только разводил руками и отвечал: «Наверное, можно смастерить какие-то игрушки». Современники Фарадея, да и он сам, не считали это открытие хоть немного полезным, а сегодня оно лежит в основе промышленного производства многих «игрушек», созданных на основе электроэнергетики и радиотехники, включая компьютеры и пресловутые мобильные телефоны. Поэтому нужно понимать, что фундаментальная наука может сделать нашу жизнь комфортнее пусть и не сейчас, но уж точно в долгосрочной перспективе.

Действительно, каким же практическим приложением может обладать бозон Хиггса? Как бы фантастично это не выглядело, но поскольку поле Хиггса отвечает за массу элементарных частиц, то с его помощью можно менять массу предметов. Достаточно сделать нейтрализатор этого поля и оснастить им самолёты и космические корабли. Представьте себе летательный аппарат, который ничего не весит! Наступит эра межзвёздных путешествий, и человечество, наконец-то, осуществит свою давнюю мечту — посетит другие планеты и галактики.

Но не будем забегать вперёд. Пока же благодаря открытию бозона Хиггса стало ясно, что Стандартная модель полностью верна в своей узкой области и её предсказания сбываются. Да, она не описывает гравитацию, рассматриваемую в рамках общей теории относительности, и не включает в себя тёмную материю и тёмную энергию — впереди ещё много работы. Но подтверждение существования бозона Хиггса — это огромный скачок в понимании природы элементарных частиц и строения Вселенной в целом, а получение же научных знаний — штука весьма полезная, сама по себе.