Коротко

Новости

Подробно

Частица новой эры

Владимир Тихомиров — об истории поисков бозона Хиггса

Журнал "Огонёк" от , стр. 34

Поиски "божественной частицы" закончены — в штаб-квартире Европейской организации по ядерным исследованиям CERN объявили о находке бозона Хиггса


Владимир Тихомиров


Тьма опустилась на зал, но профессор Фабиола Джанотти, глава коллаборации ATLAS — группы ученых, работающих на одном из детекторов Большого адронного коллайдера, щелкнула переключателем, и лазерный проектор высветил на большом экране изображение некоего графика — казалось бы, обычной синусоиды. Но в районе отметки "125" на оси абсцисс кривая резко и уверенно взмывала вверх, пересекая пунктирную линию, и, видимо, этот взлет был настолько важным, что профессор Джанотти обвела этот участок графика на слайде красным маркером. И поставила рядом жирный восклицательный знак. Секунду-другую собравшиеся в большом зале штаб-квартиры Европейской организации по ядерным исследованиям CERN (Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire) зачарованно смотрели на этот красный круг, а затем зал взорвался бешеными аплодисментами. Седовласые академики вскочили на ноги, дружно приветствуя 83-летнего физика Питера Хиггса, который почти 50 лет назад предсказал существование особой "божественной частицы" — основы современной модели мироздания. Он специально приехал из своего шотландского захолустья в Женеву, чтобы лично присутствовать на докладе. И Питер Хиггс не сдерживал слез — еще бы, ведь он столько лет ждал этого события!

Итак, это свершилось — на прошлой неделе, 4 июля, первые лица CERN официально объявили, что таинственный бозон Хиггса, ради которого, собственно, и был построен Большой адронный коллайдер, наконец-то найден. В честь этого события ученые мужи даже призвали назвать 4 июля Higgsdependence day — по аналогии с Independence day, Днем независимости США, который отмечается также 4 июля.

Отягчающие обстоятельства


Действительно, значение этого события для фундаментальной науки трудно переоценить. Дело в том, что, несмотря на все очевидные научные достижения последних десятилетий, все наши знания о принципах строения материи во Вселенной — так называемая Стандартная физическая модель — строилась не то чтобы на песке, но практически в воздухе — на гипотезе, которую никто не мог ни доказать, ни опровергнуть.

— Известно, что весь наш материальный мир состоит из элементарных частиц, и таких элементарных частиц науке известно 12 типов — это 6 кварков и 6 лептонов,— рассказывает Дмитрий Казаков, руководитель исследований по физике элементарных частиц Лаборатории теоретической физики Объединенного института ядерных исследований в Дубне.— Названия, конечно, очень условные: кварки — это частицы, участвующие в сильных взаимодействиях, и из них состоят протоны и нейтроны, из которых, в свою очередь, образованы атомные ядра. Лептоны, напротив, характеризуются слабым взаимодействием, и из них состоят всем известные электроны. Всего же науке известно три типа взаимодействий: во-первых, это сильное, которое позволяет атомам не разваливаться, образуя вещество. Во-вторых, это электромагнитное взаимодействие, посредством которого Солнце передает нам свою энергию. И, наконец, слабое взаимодействие, ответственное за распад атомов, благодаря которому и происходит ядерная реакция на Солнце. И когда ученые математическими методами формулируют эти взаимодействия, возникает понятие симметрии. Казалось бы, все просто, но именно эти законы симметрии запрещают элементарным частицам иметь массу. И вот здесь возникает парадокс: раз законы симметрии запрещают частицам иметь массу, то откуда же тогда она берется у всех физических тел, начиная от атомов? Тогда для объяснения этого парадокса и возникла идея некоего особого поля — дескать, элементарные частицы существуют не сами по себе в абсолютном вакууме, а в некоей среде, и эта среда имеет некую вязкость. И вот элементарные частицы, пролетая через эту среду, начинают с ней взаимодействовать, или просто вязнуть. И чем сильнее это взаимодействие, тем медленнее частица прорывается и тем большей массой она обладает.

Стоит отметить, что идея о существовании этого вязкого поля пришла в голову не одному Питеру Хиггсу. Еще в начале 60-х схожую гипотезу высказали бельгийские ученые Робер Бру и Франсуа Энглер, чуть позже — американцы Дик Хаген, Джеральд Гуральник и британец Том Киббл, независимо друг от друга разработавшие теоретические основы механизма образования массы. Тем не менее это поле было названо в честь Питера Хиггса, тогда еще никому не известного преподавателя Эдинбургского университета, который изложил свою теорию в наиболее сжатом и вменяемом виде.

Но как доказать существование этого некоего "утяжеляющего" поля экспериментальным путем? Как понять, что оно вообще существует, если это поле пронизывает собой абсолютно все, включая и самих экспериментаторов с самыми чуткими детекторами?! Тогда-то в физических кругах и возникла идея, что можно попытаться при помощи ускорителя "отщипнуть" кусочек этого поля, то есть устроить "большой взрыв" наоборот. Итак, согласно правилам квантовой механики, а именно квантовая механика описывает взаимодействия элементарных частиц, эта "отягчающая" среда, предсказанная Хиггсом, является не чем иным, как электромагнитным полем, состоящим из квантов — особых частиц, которые, согласно принципам корпускулярно-волнового дуализма, являются одновременно и частицей, и волной. Кванты поля Хиггса получили название бозонов — таково общее название для всех частиц, при помощи которых осуществляется какое-либо взаимодействие между кварками и лептонами (в свою очередь, название бозонам дал другой физик — индус Шатьендранат Бозе). То есть идея эксперимента состояла в следующем: если в современном мире любой протон состоит из самого протона и "прилипшего" к нему бозона Хиггса, то почему бы мощным ударом не разбить эту парочку? Тогда физики, по идее, должны были бы увидеть собственно сам "освобожденный" протон, который без "отягчающей" среды превратится в фотон света, и нечто еще, некое движение, частицу, которая превратится в другой фотон, это и будет тот самый бозон. Задача физиков — понять и зафиксировать массу бозона до его превращения в свет, что подтвердило бы существование самого "отягчающего" поля.

Гласность и ускорители


Первые эксперименты по выявлению бозона Хиггса начались еще в начале 80-х на самом первом коллайдере SPS, построенном в CERN. Конечно, бозон Хиггса найти тогда не удалось, зато физики доказали существование W и Z бозонов — переносчиков слабого взаимодействия, которые также были предсказаны в рамках Стандартной модели, что вызвало вполне оправданные надежды добиться больших результатов на более мощной аппаратуре. Далее настал черед Большого электрон-позитронного коллайдера (LEP), построенного в CERN в долине Женевского озера на глубине 100 метров (сейчас как раз на месте LEP работает уже Большой адронный коллайдер).

Эксперименты шли 11 лет, но их практическим результатом стало доказательство того факта, что бозон Хиггса не может обладать массой менее 115 гигаэлектрон-вольт на квадрат скорости света — физики, основываясь на формулах Эйнштейна, часто измеряют массы частиц в единицах энергии, электрон-вольтах.

— Тем не менее,— объясняет Дмитрий Казаков,— в последних экспериментах, на самом краю возможностей ускорителя, были зафиксированы какие-то непонятные события, и эксперимент решили продолжить.

Следующим в эстафету гонки за бозоном включился Теватрон — мощный кольцевой ускоритель-коллайдер, расположенный в национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми недалеко от Чикаго. Американцы за 17 лет работы сделали много открытий, но вот бозон Хиггса был неуловим. С другой стороны, именно благодаря Теватрону у физиков возникло понимание того, что бозона Хиггса не существует и на другом конце этой гипотетической шкалы масс — с 600 до 130 гигаэлектрон-вольт.

То есть остался неисследованным только небольшой диапазон возможных масс — от 115 до 130 гигаэлектрон-вольт. Но в том-то и дело, что для экспериментов в этом диапазоне требовался совершенно особый ускоритель, который мог бы разогнать частицу до субсветовой скорости. Но на это ни электронный, ни протонный коллайдер были совершенно неспособны. Интересно, что многие ученые были уверены, что человечество так никогда и не сможет найти доказательств этой теории. К примеру, в 2000 году два знаменитых физика — Стивен Хокинг и Горди Кейн, директор Мичиганского центра теоретической физики,— поспорили на 100 фунтов стерлингов, что частица Хиггса никогда не будет найдена ни в CERN, ни где-либо еще просто по той причине, что ускорительная физика не сможет преодолеть этого барьера мощности. Тем не менее, несмотря на все предупреждения Хокинга, ровно год спустя в Женеве началось строительство самого мощного из всех когда-либо существовавших ранее ускорителей — Большого адронного коллайдера, ставшего вызовом не только законам природы, но и самому человечеству.

И вот после стольких лет ожидания и вбуханных буквально под землю триллионов долларов — оглушительный успех! Первые результаты на детекторах коллаборации ATLAS получили еще в прошлом году — тогда в ходе эксперимента было зафиксировано образование некой новой элементарной частицы с массой 126,5 гигаэлектрон-вольта. Был зафиксирован и распад этой частицы на два фотона, что также вписывалось в рамки теории Хиггса. Открытие, однако, не спешили обнародовать, опасаясь конфуза,— в истории уже известны случаи, когда вполне серьезные физики объявляли об открытии бозона, не дождавшись тщательной проверки результатов экспериментов. Наконец, 22 июня нынешнего года, в день открытия в CERN научно-практической конференции по проблемам ускорительной физики, директор CERN по исследовательской работе Серджио Бертолуччи сделал сенсационное признание: "Господа, возможно, мы нашли бозон Хиггса!" Информация тут же стала просачиваться сквозь закрытые двери лабораторий, и вот 4 июля дирекция CERN решила выложить все карты на стол, созвав специальный брифинг для журналистов с участием самого Питера Хиггса.

Конечно, ученые до сих пор соблюдают некоторую осторожность — к примеру, в официальном релизе CERN употребляется весьма обтекаемая формулировка: "Мы наблюдаем явные признаки существования новой частицы в области масс около 126 ГэВ..." Но любой физик понимает, о чем идет речь.

На пороге нового мира


Примечательно, что сам Питер Хиггс, будучи атеистом, неизменно возмущается, когда газетчики называют его бозон "божественной частицей", дескать, ну какая здесь может быть мистика? Этот громкий термин "частица Бога", несмотря на все протесты Хиггса, придумал еще в 70-е годы Леон Ледерман, тогдашний директор ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми и горячий сторонник популяризации научных знаний. Расчет Ледермана был прост: квантовая физика сама по себе мало кого способна увлечь, но вот идея раскрыть секрет самого Творца может оказаться по вкусу как газетчикам, так и распорядителям научных фондов, выделяющих гранты на исследования. Что ж, идея сработала, и с тех пор каждый новый этап в поисках бозона Хиггса неизменно сопровождался газетной шумихой — достаточно лишь вспомнить панические слухи об образовании "черной дыры" в районе Женевы.

Но сейчас идея Ледермана, похоже, уже достигла своего апогея — это особенно заметно, если послушать российские телеканалы, зараженные идеей инновационности: дескать, каждое открытие должно быть коммерциализировано и поставлено на службу экономике. Так, одна из дикторов популярного бизнес-канала страны заявила: "И теперь ученые готовы производить эти бозоны промышленным путем — при помощи этой "божественной частицы" можно будет вырабатывать материю прямо из электричества!"

Однако вопрос, что будет с физикой после открытия "божественного бозона", волнует не только бульварных журналистов, но и самых серьезных ученых.

— Сегодня мы действительно не можем сказать, что будет дальше,— считает профессор Калифорнийского университета Джон Инкандела, возглавляющий команду исследователей на детекторе CMS БАКа.— По сути, мы сейчас вступаем в новую эру в физике элементарных частиц с новыми задачами. Наверное, это немного напоминает работу археолога Говарда Картера, раскопавшего гробницу Тутанхамона в Долине царей. Он искал это место более 5 лет. Он сначала знал лишь о том, что такая гробница может существовать — об этом свидетельствовала смутная надпись на другом саркофаге, где упоминалось имя никому не известного фараона. Никто из ученых-египтологов не верил Картеру, но Картер продолжал копать, пока наконец он не нашел под слоем песка дверь с именем Тутанхамона. Конечно, это была победа над скептиками. Картер мог бы почивать на лаврах, но он не успокоился, пока шаг за шагом не откопал все помещения гробницы и не извлек все предметы, ставшие сегодня самыми блистательными образцами искусства Древнего Египта. И сегодня никто уже не помнит, что первоначальной причиной раскопок был спор о существовании фараона с именем Тутанхамон. В каком-то смысле мы сегодня только нашли дверь этого неизведанного мира, который нам предстоит изучить и понять.

Действительно, если бозон Хиггса искали для подтверждения Стандартной модели, то его обнаружение ставит перед наукой новые вопросы: раз это поле действительно существует, то, выходит, оно не появилось вместе с элементарными частицами в первые мгновения Большого взрыва, а существовало еще до образования Вселенной? Тогда откуда же оно возникло? Или, если спросить по-другому: кто его создал?


Комментарии
Профиль пользователя