Что нам дал бозон хиггса
Что такое бозон Хиггса, и почему его так искали?
Все помнят шумиху вокруг открытия бозона Хиггса, произошедшего в 2012 году. Все помнят, но многие так до сих пор в полной мере и не понимают, что это был за праздник? Мы решили разобраться, просветиться, и заодно рассказать о том, что такое бозон Хиггса простыми словами!
Стандартная модель и бозон Хиггса
Бозон Хиггса – это такая элементарная частица, которая была предсказана теоретически еще в 1964 году. Элементарный бозон, возникающий вследствие механизма спонтанного нарушения электрослабой симметрии.
Понятно? Не очень. Чтобы стало понятнее, нужно рассказать про Стандартную модель.
Питер Хиггс, предсказавший существование бозона Хиггса.
Стандартная модель – одна из основных современных моделей описания мира. Она описывает взаимодействие элементарных частиц. Как мы знаем, в мире есть 4 фундаментальных взаимодействия: гравитационное, сильное, слабое и электромагнитное. Гравитационное мы сразу не рассматриваем, т.к. оно имеет иную природу и не входит в модель. А вот сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия описываются в рамках стандартной модели. Причем, согласно этой теории вещество состоит из 12 фундаментальных элементарных частиц-фермионов. Бозоны же являются переносчиками взаимодействий. Оформить дипломную работу на заказ вы можете прямо у нас на сайте.
Стандартная модель. Частицы.
Так вот, из всех частиц, предсказанных в рамках стандартной модели, не обнаруженным экспериментально оставался бозон Хиггса. Согласно Стандартной модели этот бозон, являясь квантом поля Хиггса, отвечает за то, что у элементарных частиц есть масса. Представим, что частицы – это бильярдные шары, помещенные на сукно стола. В данном случае сукно – это и есть поле Хиггса, обеспечивающее массу частиц.
Как искали бозон Хиггса?
На вопрос, когда открыли бозон Хиггса, нельзя ответить точно. Ведь теоретически его предсказали в 1964 году, а подтвердили существование экспериментально только в 2012. И все это время неуловимый бозон искали! Искали долго и упорно. До БАК в ЦЕРНе работал другой ускоритель, электрон-позитронный коллайдер. Также был Теватрон в Иллинойсе, но и его мощностей не хватило для выполнения задачи, хотя эксперименты, конечно же, дали определенные результаты.
Дело в том, что бозон Хиггса – частица тяжелая, и обнаружить его очень непросто. Суть эксперимента проста, сложна реализация и интерпретация результатов. Берутся два протона на околосветовой скорости и сталкиваются лоб в лоб. Протоны, состоящие из кварков и антикварков, от такого мощного столкновения разваливаются и появляется множество вторичных частиц. Именно среди них и искали бозон Хиггса.
Поиски бозона Хиггса
Проблема еще и в том, что подтвердить существование этого бозона можно лишь косвенно. Период, в который существует бозон Хиггса, крайне мал, как и расстояние между точками исчезновения и возникновения. Измерить такие время и расстояние напрямую невозможно. Зато Хиггс не исчезает бесследно, и его можно вычислить по «продуктам распада».
Тем не менее, за полгода экспериментов, когда за одну секунду в коллайдере происходят сотни миллионов столкновений протонов, было выявлено целых 5 таких четырехлептонных случаев. Причем зафиксированы они были на двух разных детекторах-гигантах: ATLAS и CMS. Согласно независимому расчету с данными одного и другого детектора, масса частицы составляла примерно 125ГэВ, что соответствует теоретическому предсказанию для бозона Хиггса.
Для полного и точного подтверждения того, что обнаруженная частица была именно именно бозоном Хиггса, пришлось провести еще очень много опытов. И несмотря на то, что сейчас бозон Хиггса обнаружен, эксперименты в ряде случаев расходятся с теорией, так что Стандартная модель, как считают многие ученые, скорее всего является частью более совершенной теории, которую еще предстоит открыть.
Бозон Хиггса (перевод)
Мы, коллектив Quantuz, (пытаемся вступить в сообщество GT) предлагаем наш перевод раздела сайта particleadventure.org, посвященного бозону Хиггса. В данном тексте мы исключили неинформативные картинки (полный вариант см. в оригинале). Материал будет интересен всем интересующимся последними достижениями прикладной физики.
Роль бозона Хиггса
Теория 1964-го года
В 1964 году шестеро физиков-теоретиков выдвинули гипотезу существования нового поля (подобно электромагнитному), которым заполнено все пространство и решает критическую проблему в нашем понимании вселенной.
Независимо от этого другие физики построили теорию фундаментальных частиц, названную в итоге «Стандартной Моделью», которая обеспечивала феноменальную точность (экспериментальная точность некоторых частей Стандартной Модели достигает 1 к 10 миллиардам. Это равнозначно предсказанию расстояния между Нью-Йорком и Сан-Франциско с точностью около 0.4 мм). Эти усилия оказались тесно взаимосвязаны. Стандартная Модель нуждалась в механизме приобретения частицами массы. Полевую теорию разработали Питер Хиггс, Роберт Браут, Франсуа Энглер, Джералд Гуралник, Карл Хаген и Томас Киббл.
Бозон
Питер Хиггс понял, что по аналогии с другими квантовыми полями должна существовать частица, связанная с этим новым полем. Она должна иметь спин равным нулю и, таким образом, являться бозоном – частицей с целым спином (в отличие от фермионов, у которых спин полуцелый: 1/2, 3/2 и т.д.). И действительно он вскоре стал известен как Бозон Хиггса. Единственным его недостатком было то, что его никто не видел.
Какова масса бозона?
К несчастью, теория, предсказывающая бозон, не уточняла его массу. Прошли годы, пока не стало ясно, что бозон Хиггса должен быть экстремально тяжелым и, скорее всего, за пределами досягаемости для установок, построенных до Большого Адронного Коллайдера (БАК).
В то время, когда БАК начал сбор данных в 2010, эксперименты на других ускорителях показали, что масса бозона Хиггса должна быть больше, чем 115 ГэВ/с2. В ходе опытов на БАК планировалось искать доказательства бозона в интервале масс 115-600 ГэВ/с2 или даже выше, чем 1000 ГэВ/с2.
Каждый год экспериментально удавалось исключать бозоны с бОльшими массами. В 1990 было известно, что искомая масса должна быть больше 25 ГэВ/с2, а в 2003 выяснилось, что больше 115 ГэВ/с2
Столкновения на Большом Адронном Коллайдере могут порождать много чего интересного
Дэннис Оувербай в «Нью-Йорк Таймс» рассказывает про воссоздание условий триллионной доли секунды после Большого Взрыва и говорит:
«…останки [взрыва] в этой части космоса не видны с тех пор, как Вселенная охладилась 14 миллиардов лет назад – весна жизни мимолетна, снова и снова во всех ее возможных вариантах, как если бы Вселенная участвовала в собственной версии фильма «день Сурка»
Одним из таких «останков» может быть бозон Хиггса. Его масса должна быть очень велика, и он должен распадаться менее чем за наносекунду.
Анонс
После половины столетия ожиданий драма стала напряженной. Физики спали у входа в аудиторию, чтобы занять места на семинаре в лаборатории ЦЕРН в Женеве.
За десять тысяч миль отсюда, на другом краю планеты, на престижной международной конференции по физике частиц в Мельбурне сотни ученых со всех уголков земного шара собрались, чтобы услышать вещание семинара из Женевы.
Но сперва давайте взглянем на предпосылки.
Фейерверк 4 июля
4-го июля 2012 руководители экспериментов ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере представили их последние результаты поиска бозона Хиггса. Ходили слухи, что они собираются сообщить больше, чем просто отчет о результатах, но что?
Конечно же, когда результаты были представлены, обе коллаборации, проводившие эксперименты, отчитались о том, что они нашли доказательство существования частицы «похожей на бозон Хиггса» с массой около 125 ГэВ. Это определенно была частица, и если она не бозон Хиггса, то очень качественная его имитация.
Доказательство не было сомнительным, ученые располагали результатами в пять сигма, означающих, что существует менее одной вероятности на миллион, что данные являются просто статистической ошибкой.
Бозон Хиггса распадается на другие частицы
Бозон Хиггса распадается на другие частицы почти сразу же после того, как будет произведен, так что мы можем наблюдать только продукты его распада. Наиболее распространенные распады (среди тех, которые мы можем увидеть) показаны на рисунке:
Каждый вариант распада бозона Хиггса известен как «канал распада» или «режим распада». Хотя bb-режим является распространенным, многие другие процессы производят подобные частицы, так что если вы наблюдаете bb-распад, очень трудно сказать, появились ли частицы в связи с бозоном Хиггса или как-то еще. Мы говорим, что режим bb-распада имеет «широкий фон».
Лучшими каналами распада для поиска бозона Хиггса являются каналы двух фотонов и двух Z-бозонов.*
*(Технически для 125 ГэВ массы бозона Хиггса распад на два Z-бозона не возможен, так как Z-бозон имеет массу 91 ГэВ, вследствие чего пара имеет массу 182 ГэВ, большую чем 125 ГэВ. Однако то, что мы наблюдаем, является распадом на Z-бозон и виртуальный Z-бозон (Z*), масса которого много меньше.)
Распад бозона Хиггса на Z + Z
Z-бозоны также имеют несколько режимов распада, включая Z → e+ + e- и Z → µ+ + µ-.
Режим распада Z + Z был довольно прост для экспериментов ATLAS и CMS, когда оба Z-бозона распадались в одном из двух режимов (Z → e+ e- или Z → µ+ µ- ). На рисунке четыре наблюдаемых режима распада бозона Хиггса:
Конечный результат состоит в том, что иногда наблюдатель увидит (в дополнение к некоторым несвязанным частицам) четыре мюона, или четыре электрона, или два мюона и два электрона.
Как бозон Хиггса выглядел бы в детекторе ATLAS
В этом событии «джет» (струя) возникла идущей вниз, а бозон Хиггса – вверх, но он почти мгновенно распался. Каждая картинка столкновения называется «событием».
Пример события с возможным распадом бозона Хиггса в виде красивой анимации столкновения двух протонов в Большом адронном коллайдере можно посмотреть на сайте-источнике по этой ссылке.
В этом событии бозон Хиггса может быть произведен, а затем немедленно распадается на два Z-бозона, которые в свою очередь немедленно распадутся (оставив два мюона и два электрона).
Механизм, дающий массу частицам
Открытие бозона Хиггса является невероятным ключом к разгадке механизма того, как фундаментальные частицы приобретают массу, что и утверждали Хиггс, Браут, Энглер, Джералд, Карл и Киббл. Что это за механизм? Это очень сложная математическая теория, но ее главная идея может быть понятна в виде простой аналогии.
Представьте себе пространство, заполненное полем Хиггса, как вечеринку спокойно общающихся между собой физиков с коктейлями …
В какой-то момент входит Питер Хиггс, который создает волнение, двигаясь через комнату и притягивая группу поклонников с каждым шагом…
До того как войти в комнату профессор Хиггс мог двигаться свободно. Но после захода в комнату полную физиков его скорость уменьшилась. Группа поклонников замедлила его движение по комнате; другими словами, он приобрел массу. Это аналогично безмассовой частице, приобретающей массу при взаимодействии с полем Хиггса.
А ведь все что он хотел – это добраться до бара!
(Идея аналогии принадлежит проф. Дэвиду Дж. Миллеру из Университетского колледжа Лондона, который выиграл приз за доступное объяснение бозона Хиггса — © ЦЕРН)
Как бозон Хиггса получает собственную массу?
С другой стороны, в то время новости распространяются по комнате, они также формируют группы людей, но на этот раз исключительно из физиков. Такая группа может медленно перемещаться по комнате. Подобно другим частицам бозон Хиггса приобретает массу просто взаимодействуя с полем Хиггса.
Поиск массы бозоны Хиггса
Как вы найдете массу бозона Хиггса, если он распадается на другие частицы до того, как мы его обнаружим?
Если вы решили собрать велосипед и захотели знать его массу, вам следует складывать массы частей велосипеда: двух колес, рамы, руля, седла и т.д.
Но если вы хотите вычислить массу бозона Хиггса из частиц, на которые он распался, просто складывать массы не получится. Почему же нет?
Сложение масс частиц распада бозона Хиггса не работает, так как эти частицы имеют огромную кинетическую энергию по сравнению с энергией покоя (помним, что для покоящейся частицы E = mc 2 ). Это происходит вследствие того, что масса бозона Хиггса много больше, чем массы конечных продуктов его распада, поэтому оставшаяся энергия куда-то уходит, а именно — в кинетическую энергию возникших после распада частиц. Теория относительности говорит нам использовать равенство ниже для подсчета «инвариантной массы» набора частиц после распада, которая и даст нам массу «родителя», бозона Хиггса:
E 2 =p 2 c 2 +m 2 c 4
Поиск массы бозона Хиггса из продуктов его распада
Примечание Quantuz: тут мы немного не уверены в переводе, так как идут специальные термины. Предлагаем сравнить перевод с источником на всякий случай.
Когда мы говорим о распаде типа H → Z + Z* → e+ + e- + µ+ + µ-, то четыре возможные комбинации, показанные выше, могут возникнуть как от распада бозона Хиггса, так и от фоновых процессов, так что нам нужно взглянуть на гистограмму суммарной массы четырех частиц в указанных комбинациях.
Гистограмма масс подразумевает, что мы наблюдаем за огромным количеством событий и отмечаем количество тех событий, когда получается итоговая инвариантная масса. Она выглядит как гистограмма, потому что значения инвариантной массы разделены на столбцы. Высота каждого столбца показывает число событий, в которых инвариантная масса оказывается в соответствующем диапазоне.
Мы можем вообразить, что это результаты распада бозона Хиггса, но это не так.
Данные о бозоне Хиггса из фона
Красные и фиолетовые области гистограммы показывают «фон», в котором число четырехлептонных событий предположительно произойдут без участия бозона Хиггса.
Синяя область (см. анимацию) представляет «сигнальный» прогноз, в котором число четырехлептонных событий предполагают результат распада бозона Хиггса. Сигнал расположен на вершине фона, так как для того, чтобы получить общее прогнозируемое количество событий, вы просто складываете все возможные исходы событий, которые могут произойти.
Черные точки показывают число наблюдаемых событий, в то время как черные линии, проходящие через точки, представляют статистическую неопределенность в этих числах. Рост данных (см. следующий слайд) на уровне 125 ГэВ является признаком новой 125 ГэВ-частицы (бозон Хиггса).
Анимация эволюции данных для бозона Хиггса по мере накопления находится на оригинальном сайте.
Сигнал бозона Хиггса медленно растет над фоном.
Данные бозона Хиггса, распавшегося на два фотона
Распад на два фотона (H → γ+γ) имеет еще более широкий фон, но тем не менее сигнал четко выделяется.
Это гистограмма инвариантной массы для распада бозона Хиггса на два фотона. Как вы можете видеть, фон очень широкий по сравнению с предыдущим графиком. Так происходит потому, что существует гораздо больше процессов производящих два фотона, чем процессов с четырьмя лептонами.
Пунктирная красная линия показывает фон, а жирная красная линия показывает сумму фона и сигнала. Мы видим, что данные хорошо согласуются с новой частицей в районе 125 ГэВ.
Недостатки первых данных
Данные были убедительны, но не совершенны, и имели значительные недостатки. К 4-му июля 2012 не имелось достаточной статистики для определения темпа, с которым частица (бозон Хиггса) распадается на различные наборы менее массивных частиц (т.н. «ветвящиеся пропорции» ), предсказываемые Стандартной Моделью.
«Ветвящаяся пропорция» это просто вероятность того, что частица распадется через данный канал распада. Эти пропорции предсказываются Стандартной Моделью и измерены с помощью многократного наблюдения распадов одних и тех же частиц.
Следующий график показывает лучшие измерения ветвящихся пропорций, которые мы можем сделать по состоянию на 2013 год. Так как это пропорции, предсказанные Стандартной Моделью, ожидание равно 1.0. Точки являются текущими измерениями. Очевидно, что отрезки ошибок (красные линии) в большинстве все еще слишком велики, чтобы делать серьезные выводы. Эти отрезки сокращаются по мере получения новых данных и точки возможно могут перемещаться.
Как же узнать, что человек наблюдает событие–кандидат на бозон Хиггса? Существуют уникальные параметры, которые выделяют такие события.
Является ли частица бозоном Хиггса?
В то время как был обнаружен распад новой частицы, темп, с которым это происходит, к 4 июля все еще был не ясен. Даже было не известно, имеет ли открытая частица правильные квантовые числа – то есть имеет ли она спин и четность, требуемые для бозона Хиггса.
Другими словами, 4 июля частица выглядела как утка, но нам требовалось убедиться, что она плавает как утка и крякает как утка.
Все результаты экспериментов ATLAS и CMS Большого адронного коллайдера (а также коллайдера Тэватрон из Лаборатории Ферми) после 4 июля 2012 показали замечательную согласованность с ожидаемыми ветвящимися пропорциями для пяти режимов распада, обсуждаемых выше, и согласованность с ожидаемым спином (равным нулю) и четностью (равной +1), которые являются основными квантовыми числами.
Эти параметры имеют важное значение для определения того, действительно ли новая частица это бозон Хиггса или какая-то другая неожиданная частица. Так что все имеющиеся доказательства указывают на бозон Хиггса из Стандартной Модели.
Некоторые физики посчитали это разочарованием! Если новая частица это бозон Хиггса из Стандартной Модели, то, значит, Стандартная Модель по сути полностью завершена. Все, что теперь можно делать, так это проводить измерения с возрастающей точностью того, что уже открыто.
Но если новая частица окажется чем-то, непредсказанным Стандартной Моделью, то это откроет дверь множеству новых теорий и идей для проверки. Неожиданные результаты всегда требуют новых объяснений и помогают толкать теоретическую физику вперед.
Откуда во Вселенной появилась масса?
В обычной материи основная часть массы содержится в атомах, а, если быть точным, заключена в ядре, состоящим из протонов и нейтронов.
Протоны и нейтроны сделаны из трех кварков, которые приобретают свою массу, взаимодействуя с полем Хиггса.
НО… массы кварков вносят вклад в размере около 10 МэВ, это примерно 1% от массы протона и нейтрона. Так откуда же берется оставшаяся масса?
Так что лишь малая часть массы обычной материи во Вселенной принадлежит механизму Хиггса. Однако, как мы увидим в следующем разделе, Вселенная была бы полностью необитаема без хиггсовской массы, и некому было бы открыть хиггсовский механизм!
Если бы не было поля Хиггса?
Если бы не было поля Хиггса, на что была бы похожа Вселенная?
Это не так очевидно.
Определенно, ничего бы не связывало электроны в атомах. Они бы разлетались со скоростью света.
Но кварки связаны сильным взаимодействием и не могут существовать в свободном виде. Некоторые связанные состояния кварков, возможно, сохранились бы, но насчет протонов и нейтронов не ясно.
Вероятно, все это представляло бы собой ядерно-подобную материю. И может быть все это сколлапсировало в результате гравитации.
Факт, в котором мы точно уверены: Вселенная была бы холодной, тёмной и безжизненной.
Так что бозон Хиггса спасает нас от холодной, тёмной, безжизненной Вселенной, где нет людей, чтобы открыть бозон Хиггса.
Является ли бозон Хиггса бозоном из Стандартной Модели?
Мы точно знаем, что частица, которую мы открыли это бозон Хиггса. Нам также известно, что он очень похож на бозон Хиггса из Стандартной Модели. Но существует два момента, которые все еще не доказаны:
1. Несмотря на то, что бозон Хиггса из Стандартной Модели, имеются небольшие расхождения, свидетельствующие о существовании новой физики (неизвестной ныне).
2. Существуют больше чем один бозоны Хиггса, с другими массами. Это также говорит о том, что появятся новые теории для исследования.
Только время и новые данные помогут выявить либо чистоту Стандартной Модели и ее бозона либо новые волнующие физические теории.
Чем так важна частица Хиггса
Большинство из нас учило в школе или из книг, что все окружающие нас материалы – всё, что мы едим, пьём, чем дышим, все живые существа, сама Земля – состоит из атомов. Их бывает порядка 100 типов, они называются «химическими элементами» и обычно организованы в виде молекул, так же, как буквы можно организовать в слова. Эти факты, касающиеся нашего мира, мы принимаем, как само собой разумеющееся, но в конце XIX века по этому поводу всё ещё шли жаркие дебаты. Только в районе 1900-го года, когда на основе нескольких умозаключений стало возможным подсчитать размер атомов, и когда был открыт электрон, субатомная частица, населяющая окраины атомов, атомная картинка мира, наконец, сложилась.
Но и сегодня некоторые части этой картинки не совсем чётко просматриваются. Остаются нерешёнными загадки возрастом в сотню лет. И вся эта шумиха по поводу «бозона Хиггса» как раз напрямую связана с этими глубокими вопросами, находящимися в самом сердце нашего существования. Вскоре расплывчатые части нашей картинки смогут стать более чёткими и открыть нам детали относительно нашего мира, которые нам пока неясны.
В школе мы учили, что масса у атома в основном есть благодаря его небольшому ядру. Электроны, формирующие размытое облако вокруг ядра, добавляют к этой массе не более одной тысячной её части. Но что нам обычно не рассказывают, если только не заниматься физикой углублённо – так это то, что размер атома зависит в основном от массы электрона. Если бы вы каким-то образом смогли уменьшить массу электрона, то обнаружили бы, что атомы выросли и стали более хрупкими. Уменьшите массу электрона в тысячу раз, и атомы станут такими непрочными, что даже оставшееся от Большого взрыва тепло сможет разрушить их. Поэтому вся структура и существование обычных материалов связана с, казалось бы, эзотерическим вопросом: почему у электронов вообще есть масса?
Масса электрона и её происхождение ставили в тупик физиков со времени её первого измерения. Многие открытия, связанные с другими, казалось бы, элементарными частицами, сделанные в последние сто лет, усложняли и обогащали эту загадку. Во-первых, было установлено, что свет также состоит из частиц под названием фотоны, вообще не имеющих массы. Затем, что атомное ядро состоит из частиц под названием кварки, обладающих массой. Недавно мы обнаружили признаки того, что нейтрино, неуловимые частицы, стадами бегущие из недр Солнца, тоже обладают массой, хотя и совсем небольшой. Поэтому вопрос по поводу электрона перешёл в категорию более крупных вопросов: почему у частиц, типа электронов, кварков и нейтрино, есть масса, а у фотонов – нет?
В середине прошлого века физики узнали, как записывать уравнения, предсказывающие и описывающие поведение электронов. Хотя они и не знали, откуда берётся масса электрона, они обнаружили, что эту массу довольно легко внедрить в уравнения вручную, и решили, что полное объяснение её происхождения появится когда-нибудь потом. Но когда они углубились в изучение слабого ядерного взаимодействия, одного из четырёх известных в природе, у них появилась серьёзная проблема.
Физики уже знали, что электрические силы связаны с фотонами, и затем поняли, что слабое взаимодействие связано с частицами, названными «W» и «Z». Но при этом у частиц W и Z было отличие от фотона в виде массы – они сравнимы по массе с атомом олова, более чем в сотню тысяч раз тяжелее электрона. К сожалению, физики обнаружили, что не могут внедрить массы частиц W и Z в уравнения вручную: получавшиеся уравнения давали бессмысленные предсказания. А когда они изучили, как слабое взаимодействие влияет на электроны, кварки и нейтрино, они обнаружили, что старый способ внедрения массы в уравнения не работает – он тоже ломает всю систему.
Для объяснения того, как известные элементарные частицы могут обладать массой, требовались свежие идеи.
Эта загадка постепенно проявлялась в 1950-е и 1960-е. И в начале 1960-х появилось возможное решение – тут мы и знакомимся с Питером Хиггсом и другими (Браутом, Энглертом, Гуральником, Хагеном и Кибблом). Они предложили то, что сейчас мы называем «механизмом Хиггса». Допустим, говорит они, в природе есть ещё одно, неизвестное пока поле – как и все поля, это некая субстанция, существующая во всех областях пространства – ненулевое и однородное во всём пространстве и времени. Если это поле – которое теперь зовётся полем Хиггса – будет нужного типа, его присутствие заставит частицы W и Z проявить массу, а также позволит физикам вернуть в уравнения массу электрона. Это по-прежнему отложит вопрос о том, почему масса электрона именно такая, но, по крайней мере, тогда можно будет записать уравнения, в которых масса электрона не равна нулю!
В последовавшие десятилетия идею механизма Хиггса проверяли разными способами. Сегодня из подробнейших исследований частиц W и Z известно, что решение загадки, появившейся благодаря слабому взаимодействию, лежит где-то именно в этой области. Но детали этой истории нам неизвестны.
Что такое поле Хиггса, как его понять? Оно невидимо для нас и мы его не чувствуем, как ребёнок не чувствует воздух, или как рыба – воду. И даже больше – ибо, если вырастая, мы начинаем осознавать течение воздуха вокруг наших тел и чувствовать его при помощи осязания, никакие наши чувства не дают нам доступа к полю Хиггса. Мы не только не можем обнаружить его при помощи чувств, мы не можем сделать этого напрямую и при помощи научных инструментов. Так как же мы можем быть уверены, что оно существует? И как мы можем надеяться узнать что-либо о нём?
Аналогия между воздухом и полем Хиггса хорошо работает в следующем примере: если потревожить любую из этих двух сред, они завибрируют, и будут создавать волны. В воздухе такие волны создать легко – можно крикнуть или хлопнуть в ладоши – и тогда наши уши обнаружат эти волны в виде звука. В поле Хиггса волны создать сложнее и сложнее их наблюдать. Для этого понадобится гигантский ускоритель частиц, Большой адронный коллайдер. А для их обнаружения нужны научные инструменты размером с дом, например, ATLAS или CMS.
Как это работает? Хлопок в ладоши обязательно создаст громкие звуковые волны. Столкновение двух высокоэнергетических протонов на БАК создаст очень тихие волны Хиггса, притом необязательно – к этому приведёт лишь одно столкновение из десяти миллиардов. Получившаяся волна будет самой тихой из возможных волн в поле Хиггса (говоря техническим языком, одним квантом этого типа волн). Мы называем эту волну «частицей Хиггса» или «бозоном Хиггса».
Иногда СМИ называют её «частицей бога». Этот термин придумал один издатель, чтобы его книга лучше продавалась, поэтому он происходит из рекламы, а не науки или религии. Учёные этим термином не пользуются.
Создать частицу Хиггса – это только часть процесса, и относительно лёгкая. Гораздо тяжелее обнаружить её. Звуковые волны свободно перемещаются от ваших ладоней через всю комнату до уха другого человека. А частица Хиггса дезинтегрируется на другие быстрее, чем вы сможете сказать «бозон Хиггса». На самом деле, быстрее, чем требуется свету, чтобы пройти диаметр атома. ATLAS и CMS лишь максимально осторожно измеряют остатки взорвавшейся частицы Хиггса и пытаются отмотать произошедшее назад, словно детективы, распутывающие дело по уликам, чтобы определить, могла ли частица Хиггса стать источником этих остатков.
На деле всё ещё сложнее. Мало создать одну частицу Хигса, поскольку её остатки невозможно различить. Часто столкновение двух протонов приводит к появлению обломков, напоминающих то, что получается в результате распада частицы Хиггса. Так как же нам установить, что частица Хиггса возникала? Ключ в том, что хотя частицы Хиггса встречаются редко, но их обломки появляются довольно регулярно, в то время, как другие процессы происходят часто, но более случайным образом. Точно так же, как ваше ухо может распознать поющий голос даже сквозь обильные помехи на радио, экспериментаторы могут разобрать регулярный звон поля Хиггса среди случайной какофонии, созданной другими похожими процессами.
Провернуть всё это оказывается чрезвычайно сложно и трудно. Но это было проделано в рамках триумфа человеческой изобретательности.
Зачем же вообще было заниматься такими геркулесовыми подвигами? Из-за чрезвычайной важности поля Хиггса для самого нашего существования. С этой важностью по величине может сравниться только наше невежество по поводу его происхождения и свойств. Мы даже не знаем, существует ли одно такое поле; их может быть несколько. Поле Хиггса может само по себе оказаться составным, состоящим из других полей. Мы не знаем, почему оно ненулевое, и не знаем, почему оно по-разному взаимодействует с разными частицами, и придаёт, допустим, электрону, массу совсем не такую, как масса верхнего кварка. Поскольку масса играет важную роль не только в определении размеров атомов, но и во множестве других свойств природы, наше понимание Вселенной и нас самих не может быть полным и удовлетворительным, пока поле Хиггса остаётся таким загадочным. Изучение частиц Хиггса – волн в поле Хиггса – даст нам глубокие познания о природе этого поля, точно так же, как о воздухе можно узнать по звуковым волнам, о камне – изучая землетрясения, и о море – наблюдая волны на пляже.
Кто-то из вас наверняка (и справедливо) спросит: это всё очень вдохновляет, но какую пользу это может принести обществу в практическом смысле? Ответ вам может не понравиться. История показывает, что социальные выгоды от исследований фундаментальных вопросов могут не проявляться десятилетиями, даже столетие. Подозреваю, что сегодня вы пользовались компьютером. Сомневаюсь, что когда Томпсон открыл в 1897 году электроны, кто-нибудь из его окружения смог бы догадаться, как сильно электроника сможет изменить общество. Мы не надеемся представить технологии следующего столетия или то, как кажущееся эзотерическим знание, полученное сегодня, может повлиять на далёкое будущее. Инвестиции в фундаментальные исследования – это всегда немножечко азартная игра, но на основании знаний. В худшем случае мы узнаем о природе нечто глубокое и имеющее неожиданные последствия. Такое знание, хотя и не обладающее ценностью в денежном выражении, в обоих смыслах бесценно.
Для краткости я кое-что упростил. Не обязательно всё должно было быть именно так. Было возможно, что волны на поле Хиггса невозможно было бы обнаружить – это могло напоминать попытку создать волны на асфальтовом озере или в густом сиропе. Волны могли бы затухнуть ещё до того, как полностью сформировались. Но мы знаем достаточно о частицах природы, чтобы знать, что такой вариант был бы возможен, только если бы существовали другие неоткрытые частицы и взаимодействия – а какие-то из них обязательно можно было бы найти на БАК. Или же частица (частицы) Хиггса могла бы существовать, но таким образом, что её было бы гораздо сложнее произвести, или она могла дезинтегрироваться каким-то неожиданным образом. Во всех таких случаях могло пройти бы ещё несколько лет до того, как поле Хиггса стало открывать бы свои секреты. Так что мы были готовы ждать, хотя и надеялись, что нам не придётся объяснять СМИ все эти сложности.
Но волновались мы зря.
Открытие частицы Хиггса – это поворотный момент в истории. Триумф тех, кто предложил механизм Хиггса и тех, что работает на БАК, ATLAS и CMS. Но оно не означает завершения наших загадок, связанных с массой известных частиц – это только начало нашей надежды разрешить эти загадки. В будущем энергии и количество столкновений на БАК будут увеличиваться, и ATLAS и CMS будут всесторонне и систематически исследовать частицу Хиггса. То, что они узнают, может позволить нам разрешить загадки этого производящего массу океана, в котором все мы плаваем, и направит нас дальше по эпическому пути, начавшемуся более ста лет назад, который может занять ещё десятилетия и столетия, и простирается за пределы наших сегодняшних горизонтов.