Теория хиггса. Хиггсовский бозон на доступном языке

В физике по сей день остается немало понятий и явлений, которые являются непостижимыми для обычного человеческого восприятия. Одним из таких оригинальных понятий можно по праву назвать бозон Хиггса. Стоит более детально рассмотреть, что мы о нем знаем и насколько это явление может быть раскрыто для простых обывателей.

Бозоном Хиггса называют элементарную частицу, которая имеет свойство возникать в процессе хиггсовского механизма спонтанного нарушения электрослабой симметрии в стандартной модели физики элементарных частиц.

Долгие поиски элементарной частицы

Частицу постулировал британский физик Питер Хиггс в вышедших в 1964 году фундаментальных статьях. И лишь через несколько десятилетий предсказанное теоретически понятие было закреплено конкретными результатами поисков. В 2012 году была обнаружена новая частица, которая и стала наиболее явным кандидатом на эту роль. А уже в марте 2013 информация подтвердилась отдельными исследователями CERN , и найденную частицу признали бозоном Хиггса.

Для такого рода серьезных исследований был , на котором много лет продолжаются испытания и разработки. Но даже выявленные результаты специалисты не спешат открыто обнародовать, предпочитая более тщательно все перепроверить и доказать.

Бозон Хиггса является последней найденной частицей Стандартной модели. При этом в средствах массой информации официальный физический термин называют «проклятой частицей» – по предложенному Леоном Ледерманом варианту. Хотя в заглавии своей книги нобелевский лауреат употребил выражение «частица бога», впоследствии не прижившееся.

Хиггсовский бозон на доступном языке

Что такое бозон Хиггса многие ученые пытались объяснить наиболее доступно для среднестатистического мышления. Министром науки Великобритании в 1993 году даже был объявлен конкурс на самое простое объяснение данного физического понятия. Более доступной при этом признали сравнительный вариант с вечеринкой. Выглядит вариант следующим образом:

• в большую комнату, в которой начинается вечеринка, в определенный момент заходит известная личность;
• за известной личностью движутся гости, которые хотят пообщаться с человеком, при этом данная личность передвигается с меньшей скоростью, чем все остальные;
• затем в общей массе начинают собираться отдельные группки (скопления людей), обсуждающие какую-то новость, сплетню;
• люди передают новость от группы к группе, вследствие чего образуются небольшие уплотнения среди народа;
• в итоге создается впечатление, что группы людей обсуждают сплетню, тесно окружив известную личность, но без ее участия.

В сравнительном соотношении выходит, что общее количество людей в комнате – это и есть поле Хиггса, группы людей являются возмущением поля, а сама известная личность – частица, которая в этом поле движется.

Неоспоримая важность бозона Хиггса

Важность элементарной частицы, как бы она в итоге ни называлась, остается неоспоримой. В первую очередь она является необходимой во время осуществления расчетов, проводимых в теоретической физике для изучения строения Вселенной.

Физиками-теоретиками было предположено, что бозонами Хиггса заполнено все пространство, которое нас окружает. И при взаимодействии с другими видами частиц бозоны сообщают им свою массу. Получается, что если есть возможность для вычисления массы элементарных частиц, то и вычисление самого бозона Хиггса можно считать делом решенным.

Долгое время остававшаяся неуловимой, так называемая частица Бога, наконец поймана. Бозон Хиггса был недостающей деталью головоломки под названием Стандартная модель. Ученые полагают, что этот бозон отвечает за массу частиц. В частности, специально для поиска бозона Хиггса был построен Большой адронный коллайдер, который справился со своей основной задачей. Но перед учеными возникли новые загадки: один ли на самом деле бозон Хиггса? Кроме того, находка этого бозона никак не объяснила парадоксальное существование темной материи, которое занимает физиков все больше и больше в последнее время.

Физики наконец-то увидели, как элементарная частица, впервые обнаруженная на Большом адронном коллайдере, распадается на два прелестных кварка, экзотических и недолго живущих частицы, которые часто появляются после столкновения высокоэнергетических частиц. Этот неуловимый процесс мы смогли наблюдать только сейчас, впервые за шесть лет после открытия бозона Хиггса. Ученые двух экспериментов БАК, ATLAS и CMS, сообщили о своих результатах одновременно на семинаре, который проходил в ЦЕРНе 28 августа.

Недавно «отгремели фанфары» по случаю большого научного события – открытия бозона Хиггса. Вручили награды, порадовались вместе с учеными, но… Так до сих пор и осталось неясно одно: а зачем нам нужен этот самый бозон? Зачем физики так долго и упорно его разыскивали? С этими вопросами мы обратились к ведущему научному сотруднику Лаборатории электронов высоких энергий ФИАН Сергею Павловичу Баранову.

Со дня, когда об открытии новой частицы было объявлено на семинаре в ЦЕРНе (4 июля 2012 года) прошло уже немало времени. Свидетельства в пользу открытия знаменитого бозона с тех пор окрепли и приобрели большую полноту.

Независимых экспериментальных установок, разумеется, по-прежнему две (ATLAS и CMS), – ввиду уникальности их обеих, равно как и всего ускорителя LHC, – но внутри каждой из коллабораций все это время продолжались накопление новых и обработка ранее накопленных данных. К настоящему моменту итоги этой работы вылились в следующее.

Новая частица H наблюдается в шести каналах распада: на два Z-бозона, из которых один виртуальный (H → ZZ*); на два W-бозона, из которых один виртуальный (H → WW*); на два фотона (H → γγ); на прелестные (они же красивые) кварки (H → ); на тау-лептоны (H → τ+τ –); на Z-бозон и фотон (H → Zγ).

Соотношение между вероятностями различных распадов хорошо соответствует теоретическим ожиданиям. Бозон на уровне достоверности 97,8 % имеет правильные квантовые числа: нулевой спин и положительную четность. Наличие распада на два фотона исключает возможность спина, равного единице, а по угловым распределениям продуктов распада в остальных модах исключается и спин, равный двум.

Придраться, по большому счету, не к чему, и остается только понять, что этот бозон значит в нашей жизни. Понять – это к нам с вами относится, физики уже поняли.

Зона столкновения пучков на Большом адронном коллайдере и расположенный в ней детектор ATLAS ()

– Сергей Павлович, складывается впечатление, что бозон Хиггса – весьма «важная особа», за которой так долго и весьма настойчиво гонялись физики. Но для чего он так понадобился?

– Действительно, к открытию бозона Хиггса подбирались долго. Истощивший свое терпение Леон Ледерман даже назвал бозон в одной из своих статей «Goddamned particle », т.е. «проклятая частица», – имея в виду неуловимость бозона. Журнальный редактор отбросил «damned», оставив «God» – получилось «частица Бога». Броский эпитет был подхвачен журналистами и прижился. Мне же больше всего в этой истории кажется удивительным то, что бозон Хиггса нужен не природе, а математикам. Но обо всем по порядку.

Предрассудки

Бытует мнение, что открытие бозона Хиггса что-то прояснило в ранней истории Вселенной и даже пролило свет на ее происхождение. Это не совсем так. По современным представлениям бозон (или поле) Хиггса действительно отвечает за быстрое расширение Вселенной в эпоху до Большого взрыва (так называемую «инфляцию», или «раздувание»), но ниоткуда не следует, что бозон, открытый недавно в ЦЕРНе, и есть тот самый бозон. Это вполне может быть другой бозон. Название бозонов Хиггса – это собирательное название для целого класса частиц (полей), обладающих определенными свойствами, при этом роль разных бозонов в природе может быть совершенно различна. Во всяком случае требования, которые мы предъявляем к тому «космологическому» бозону и к нынешнему «ЦЕРНовскому», имеют друг с другом довольно мало общего.

Схема столкновений пучков в туннеле Большого адронного коллайдера,
в результате которых был обнаружен бозон Хиггса

Есть еще одно расхожее мнение, будто бы бозон Хиггса объяснил, откуда у частиц берутся массы, и что в этом и заключается главная его ценность для теории. Тоже нужно уточнить. Объяснить-то объяснил, но количество необъяснимых величин в теории от этого меньше не стало. Произошло что-то вроде переклеивания ярлыков. Раньше, в до-Хиггсову эпоху, мы знали, что у элементарных частиц есть масса (у каждого сорта частиц своя), но не знали, почему величина этой массы именно такова, какова есть. В нынешней «хиггсовской» терминологии мы говорим, что наблюдаемые массы частиц есть результат их взаимодействия с Хиггсовым полем; сила этого взаимодействия определяется величиной соответствующей константы связи (константа строго пропорциональна массе), но почему эти константы именно таковы, мы по-прежнему не знаем. Сколько масс – столько констант.

Более того, у таких употребительных частиц как протон и нейтрон, из которых построены атомы, – а значит и все, что мы называем веществом, – масса на 99 % обусловлена так называемым кварк-глюонным конденсатом, а вовсе не бозоном Хиггса. На этот счет мнение науки не изменилось: так было до открытия бозона, так осталось и теперь. Строго говоря, механизм Хиггса отвечает только за массы частиц, являющихся квантами слабого взаимодействия (W + , W – и Z 0 бозонов), за массы лептонов (в том числе электрона) и за так называемую токовую составляющую массы кварков. Доля этой токовой массы в общей массе (называемой «конституентной») у разных кварков различна. Из кварков складываются уже другие частицы, адроны; их превеликое множество (в их числе протон и нейтрон), но заниматься устройством составных частиц – это отдельная история, в одной статье мы все не успеем.

Вернемся к «истинно элементарным» частицам – W ± и Z бозонам, лептонам, кваркам. Вся их совокупность после изобретения механизма Хиггса стала вести себя по-другому, иначе, чем мы думали раньше, и это позволило нам построить математически непротиворечивую теорию слабых взаимодействий. Вот здесь-то и есть заслуга Хиггса.

Проблемы до-Хиггсовой эпохи

Но чтобы понять, какие перед теорией стояли проблемы и как бозон Хиггса помог их преодолеть, поговорим сначала о той теории, где эти проблемы решались без помощи бозона Хиггса – о более или менее нам знакомой теории электричества (электродинамике). Те, кто учился в школе, могут помнить закон Кулона: напряженность электрического поля, создаваемого точечным зарядом, ведет себя как обратный квадрат расстояния до заряда (E ~ r –2). Электрическое поле – материальный объект, и с ним связана объемная плотность энергии, которая пропорциональна квадрату напряженности поля. Если же мы хотим сосчитать полную энергию поля, то эту плотность энергии надо проинтегрировать по всему пространству – по всем расстояниям от нуля до бесконечности, – и тогда мы увидим, что интеграл расходится (причем на малых расстояниях, что есть синоним больших энергий). Это значит, что полная энергия поля, создаваемого точечным зарядом, обращается в бесконечность, а, по соотношению Эйнштейна, где энергия – там и масса, и значит масса любой точечной заряженной частицы (например электрона) должна быть бесконечной – в противоречии с фактами! Строго говоря, мы не можем поручиться, что электрон истинно точечный, но, во всяком случае, его радиус (если он и есть) согласно известным измерениям на много порядков меньше той величины, которую он должен был бы иметь, если бы вся масса электрона была обусловлена энергией создаваемого им поля.

Проблема эта решается с помощью математического приема, называемого перенормировкой. Суть приема в том, что мы приписываем электрону бесконечно большую отрицательную «затравочную» массу и постулируем, что бесконечный отрицательный затравочный вклад, будучи сложен с бесконечным положительным вкладом от Кулоновского поля, дает в точности наблюдаемую массу частицы. Красиво это или нет, но таким способом мы устанавливаем правила игры для сокращения бесконечностей и с этих пор можем однозначно проводить вычисления, не наталкиваясь на противоречия. И потом сравнивать результаты вычислений с результатами измерений. И до сих пор согласие во всех случаях было просто изумительным. А то, что «затравочная» масса отрицательна – не беда. Ведь ни «затравочная», ни «полевая» масса по отдельности не измеряются, так как мы в принципе никогда не можем отделить заряженную частицу от создаваемого ею поля. А значит, ни одна из этих «масс» сама по себе физической величиной не является, а физический смысл имеет только их сумма.

Помимо массы в электродинамике существует еще два типа расходимостей, так что перенормировке приходится подвергнуть еще константу взаимодействия с фотоном (заряд электрона) и волновую функцию фотона. Но зато, совершив три раза «сделку с совестью», мы получаем законченный набор правил игры на все случаи жизни. В электродинамике существует замечательная теорема: как бы ни были сложны вычисления, никаких новых типов расходимостей никогда не возникнет, все обязательно сводится к этим трем, с которыми мы уже договорились как обращаться. Теории, в которых все расходимости устраняются конечным числом соглашений, называются перенормируемыми.

Теория слабых взаимодействий построена в общем и целом по образцу электродинамики, но с некоторыми важными отличиями. Природе зачем-то понадобилось, чтобы частицы, аналогичные фотону и отвечающие за перенос слабых взаимодействий (т.е. W + , W – и Z бозоны), были, в отличие от фотона, массивны. Это экспериментальный факт, – поскольку все упомянутые бозоны открыты, и их массы измерены, – и он имеет самые плачевные следствия для перенормируемости. А именно, по мере усложнения расчетов может возникнуть бесконечно большое количество новых типов расходимостей, требующих соответственно введения бесконечного количества новых правил обращения с ними. Понятно, что теорией это уже назвать нельзя, и от ее предсказательной силы не остается ничего. Бозон Хиггса помог вернуть ту перенормируемую благодать, которой мы наслаждались в электродинамике. Посмотрим же, как ему это удалось – а для этого надо сделать еще два отступления.

Что такое вакуум

Рассказывая о свойствах бозона Хиггса, приходится отказываться от многих привычных представлений. В частности, от взглядов на вакуум как на пустое пространство (О «пустотности» вакуума напоминает и само его название, имеющее в русском языке общий корень с «эвакуацией» и «вакансией»). В современном определении вакуумом называется не пустота, а состояние с наименьшей возможной энергией. При этом вакуум может быть наполнен физическими полями самой разнообразной природы. Представления о вакууме как о материальной среде стали складываться в первой половине двадцатого века. А в наши дни вакуум чем только не заполнен – тут и Дираково электронное море (дырки в котором называются позитронами), и неизбежные квантовые флуктуации всех существующих в природе полей, и уже вскользь упомянутый глюонный конденсат... и, наконец, бозон Хиггса. Вы спросите, как же мы могли раньше жить и не догадываться о материальном наполнении вакуума? А приблизительно так же, как мы могли жить и не догадываться об атмосферном давлении. Попробуйте поставьте на себя столько ведер воды, чтобы в высоту они достигали десяти метров – это как раз давление в одну атмосферу. Но мы его не ощущаем, потому что давление действует на нас со всех сторон, и силы взаимно уничтожаются. Мы замечаем не само давление, а только его перепад, например, когда дует ветер. Точно так же мы не замечаем и «атмосферу» Хиггсова конденсата, пока она спокойна. Но когда в ней разгуливаются волны, мы регистрируем возбуждение и называем его частицами – бозонами Хиггса, как называем фотонами электромагнитные волны.

Когда мы предполагаем (или постулируем) существование Хиггсовского поля, мы также приписываем ему определенные свойства. А именно, что это поле само с собой взаимодействует, причем таким образом, что зависимость плотности энергии от величины поля выглядит как на рисунке 1. Такой вид потенциальной энергии ниоткуда не вытекает, это именно постулат, или исходное положение теории: давайте предположим, что свойства поля таковы, и посмотрим, какие отсюда получаются замечательные следствия.

Рисунок 1. Зависимость плотности энергии U от величины поля H (Хиггсовского поля)

Рисунок с одномерной осью для величины поля, конечно, сильно упрощен: поле Хиггса может принимать не только действительные, но и комплексные значения. Кроме того, оно обладает слабым изотопическим спином, то есть может принимать разные направления в слабом изотопическом пространстве. Но для наших качественных рассуждений эти усложнения сейчас не так уж важны. Важно то, что состояние с нулевой плотностью поля Хиггса не является энергетическим минимумом и потому неустойчиво. Любой из минимумов, расположенных справа или слева, может с одинаковым успехом быть вакуумом, и природа обязательно скатится в один из них; в какой именно – дело случая (спонтанный выбор природы), но какой бы минимум природа ни выбрала, величина Хиггсова поля в этом состоянии будет ненулевой. Весь график как целое вполне симметричен, как симметричны и описывающие его уравнения; но любое решение этих уравнений, соответствующее физическому требованию минимальности энергии, поневоле несимметрично. Произошло так называемое спонтанное нарушение симметрии. Это ключевой момент в механизме Хиггса.

Тут, кстати, полная аналогия со спонтанным намагничением ферромагнетиков: у них наинизшее энергетическое состояние тоже соответствует ненулевому макроскопическому магнитному полю. Направление поля может быть любым, но абсолютная величина его равна не нулю, а вполне определенному значению. И тоже: все направления в пространстве были в исходных уравнениях магнетизма равноправны, но их равноправие в физически реализовавшейся системе утратилось – из равных возможностей система сама выбрала одну. При этом основополагающие-то уравнения не перестали быть симметричными – и этот факт нам скоро пригодится. Постараемся его не забыть.

Что такое масса

Взаимодействие частиц с заполняющим все пространство полем Хиггса приводит к появлению у частиц массы. Частицы, условно говоря, в этом конденсате «вязнут» и приобретают инерционность. В популярных изложениях обычно упоминают продавца мороженого, облепленного детьми, или королеву, окруженную подданными, – смысл тот, что подвижность увешанных толпой мороженщика или королевы сильно уменьшается, и они как бы «становятся массивными». Более строгие научные аналогии можно найти в физике твердого тела. Так, электрон проводимости движется в кристалле как частица с некоторой «эффективной» массой, сильно отличающейся от его истинной массы. Эта эффективная масса есть в дейс твительности результат взаимодействия электрона с окружающей средой. Для вычисления проводимости гораздо удобнее пользоваться «эффективной массой», чем возиться с полным описанием среды. Так же удобно и вполне допустимо считать частицей и дырку в полупроводнике p-типа. Мы понимаем, что дырка не истинная частица, и что электрон имеет совсем иную истинную массу, но только потому, что можем вынуть электрон из кристалла и исследовать изолированно. Однако мы никогда не можем вынуть элементарную частицу из вакуума, то есть из пространства, – и поэтому та масса, которую частица пробрела от взаимодействия с Хиггсовым вакуумом, и есть ее истинная масса.

Как оно работает

Итак, мы постулировали выражение для потенциальной энергии поля Хиггса таким образом, чтобы в низшем энергетическом состоянии (в вакууме) плотность поля была ненулевой, смотрим снова на рисунок 1. Природа могла выбрать правый минимум, а могла левый, но в любом случае картинка получается скособоченная – малые возбуждения над вакуумом поневоле асимметричны, они всегда привязаны к минимуму потенциальной энергии.
Далее, мы постулировали взаимодействие элементарных частиц с полем Хиггса, благодаря которому частицы приобрели массу, пропорциональную вакуумному среднему поля Хиггса. Отличие от ситуации, когда масса изначально задается «руками» (т.н. жесткое введение массы) в том, что масса, введенная через Хиггсово поле (т.н. мягкое введение), не есть постоянная величина. Она меняется, если меняется Хиггсово поле.

А теперь переведем взгляд на верхнюю часть рисунка, на область больших энергий. С этой высоты уже не важны мелкие детали рельефа вблизи донышка потенциальной ямы, и все поведение нашей системы становится симметричным, как то и было свойственно нашим основным уравнениям. Хиггсово поле свободно перекатывается из одной ямки в другую, и его среднее значение стремится к нулю. То есть восстанавливается то поведение, которое было бы у безмассовых частиц (как если бы минимум у потенциальной ямы был один). Восстанавливается наша спонтанно нарушенная симметрия – а в этом случае снова начинает работать теорема о перенормировках. При симметричном устройстве системы наиболее вредные расходимости сокращаются, а остаются только те, с которыми мы умеем справляться процедурой перенормировки.

В тех науках, где переносчики взаимодействий были уже изначально безмассовыми, как фотоны в электродинамике и глюоны в хромодинамике, – там все сразу было перенормируемо и удобно для вычислений. А вот переносчики слабых взаимодействий – W и Z бозоны – оказались почему-то массивными. И нам пришлось с этим бороться. И тогда мы придумали бозон Хиггса и механизм спонтанного нарушения симметрии, которые нам обеспечили переход от массивных W и Z бозонов при низких энергиях (по существу вблизи вакуума, в области, доступной для нашего наблюдения) к безмассовым бозонам при высоких энергиях (там, где расходятся злосчастные интегралы). Итоги можно выразить в виде почти афоризма – Хиггсов механизм не столько объяснил происхождение массы, сколько помог от этой массы избавиться.

Мир горний и мир дольний (до и после спонтанного нарушения симметрии)

Итак, смысл существования бозона Хиггса для нас в том, что он нам позволил соединить казалось бы несоединимые вещи: область высоких-превысоких энергий, где у W и Z бозонов масс быть не должно (чтобы не возникали неустранимые расходимости) с областью низких энергий, где у W и Z бозонов масса есть как экспериментальный факт. Природа пошла математикам навстречу и там, в «горних высях», бозонам массу не дала. Частицы обзаводятся массой только для жизни на дне; масса возникает как результат взаимодействия с различными вакуумными конденсатами.

Природа так поступила не единожды. Помните, мы говорили, что масса протона обусловлена глюонным конденсатом? Так вот, при увеличении энергии глюонный конденсат исчезает, а вместе с ним исчезает и масса у образующих протон кварков. Протон при этом перестает существовать как нечто целое и распадается на несвязанные кварки. То, что получается, называется кварк-глюонной плазмой. Но о ней мы поговорим когда-нибудь в следующий раз; за ее свойства отвечают сильные взаимодействия, а мы пока заняты слабыми. Но некоторый урок из аналогии извлечь можно. Если бы нам не удалось открыть бозон Хиггса как самостоятельную фундаментальную частицу, еще оставалась бы надежда спасти теорию слабых взаимодействий, организовав Хиггсов бозон как составной объект.

Хотя если посмотреть пошире, за рамки физики элементарных частиц, то окажется, что мы этот урок уже проходили. Совершеннейший эквивалент Хиггсова механизма с составным конденсатом мы видели в физике твердого тела, в теории сверхпроводимости. Там это был конденсат Куперовских электронных пар. Ничто не ново под Луной.

О красоте

Механизм Хиггса не только разрешил наши технические проблемы, но и позволил обустроить жизнь красиво. Потому что это красиво, когда все столь казалось бы разные взаимодействия удается описать с единых позиций и вывести для них основные уравнения из единого общего принципа. Этот принцип носит название локальной калибровочной инвариантности. Все взаимодействия устроены по одному образцу и отличаются только устройством соответствующего заряда. Электрический заряд – просто число. Положительное или отрицательное, но просто число, а заряд сложной системы получается простым арифметическим сложением зарядов ее частей.

Слабый заряд в математическом отношении похож на спин, только поворачивается в разные стороны не в нашем обычном пространстве, а в своем калибровочном (слабом изотопическом). Состояние системы задается уже не одним числом, а двумя: полным слабым спином и его проекцией на некоторую ось в калибровочном пространстве. Правило сложения «брутто» для полного спина не годится, но есть свои строгие правила, такие же, как для обычного спина.

Сильный заряд называется цветом. Он до некоторой степени тоже похож на спин, только еще посложнее. Калибровочное пространство у него не трехмерное, а восьмимерное, а состояние системы описывается тремя числами: «полным цветом» и его проекциями на две некоторые оси в калибровочном пространстве. Профессионалы вместо слов «полный цвет» говорят «размерность неприводимого представления».

А теперь переходим к этому яркому воплощению демократических свобод и всеобщей толерантности – принципу локальной калибровочной инвариантности. Суть его в том, что наблюдатели, расположенные в разных точках пространства, имеют право установить ориентацию осей в калибровочном пространстве каждый по-своему, как кому понравится, и никто не вправе их этой свободы лишить (с единственным ограничением, что изменение калибровочной системы координат происходит от точки к точке непрерывно). Но при этом мы постулируем, что уравнения движения частиц должны при любом выборе выглядеть одинаково.

Как удовлетворить этому требованию? Уравнения движения свободных частиц (например, кварков или электронов или других лептонов) содержат производную, и теперь в ней запутывается как «истинное» изменение волновой функции частицы, так и «кажущееся», связанное с изменением системы координат. Избавиться от лишнего слагаемого в производной можно с помощью дополнительных «компенсирующих» полей. То есть в дополнение к исходным полям для лептона или кварка мы вводим в систему уравнений другие поля, тоже меняющиеся при повороте осей в калибровочном пространстве, но так, чтобы это изменение в точности компенсировало «лишние» члены. Понятно, что уравнения для этих компенсирующих полей устанавливаются совершенно однозначно, потому что точно известно, что именно нужно компенсировать. Так вот оказывается, что для электрического заряда таким компенсирующим полем является электромагнитное – вместе с вытекающими прямо из калибровочного принципа уравнениями Максвелла. Для слабого заряда это поля W ± и Z бозонов, а для сильного заряда – поля глюонов. Аналоги уравнений Максвелла в двух последних случаях называются уравнениями Янга-Миллса. (Этот вот трехглавый сильно-слабо-электромагнитный дракон собственно и называется Стандартной моделью. Конечно в совокупности с перечнем всех фундаментальных частиц и их классификацией по типу зарядов.)

И все бы замечательно, если бы не досадная мелочь. Фермионы (электрон или другие лептоны, а также кварки) участвуют в слабых взаимодействиях по-разному в зависимости от своей спиральности. Экспериментальный факт. Слабые взаимодействия – единственные из нам известных, которые различают лево- и право-спиральные состояния. Это плохо не само по себе, а тем, что понятие спиральности для массивных частиц на поверку оказывается двусмысленным. Напомним, что спиральность – это проекция спина частицы на ее импульс. А если у частицы ненулевая масса, то она всегда движется медленнее, чем со скоростью света, и поэтому частицу всегда можно «обогнать», то есть перейти в систему отсчета, движущуюся в том же направлении, только с большей скоростью. А в такой системе отсчета импульс частицы будет иметь уже противоположное направление, а вместе с ним изменит знак и спиральность. Но если сила взаимодействия, характеризуемая условным «зарядом», зависит от системы отсчета, – то это значит, что такой инвариантный заряд просто нельзя определить. Вернее, нельзя так определить, чтоб он сохранялся. А тогда рушится вся эта красивая схема с выводом всех уравнений из единого принципа. Потому что соблюдение калибровочной инвариантности и существование соответствующего сохраняющегося заряда – это с математической точки зрения одно и то же. Теорема Нетер. Можно бы конечно уравнения и не выводить, а просто их постулировать как есть, на предсказательной силе это не отражается. Но обидно. Страдает чувство, что мы было ухватили в природе какую-то важную закономерность.

Гипотеза спонтанного нарушения симметрии рисует нам иную картину. В этой картине есть место миру исходно ненарушенной симметрии, где уравнения все калибровочно-инвариантны, масс у частиц нет, понятие спиральности определено однозначно и заряды сохраняются. Ничто не мешает вывести уравнения Янга-Миллса из калибровочного принципа. И потом спуститься в мир дольний. Частицы тогда приобретут массу, а вместе с тем перестанет сохраняться и слабый заряд. Но теперь нам это не страшно, потому что механизм Хиггса ясно указывает, откуда недостающий заряд берется и куда девается лишний. Ответ: сливается в вакуум. В вакуум, где его неиссякаемые запасы аккумулированы в Хиггсовом конденсате. То есть слабый заряд все-таки есть, но какое ж может быть сохранение, если система не замкнута? Мы постоянно обмениваемся слабым зарядом с вакуумом. Так опять соединяются несоединимые вещи – заряд как синоним закона сохранения есть, а самого-то сохранения и нет. Математика!

Для полноты удовольствия осталось навести ясность со степенями свободы.

Мы знаем, что у систем с равным единице спином имеется три квантовых состояния. Кому-то припомнятся триплетные уровни в атомной физике, а в нашем случае речь пойдет о поляризации векторных частиц, каковыми являются все калибровочные бозоны. Если частица массивная, то состояний поляризации у нее три (два поперечных и одно продольное), а если безмассовая, подобно фотону, то только два, поперечных. Давайте теперь вспомним про поперечную поляризацию фотонов, нам еще в школе про нее говорили. Теперь самое время начинать волноваться, потому что в мире ненарушенной симметрии у безмассовых прародителей W ± и Z 0 бозонов было по два состояния поляризации, а у массивных стало по три.

Откуда взялись эти лишние степени свободы? А вот откуда: в мире ненарушенной симметрии у Хиггсова поля была не одна степень свободы, а четыре. Я говорил уже, что поле Хиггса принимает комплексные значения (а каждое комплексное число эквивалентно двум действительным) и что оно обладает слабым спином (который в своем слабом изотопическом пространстве может быть направлен «вверх» или «вниз»). И не случайно я назвал сейчас безмассовые поля в мире ненарушенной симметрии прародителями калибровочных бозонов, а не самими бозонами, потому что они превратились в известные нам фотон, W + , W – и Z 0 бозоны не прямо, а образовав друг с другом некоторую квантовую суперпозицию. В этой квантовой суперпозиции поучаствовали и поля Хиггса. И в результате три из четырех Хиггсовых полей сменили прописку и устроились «на работу» третьими (продольными) компонентами в поляризации массивных бозонов. Только одно поле осталось под своим прежним именем, и его-то мы и открыли в ЦЕРНе. Перераспределение степеней свободы составляет один из существенных узлов общей теории электрослабых взаимодействий.

Идейный прорыв? – да; он состоит в догадке, что исходные законы по замыслу Божьему совершенны и симметричны (и тем обеспечивают нам и перенормируемость и сохранение зарядов), а видимая нами в мире дольнем «кособокость» законов только кажущаяся, она есть результат кособокого устройства вакуума, ставшего таковым из-за вмешательства бозона Хиггса. Вот мы и нашли виноватого. И отчего бы бозону Хиггса не называться поэтому частицей дьявола? Но в божественном совершенном мире есть ли место для человека?

Чтобы найти ответ на это, следует поговорить о двух других, детских, вопросах.

Что было бы, если бы...

А что бы было, если бы вовсе не было в природе слабых взаимодействий? Мы это как-нибудь невооруженным глазом заметили бы?

Да, заметили бы! Тогда бы Солнце не светило. Потому что два протона, столкнувшись, не могли бы превратиться в ядро дейтерия – а это первый шаг в цепочке реакций, превращающих водород в гелий и служащих главным источником солнечной энергии.

А что бы было, если бы слабые калибровочные бозоны были безмассовыми?

Тогда, вероятнее всего, Солнце имело бы другие размеры; вероятно, оно было бы больше, чем нынешняя орбита Земли и даже чем орбита любой из планет. Размер всякой звезды определяется равновесием между силами тяготения, зависящими от массы звезды, и тепловым давлением, зависящим от интенсивности энерговыделения в ядерных реакциях. С безмассовыми W бозонами превращение водорода в гелий происходило бы намного легче и быстрее (во многие триллионы раз), и тепловое давление не позволило бы Солнцу сжаться до его нынешних размеров.

В обоих случаях жизнь в известной нам форме была бы невозможна.

– Сергей Павлович, позвольте задать Вам еще один детский вопрос: а насколько открытие бозона Хиггса «тянет» на великое? Или, более серьезно, это открытие привнесет что-либо новое в уже существующую картину мира?

Существует мнение, и я его разделяю, что Нобелевскую премию давать было и необязательно. Ну в самом деле – кому? Механизм Хиггса известен в физике твердого тела уже достаточно давно, с 1965 года, так что в нем самом как таковом большой новизны пожалуй нет. Принципиальная новизна была тогда, когда удалось приспособить его к нуждам физики элементарных частиц и построить с его помощью общую теорию электрослабых взаимодействий. Но теоретики Шелдон Глэшоу, Стивен Вайнберг и Абдус Салам свою Нобелевскую премию за эту теорию уже получили в 1979 году, как и с большой отсрочкой Ётиро Намбу в 2008 году за механизм спонтанного нарушения симметрии в физике элементарных частиц.

Экспериментальная проверка теории требовала открытия предсказанных ею W и Z бозонов – квантов-переносчиков слабых взаимодействий, и экспериментаторы Карло Руббиа и Ван дер Мер свою Нобелевскую премию за их открытие уже тоже получили в 1984 году. Учитывая, что коллаборации насчитывали по несколько сотен соавторов, заслуга была сформулирована как «решающий вклад в большой проект».

Над открытием бозона Хиггса трудились две коллаборации уже по три с лишним тысячи человек в каждой, CMS и ATLAS. Кому давать премию? Опять руководителям? Но в коллаборациях действует принцип ротации – руководители каждые два года меняются, – а сами коллаборации существуют уже лет по 20, и можно сказать, только случай застал нынешних руководителей на посту, когда случилось открытие. Вернее – когда набралась статистика, достаточная для осторожных выводов.

Но с другой стороны, и не давать премию тоже было нельзя. LHC, по большому счету, строился именно ради бозона Хиггса. Бозоном Хиггса оправдывались перед финансовыми организациями.

Пожалуй, можно не сомневаться, что новая частица открыта и что открыта именно та частица, которая была нужна Стандартной модели. Но остается вопрос, а закончились ли открытия? Это была последняя из еще неоткрытых частиц или только самая легкая из нового семейства? Часть проблем старой теории триумфально разрешилась, но многое осталось необъясненным, в том числе осталась проблема иерархии масс частиц и проблема радиационных поправок к массе самого бозона Хиггса. Для их объяснения естественнее предположить существование каких-то новых объектов на масштабе порядка ТэВ; в противном случае придется предполагать случайную точную подстройку параметров.

Я скорее соглашусь с Рубаковым В.А., считающим, что мы вступаем в новую эру и что наш бозон – только кончик ниточки. Да ведь и в мире обычных частиц открытия посыпались градом: впервые, и притом сразу во множестве, обнаружились новые типы мезонов, выходящие за рамки классической схемы кварк-антикварк. Нет-нет, я – за кончик ниточки!

– На Ваш взгляд, упреки в адрес современных науки и ученых – наука-де деградирует, нет по-настоящему великих ученых – справедливы? Или же все совсем по другому?

Кадр из к/ф Весна (Мосфильм, 1947 г.).
Герой Р. Плятта объясняет специфику работы ученых:
«Как они работают? Вот так сел, задумался… Открыл!
Самое главное – задуматься… Вот так. И полный порядок!»

Ученый – парадоксальная профессия, его удел – делать то, чего никто не умеет, в том числе и он сам, потому что когда решение найдено, задача переходит из разряда научных в разряд инженерных, и ею тогда занимаются другие люди, а ученый снова остается один на один с неизвестностью.

С наукой все обстоит несколько иначе, чем представляется обычному наблюдателю. Особенно это касается фундаментальной науки, от которой есть как прямой эффект, так и косвенный. Большинство современных технических новинок и «удобств цивилизации», по сути дела – побочный продукт фундаментальной науки. Например, тот же Интернет, без которого не мыслится сегодняшний день. Использование открытий «по прямому назначению» тоже случается, но не всегда и не быстро. Наука сродни экспедиции, которую мы снаряжаем, не зная, что нас ждет: горы, равнины, пустыни, болота… И мы, по сути дела, пускаемся в путь вслепую, на помощь нам приходят только накопленные знания и опыт (если они есть в этой области) и интуиция ученого.

Жизнь устроена так, что мы ставим перед собой совершенно «игрушечные», казалось бы, никому не нужные задачи. Ищем этот не понятный бозон Хиггса, проверяем на «прочность» Стандартную модель, пытаемся смоделировать рождение Вселенной. Но под предлогом этих искусственных для далекого от науки человека задач мы развиваем самые передовые технологии, которые потом входят в нашу жизнь и меняют ее в корне.

После ньютоновской теории в течение 200 лет почти ничего не менялось. И это было время накопления знаний, проверки, что и насколько укладывается в рамки этой физики. А потом появились проблемы, которые не смогли в нее вписаться: определение скорости света, объяснение спектра излучения твердого тела (в результате «выскочила» константа Планка) и многое другое. Мы стали интересоваться хаосом, вдруг осознав, что ньютоновская механика скорее исключение, чем правило жизни. Стали развиваться квантовая механика, общая и специальная теории относительности. Кстати говоря, один весьма игрушечный вопрос – «Почему ночью темно?» (т.н. фотометрический парадокс Ольберса – Прим. редакции ) – привел к развитию целого астрофизического направления. И окончательно разрешен этот вопрос был лишь в XX веке: порядка ста лет искали ответ!

Думаю, и сейчас мы находимся на стадии осмысления, накопления опыта по уже полученным знаниям и открытиям. В, частности, возвращаясь к бозону Хиггса, здесь одна из задач – подтверждение Стандартной модели, поиск того, что может быть за ее рамками. И в какой-то момент этого процесса познания появится еще один детский вопрос, который даст импульс новой физике, которая сейчас не видна.

Беседовала Е. Любченко , АНИ «ФИАН-информ»

___________________________________________

Ледерман Леон Макс – американский физик, лауреат Нобелевской премии по физике 1988 года за открытие мюонного нейтрино («For the neutrino beam method and the demonstration of the doublet structure of the leptons through the discovery of the muon neutrino»).

Рубаков Валерий Анатольевич – российский физик-теоретик, один из ведущих мировых ученых в области квантовой теории поля, физики элементарных частиц и космологии, академик РАН, доктор физико-математических наук. В настоящее время занимает должность заместителя директора Института ядерных исследований (ИЯИ) РАН.

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

Бозон Хиггса был последней частицей открытой в Стандартной Модели. Это критический компонент теории. Его открытие помогло подтвердить механизм того, как фундаментальные частицы приобретают массу. Эти фундаментальные частицы в Стандартной Модели являются кварками, лептонами и частицами-переносчиками силы.

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).

Помните, что согласно E=mc 2 , чем больше масса частицы, тем больше энергии надо для ее создания.

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?

Оказывается, масса протона возникает за счет кинетической энергии составляющих его кварков. Как вы, конечно же, знаете, масса и энергия связаны равенством E=mc 2 .

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.

Академик Валерий Рубаков, Институт ядерных исследований РАН и Московский государственный университет.

Четвёртого июля 2012 года произошло событие, имеющее выдающееся значение для физики: на семинаре в ЦЕРНе (Европейском центре ядерных исследований) было объявлено об открытии новой частицы, которая, как осторожно заявляют авторы открытия, по своим свойствам соответствует теоретически предсказанному элементарному бозону Стандартной модели физики элементарных частиц. Его обычно называют бозоном Хиггса, хотя это название не вполне адекватно. Как бы то ни было, речь идёт об открытии одного из главных объектов фундаментальной физики, не имеющего аналогов среди известных элементарных частиц и занимающего уникальное место в физической картине мира (см. «Наука и жизнь» № 1, 1996 г., статья «Бозон Хиггса необходим!»).

Детектор LHC-B предназначен для изучения свойств В-мезонов - адронов, содержащих b-кварк. Эти частицы быстро распадаются, успев отлететь от пучка частиц лишь на доли миллиметра. Фото: Maximilien Brice, CERN.

Элементарные частицы Стандартной модели. Почти все они имеют свои античастицы, которые обозначают символом с тильдой сверху.

Взаимодействия в микромире. Электромагнитное взаимодействие происходит за счёт излучения и поглощения фотонов (а). Слабые взаимодействия имеют сходную природу: они обусловлены излучением, поглощением или распадом Z-бозонов (б) или W-бозонов (в).

Бозон Хиггса Н (спин 0) распадается на два фотона (спин 1), спины которых антипараллельны и в сумме дают 0.

При излучении фотона или испускании Z-бозона быстрым электроном проекция его спина на направление движения не меняется. Круглой стрелкой показано внутреннее вращение электрона.

В однородном магнитном поле электрон движется по прямой вдоль поля и по спирали в любом другом направлении.

Фотон большой длины волны и, значит, низкой энергии не способен разрешить структуру π-мезона - пары кварк-антикварк.

Частицы, ускоренные в Большом адронном коллайдере до огромных энергий, сталкиваются, порождая множество вторичных частиц - продуктов реакции. Среди них был обнаружен и бозон Хиггса, который физики надеялись отыскать без малого полвека.

Английский физик Питер В. Хиггс в начале 1960-х годов доказал, что в Стандартной модели элементарных частиц должен быть ещё один бозон - квант поля, которое создаёт массу у материи.

Что было на семинаре и до него

Объявление о семинаре было сделано в конце июня, и сразу стало ясно, что будет он неординарным. Дело в том, что первые указания на существование нового бозона получили ещё в декабре 2011 года в экспериментах ATLAS и CMS, проводимых на Большом адронном коллайдере (LHC — Large Hadron Collider) в ЦЕРНе. Кроме того, незадолго до семинара появилось сообщение, что данные экспериментов на протон-антипротонном коллайдере Tevatron (Fermilab, США) также указывают на существование нового бозона. Всего этого было ещё недостаточно, чтобы говорить об открытии. Но с декабря количество данных, набранных на LHC, удвоилось и методы их обработки стали совершеннее. Результат оказался впечатляющим: в каждом из экспериментов ATLAS и CMS по отдельности статистическая достоверность сигнала достигла величины, которая в физике элементарных частиц считается уровнем открытия (пять стандартных отклонений).

Семинар прошёл в праздничной атмосфере. Помимо исследователей, работающих в ЦЕРНе, и студентов, занимающихся там по летним программам, его «посетили» с помощью интернета участники крупнейшей конференции по физике высоких энергий, которая как раз в этот же день открылась в Мельбурне. Семинар транслировали по интернету в научные центры и университеты всего мира, включая, конечно, Россию. После впечатляющих выступлений руководителей коллабораций CMS — Джо Инкандела и ATLAS — Фабиолы Джанотти генеральный директор ЦЕРНа Рольф Хойер заключил: «I think we have it!» («Думаю, он у нас в руках!»).

Так что же такое «у нас в руках» и зачем его придумали теоретики?

Что представляет собой новая частица

Минимальная версия теории микромира носит неуклюжее название Стандартной модели. Она включает все известные элементарные частицы (мы их перечислим ниже) и все известные взаимодействия между ними. Гравитационное взаимодействие стоит особняком: оно не зависит от типов элементарных частиц, а описывается общей теорией относительности Эйнштейна. Бозон Хиггса оставался единственным не открытым до последнего времени элементом Стандартной модели.

Мы назвали Стандартную модель минимальной именно потому, что других элементарных частиц в ней нет. В частности, в ней имеется один, и только один, бозон Хиггса, и он — частица элементарная, а не составная (о других возможностях речь пойдёт ниже). Большинство аспектов Стандартной модели — за исключением нового сектора, к которому принадлежит бозон Хиггса, — проверены в многочисленных экспериментах, и главная задача в программе работ LHC — выяснить, действительно ли в природе реализуется минимальный вариант теории и насколько полно она описывает микромир .

В ходе выполнения этой программы и была открыта новая частица, довольно тяжёлая по меркам физики микромира. В этой области науки массу измеряют в единицах энергии, имея в виду связь Е = mс 2 между массой и энергией покоя. Единицей энергии служит электронвольт (эВ) — энергия, которую приобретает электрон, пройдя разность потенциалов 1 вольт, и его производные — МэВ (миллион, 10 6 эВ), ГэВ (миллиард, 10 9 эВ), ТэВ (триллион, 10 12 эВ). Масса электрона в этих единицах равна 0,5 МэВ, протона — примерно 1 ГэВ, самой тяжёлой известной элементарной частицы, t-кварка, — 173 ГэВ. Так вот, масса новой частицы составляет 125—126 ГэВ (неопределённость связана с погрешностью измерений). Назовём эту новую частицу Н.

Она не имеет электрического заряда, нестабильна и может распадаться по-разному. На Большом адронном коллайдере ЦЕРНа её открыли, изучая распады на два фотона, H → γγ и на две пары электрон-позитрон и/или мюон-антимюон, H → е + е - е + е - , H → е + е - μ + μ - , H → μ + μ - μ + μ-. Второй тип процессов записывают как H → 4ℓ, где ℓ обозначает одну из частиц е + , е - , μ + или μ - (их называют лептонами). И CMS, и ATLAS сообщают также о некотором избытке событий, который можно объяснить распадами H → 2ℓ2ν, где ν — нейтрино. Этот избыток, впрочем, пока не имеет высокой статистической достоверности.

Вообще всё, что сейчас известно о новой частице, согласуется с её интерпретацией как бозона Хиггса, предсказанного простейшей версией теории элементарных частиц — Стандартной моделью. В рамках Стандартной модели можно вычислить как вероятность рождения бозона Хиггса в протон-протонных столкновениях на Большом адронном коллайдере, так и вероятности его распадов и тем самым предсказать число ожидаемых событий. Предсказания хорошо подтверждаются экспериментами, но, конечно, в пределах погрешностей. Экспериментальные погрешности ещё велики, да и измеренных величин пока совсем немного. Тем не менее трудно сомневаться, что открыт именно бозон Хиггса или что-то очень похожее на него, особенно если учесть, что указанные распады должны быть очень редкими: на два фотона распадаются 2 из 1000 бозонов Хиггса, а на 4ℓ — 1 из 10 000.

Более чем в половине случаев бозон Хиггса должен распадаться на пару b-кварк — b-антикварк: Н → bb̃ . Рождение пары bb̃ в протон-протонных (и протон-антипротонных) столкновениях — явление очень частое и без всякого бозона Хиггса, и выделить сигнал от него из этого «шума» (физики говорят — фона) в экспериментах на LHC пока не удалось. Это отчасти получилось на коллайдере Tevatron, и, хотя статистическая достоверность там заметно ниже, эти данные также согласуются с предсказаниями Стандартной модели.

Все элементарные частицы обладают спином — внутренним угловым моментом. Спин частицы может быть целым (включая нуль) или полуцелым в единицах постоянной Планка ћ. Частицы с целым спином называются бозонами, с полуцелым — фермионами. Спин электрона равен 1/2 , спин фотона — 1. Из анализа продуктов распада новой частицы следует, что её спин целый, то есть это бозон. Из сохранения углового момента в распаде частицы на пару фотонов Н → γγ следует: спин каждого фотона целый; целым всегда остаётся и полный угловой момент у конечного состояния (пары фотонов). Значит, и у начального состояния он тоже целый.

Кроме того, он не равен единице: частица спина 1 не может распадаться на два фотона со спином 1. Остаётся спин 0; 2 или больше. Хотя спин новой частицы ещё не измерен, крайне маловероятно, что мы имеем дело с частицей спина 2 или больше. Почти наверняка спин Н равен нулю, и, как мы увидим, именно таким должен быть бозон Хиггса.

Заканчивая описание известных свойств новой частицы, скажем, что живёт она по меркам физики микромира довольно долго. На основе экспериментальных данных оценка снизу её времени жизни даёт Т H > 10 -24 с, что не противоречит предсказанию Стандартной модели: Т H = 1,6·10 -22 с. Для сравнения: время жизни t-кварка Т t = 3·10 -25 с. Отметим, что прямое измерение времени жизни новой частицы на LHC вряд ли возможно.

Зачем ещё один бозон?

В квантовой физике каждая элементарная частица служит квантом некоторого поля, и наоборот: каждому полю соответствует своя частица-квант; наиболее известный пример — электромагнитное поле и его квант, фотон. Поэтому вопрос, поставленный в заглавии, можно переформулировать так:

Зачем нужно новое поле и каковы его ожидаемые свойства?

Краткий ответ состоит в том, что симметрии теории микромира — будь то Стандартная модель или какая-то более сложная теория — запрещают элементарным частицам иметь массу, а новое поле нарушает эти симметрии и обеспечивает существование масс частиц. В Стандартной модели — простейшем варианте теории (но только в ней!) — все свойства нового поля и соответственно нового бозона, за исключением его массы, однозначно предсказываются опять-таки на основе соображений симметрии. Как мы говорили, имеющиеся экспериментальные данные согласуются именно с простейшим вариантом теории, однако эти данные пока довольно скудны, и предстоит длительная работа по выяснению того, как именно устроен новый сектор физики элементарных частиц.

Рассмотрим, хотя бы в общих чертах, роль симметрии в физике микромира.

Симметрии, законы сохранения и запреты

Общим свойством физических теорий, будь то ньютоновская механика, механика специальной теории относительности, квантовая механика или теория микромира, является то, что каждой симметрии соответствует свой закон сохранения. Например, симметрии относительно сдвигов во времени (то есть тому обстоятельству, что законы физики одинаковы в каждый момент времени) соответствует закон сохранения энергии, симметрии относительно сдвигов в пространстве — закон сохранения импульса, а симметрии относительно поворотов в нём (все направления в пространстве равноправны) — закон сохранения углового момента. Законы сохранения можно интерпретировать и как запреты: перечисленные симметрии запрещают изменение энергии, импульса и углового момента замкнутой системы при её эволюции.

И наоборот: каждому закону сохранения соответствует своя симметрия; это утверждение абсолютно точно и в квантовой теории. Спрашивается: какая же симметрия соответствует закону сохранения электрического заряда? Ясно, что симметрии пространства и времени, о которых мы только что упомянули, здесь ни при чём. Тем не менее помимо очевидных, пространственно-временны´х симметрий существуют неочевидные, «внутренние» симметрии. Одна из них и приводит к сохранению электрического заряда. Для нас важно, что эта же внутренняя симметрия (только понимаемая в расширенном смысле — физики употребляют термин «калибровочная инвариантность») объясняет, почему у фотона нет массы. Отсутствие массы у фотона, в свою очередь, тесно связано с тем, что у света есть поляризация только двух типов — левая и правая.

Чтобы пояснить связь между наличием только двух типов поляризации света и отсутствием массы у фотона, отвлечёмся на время от разговора о симметриях и снова напомним, что элементарные частицы характеризуются спином, полуцелым или целым в единицах постоянной Планка ћ. Элементарные фермионы (частицы полуцелого спина) имеют спин 1/2. Это электрон е, электронное нейтрино ν e , тяжёлые аналоги электрона — мюон μ и тау-лептон τ, их нейтрино ν μ и ν τ , кварки шести типов u, d, с, s, t, b и соответствующие всем им античастицы (позитрон е + , электронное антинейтрино ν̃ е, антикварк ũ и т.д.). Кварки u и d — лёгкие, и из них состоят протон (кварковый состав uud) и нейтрон (udd). Остальные кварки (c, t, s, b) более тяжёлые; они входят в состав короткоживущих частиц, например, К-мезонов.

К бозонам, частицам целого спина, относятся не только фотон, но и его отдалённые аналоги — глюоны (спин 1). Глюоны отвечают за взаимодействия между кварками и связывают их в протон, нейтрон и другие составные частицы. Кроме того, есть ещё три частицы спина 1 — электрически заряженные W + , W - -бозоны и нейтральный Z-бозон, речь о которых впереди. Ну а бозон Хиггса, как уже говорилось, должен иметь нулевой спин. Теперь мы перечислили все элементарные частицы, имеющиеся в Стандартной модели.

Массивная частица спина s (в единицах ћ) имеет 2s + 1 состояний с разными проекциями спина на заданную ось (спин — внутренний угловой момент — вектор, так что понятие о его проекции на заданную ось имеет обычный смысл). Например, спин электрона (s = 1/2) в его системе покоя может быть направлен, допустим, вверх (s 3 = +1/2) или вниз (s 3 = -1/2). Бозон Z обладает ненулевой массой и спином s = 1, поэтому состояний с разными проекциями спина у него три: s 3 = +1, 0 или -1. Совершенно иначе обстоит дело с безмассовыми частицами. Поскольку они летают со скоростью света, перейти в систему отсчёта, где такая частица покоится, нельзя. Тем не менее можно говорить о её спиральности — проекции спина на направление движения. Так вот, хотя спин фотона равен единице, таких проекций только две — по направлению движения и против него. Это и есть правая и левая поляризации света (фотонов). Третье состояние с нулевой проекцией спина, которое обязано было бы существовать, будь у фотона масса, запрещено глубокой внутренней симметрией электродинамики, той самой симметрией, что приводит к сохранению электрического заряда. Таким образом, эта внутренняя симметрия запрещает и существование массы у фотона!

Что-то не так

Интерес для нас представляют, однако, не фотоны, a W ± - и Z-бозоны. Эти частицы, открытые в 1983 году на протон-антипротонном коллайдере Spp̃S в ЦЕРНе и задолго до этого предсказанные теоретиками, обладают довольно большой массой: W ± -бозоны имеют массу 80 ГэВ (примерно в 80 раз тяжелее протона), а Z-бозон — 91 ГэВ. Свойства W ± - и Z-бозонов хорошо известны в основном благодаря экспериментам на электрон-позитронных коллайдерах LEP (ЦЕРН) и SLC (SLAC, США) и протон-антипротонном коллайдере Tevatron (Fermilab, США): точность измерений целого ряда величин, относящихся к W ± - и Z-бозонам, лучше 0,1%. Их свойства, и других частиц тоже, прекрасно описывает Стандартная модель. Это относится и к взаимодействиям W ± - и Z-бозонов с электронами, нейтрино, кварками и другими частицами. Такие взаимодействия, кстати, называют слабыми. Они детально изучены; один из давно известных примеров их проявления — бета-распады мюона, нейтрона и ядер.

Как уже говорилось, каждый из W ± - и Z-бозонов может находиться в трёх спиновых состояниях, а не в двух, как фотон. Однако они взаимодействуют с фермионами (нейтрино, кварками, электронами и т.д.) в принципе так же, как фотоны. Например, фотон взаимодействует с электрическим зарядом электрона и электрическим током, создаваемым движущимся электроном. Точно так же Z-бозон взаимодействует с неким зарядом электрона и током, возникающим при движении электрона, только эти заряд и ток имеют неэлектрическую природу. С точностью до важной особенности, о которой пойдёт вскоре речь, аналогия будет полной, если помимо электрического заряда электрону приписать ещё и Z-заряд. Своими Z-зарядами обладают и кварки, и нейтрино.

Аналогия с электродинамикой простирается ещё дальше. Как и теория фотона, теория W ± - и Z-бозонов обладает глубокой внутренней симметрией, близкой к той, которая приводит к закону сохранения электрического заряда. В полной аналогии с фотоном она запрещает W ± - и Z-бозонам иметь третью поляризацию, а стало быть, и массу. Вот тут и получается нестыковка: симметрийный запрет на массу частицы спина 1 для фотона работает, а для W ± - и Z-бозонов нет!

Дальше — больше. Слабые взаимодействия электронов, нейтрино, кварков и других частиц с W ± - и Z-бозонами происходят так, как если бы эти фермионы не имели массы! Число поляризаций здесь ни при чём: и у массивных, и у безмассовых фермионов поляризаций (направлений спина) две. Дело в том, как именно взаимодействуют фермионы с W ± - и Z-бозонами.

Чтобы пояснить суть проблемы, выключим сначала массу электрона (в теории такое позволено) и рассмотрим воображаемый мир, в котором масса электрона равна нулю. В таком мире электрон летает со скоростью света и может иметь спин, направленный либо по направлению движения, либо против него. Как и для фотона, в первом случае имеет смысл говорить об электроне с правой поляризацией, или, короче, о правом электроне, во втором — о левом.

Поскольку мы хорошо знаем, как устроены электромагнитные и слабые взаимодействия (а только в них электрон и участвует), мы вполне способны описать свойства электрона в нашем воображаемом мире. А они таковы.

Во-первых, в этом мире правый и левый электроны — две совершенно разные частицы: правый электрон никогда не превращается в левый и наоборот. Это запрещено законом сохранения углового момента (в данном случае спина), а взаимодействия электрона с фотоном и Z-бозоном не меняют его поляризацию. Во-вторых, взаимодействие электрона с W-бозоном испытывает только левый электрон, а правый в нём вообще не участвует. Третья важная особенность, о которой мы обмолвились ранее, в этой картине та, что Z-заряды левого и правого электрона различны, и левый электрон взаимодействует с Z-бозоном сильнее, чем правый. Аналогичные свойства имеются и у мюона, и у тау-лептона, и у кварков.

Подчеркнём, что в воображаемом мире с безмассовыми фермионами нет никаких проблем с тем, что левые и правые электроны взаимодействуют с W- и Z-бозонами по-разному и, в частности, что «левый» и «правый» Z-заряды различны. В этом мире левые и правые электроны — частицы разные, и дело с концом: нас же не удивляет, например, что электрон и нейтрино имеют разные электрические заряды: -1 и 0.

Включив массу электрона, мы немедленно придём к противоречию. Быстрый электрон, скорость которого близка к скорости света, а спин направлен против направления движения, выглядит почти так же, как левый электрон из нашего воображаемого мира. И взаимодействовать он должен почти так же . Если его взаимодействие связано с Z-зарядом, то значение Z-заряда у него «левое», такое же, как у левого электрона из воображаемого мира. Однако скорость массивного электрона всё-таки меньше скорости света, и всегда можно перейти в систему отсчёта, движущуюся ещё быстрее. В новой системе направление движения электрона изменится на противоположное, а направление спина останется прежним.

Проекция спина на направление движения будет теперь положительной, и такой электрон станет выглядеть как правый, а не левый . Соответственно и его Z-заряд должен быть таким же, как у правого электрона из воображаемого мира. Но такого не может быть: значение заряда не должно зависеть от системы отсчета. Противоречие налицо. Подчеркнём, что мы пришли к нему, предполагая, что Z-заряд сохраняется; иначе о его значении для данной частицы и говорить не приходится.

Это противоречие показывает, что симметрии Стандартной модели (для определённости будем говорить о ней, хотя всё сказанное относится к любому другому варианту теории) должны были бы запрещать существование масс не только у W ± - и Z-бозонов, но и у фермионов. Но при чём тут симметрии?

При том, что они должны были бы приводить к сохранению Z-заряда. Измерив Z-заряд электрона, мы смогли бы однозначно сказать, левый этот электрон или правый. А это возможно только тогда, когда масса электрона равна нулю.

Таким образом, в мире, где все симметрии Стандартной модели реализовывались бы так же, как в электродинамике, все элементарные частицы имели бы нулевые массы. Но в реальном мире массы у них есть, а значит, с симметриями Стандартной модели что-то должно происходить.

Нарушение симметрии

Говоря о связи симметрии с законами сохранения и запретами, мы упустили из виду одно обстоятельство. Оно заключается в том, что законы сохранения и симметрийные запреты выполняются только тогда, когда симметрия присутствует явно. Однако симметрии могут быть и нарушенными. Например, в однородном образце железа при комнатной температуре может присутствовать магнитное поле, направленное в какую-то сторону; тогда образец представляет собой магнит. Если бы существовали микроскопические существа, живущие внутри него, они бы обнаружили, что не все направления пространства равноправны. На электрон, летящий поперёк магнитного поля, действует сила Лоренца со стороны магнитного поля, а на электрон, летящий вдоль него, сила не действует. Электрон вдоль магнитного поля движется по прямой, поперёк поля по окружности, а в общем случае — по спирали. Стало быть, магнитное поле внутри образца нарушает симметрию относительно вращений в пространстве. В связи с этим внутри магнита не выполняется и закон сохранения углового момента: при движении электрона по спирали проекция углового момента на ось, перпендикулярную магнитному полю, меняется со временем.

Здесь мы имеем дело со спонтанным нарушением симметрии. В отсутствие внешних воздействий (например, магнитного поля Земли) в разных образцах железа магнитное поле может быть направлено в разные стороны, и ни одно из этих направлений не предпочтительнее другого. Исходная симметрия относительно вращений по-прежнему имеется и проявляется она в том, что магнитное поле в образце может быть направлено куда угодно. Но раз уж магнитное поле возникло, появилось и выделенное направление, и симметрия внутри магнита оказалась нарушенной. На более формальном уровне уравнения, управляющие взаимодействием атомов железа между собой и с магнитным полем, симметричны относительно вращений в пространстве, но состояние системы этих атомов — образца железа — несимметрично. В этом и состоит явление спонтанного нарушения симметрии. Отметим, что мы здесь говорим о наиболее выгодном состоянии, имеющем наименьшую энергию; такое состояние называют основным. Именно в нём в конце концов окажется образец железа, даже если изначально он был ненамагниченным.

Итак, спонтанное нарушение некоторой симметрии имеет место тогда, когда уравнения теории симметричны, а основное состояние — нет. Слово «спонтанное» употребляют в этом случае в связи с тем, что система сама, без нашего участия, выбирает несимметричное состояние, поскольку именно оно энергетически наиболее выгодно. Из приведённого примера ясно, что если симметрия спонтанно нарушена, то вытекающие из неё законы сохранения и запреты не работают; в нашем примере это относится к сохранению углового момента. Подчеркнём, что полная симметрия теории может быть нарушена лишь частично: в нашем примере из полной симметрии относительно всех вращений в пространстве явной, ненарушенной остаётся симметрия относительно вращений вокруг направления магнитного поля.

Микроскопические существа, живущие внутри магнита, могли бы задать себе вопрос: «В нашем мире не все направления равноправны, угловой момент не сохраняется, но действительно ли пространство несимметрично относительно вращений?» Изучив движение электронов и построив соответствующую теорию (в данном случае электродинамику), они бы поняли, что ответ на этот вопрос отрицателен: её уравнения симметричны, но эта симметрия спонтанно нарушена за счёт «разлитого» повсюду магнитного поля. Развивая теорию дальше, они бы предсказали, что поле, отвечающее за спонтанное нарушение симметрии, должно иметь свои кванты, фотоны. И, построив внутри магнита маленький ускоритель, с радостью убедились бы, что эти кванты действительно существуют — они рождаются в столкновениях электронов!

В общих чертах ситуация в физике элементарных частиц похожа на описанную. Но есть и важные отличия. Во-первых, ни о какой среде наподобие кристаллической решётки атомов железа говорить не приходится. В природе состояние с наинизшей энергией — вакуум (по определению!). Это не означает, что в вакууме — основном состоянии природы — не может быть однородно «разлитых» полей, подобных магнитному полю в нашем примере. Наоборот, нестыковки, о которых мы говорили, свидетельствуют, что симметрии Стандартной модели (точнее, их часть) должны быть спонтанно нарушенными, а это предполагает, что в вакууме имеется какое-то поле, обеспечивающее это нарушение. Во-вторых, речь идёт не о пространственно-временных, как в нашем примере, а о внутренних симметриях. Пространственно-временные симметрии, наоборот, не должны нарушаться из-за присутствия поля в вакууме. Отсюда следует важный вывод: в отличие от магнитного, это поле не должно выделять никакого направления в пространстве (точнее, в пространстве-времени, поскольку мы имеем дело с релятивистской физикой). Поля с таким свойством называют скалярными; им соответствуют частицы спина 0. Стало быть, поле, «разлитое» в вакууме и приводящее к нарушению симметрии, должно быть доселе неизвестным, новым. Действительно, известным полям, о которых мы явно или неявно упоминали выше — электромагнитному полю, полям W ± - и Z-бозонов, глюонов, — соответствуют частицы спина 1. Такие поля выделяют направления в пространстве-времени и называются векторными, а нам требуется поле скалярное. Поля, соответствующие фермионам (спин 1/2), тоже не годятся. В-третьих, новое поле должно нарушать симметрии Стандартной модели не полностью, внутренняя симметрия электродинамики должна оставаться ненарушенной. Наконец, и это самое главное, взаимодействие нового поля, «разлитого» в вакууме, с W ± - и Z-бозонами, электронами и другими фермионами должно приводить к появлению масс у этих частиц.

Механизм генерации масс частиц со спином 1 (в природе это W ± - и Z-бозоны) за счёт спонтанного нарушения симметрии предложили в контексте физики элементарных частиц теоретики из Брюсселя Франсуа Энглер и Роберт Браут в 1964 году и чуть позже - физик из Эдинбурга Питер Хиггс .

Исследователи опирались на представление о спонтанном нарушении симметрии (но в теориях без векторных полей, то есть без частиц спина 1), которое ввели в 1960—1961 годах в своих работах Й. Намбу, он же совместно с Дж. Йона-Лазинио, В. Г. Вакс и А. И. Ларкин, Дж. Голдстоун (Йоичиро Намбу получил за эту работу Нобелевскую премию в 2008 году). В отличие от предыдущих авторов, Энглер, Браут и Хиггс рассмотрели теорию (в то время умозрительную), в которой присутствует как скалярное (спин 0), так и векторное поле (спин 1). В этой теории имеется внутренняя симметрия, вполне аналогичная той симметрии электродинамики, которая приводит к сохранению электрического заряда и к запрету массы фотона. Но в отличие от электродинамики внутренняя симметрия спонтанно нарушена однородным скалярным полем, имеющимся в вакууме. Замечательным результатом Энглера, Браута и Хиггса стала демонстрация того факта, что это нарушение симметрии автоматически влечёт за собой появление массы у частицы спина 1 — кванта векторного поля!

Довольно прямолинейное обобщение механизма Энглера — Браута — Хиггса, связанное с включением в теорию фермионов и их взаимодействия с нарушающим симметрию скалярным полем, приводит к появлению массы и у фермионов. Всё начинает становиться на свои места! Стандартная модель получается как дальнейшее обобщение. В ней теперь есть не одно, а несколько векторных полей — фотона, W ± - и Z-бозонов (глюоны — это отдельная история, они к механизму Энглера-Браута-Хиггса отношения не имеют) и разных типов фермионов. Последний шаг на самом деле весьма нетривиален; за формулировку полной теории слабых и электромагнитных взаимодействий Стивен Вайнберг, Шелдон Глэшоу и Абдус Салам получили в 1979 году Нобелевскую премию.

Вернёмся в 1964 год. Для анализа своей теории Энглер и Браут использовали довольно вычурный по сегодняшним меркам подход. Наверное, поэтому они не заметили, что наряду с массивной частицей спина 1 теория предсказывает существование ещё одной частицы — бозона со спином 0. А вот Хиггс заметил, и сейчас эту новую бесспиновую частицу часто называют бозоном Хиггса. Как уже отмечалось, такая терминология не вполне корректна: впервые предложили использовать скалярное поле для спонтанного нарушения симметрии и генерации масс частиц спина 1 всё же Энглер и Браут. Не вдаваясь больше в терминологию, подчеркнём, что новый бозон с нулевым спином служит квантом того самого скалярного поля, которое нарушает симметрию. И в этом его уникальность.

Здесь нужно сделать уточнение. Повторим, что если бы спонтанного нарушения симметрии не было, то W ± - и Z-бозоны были бы безмассовыми. Каждый из трёх бозонов W + , W - , Z имел бы, как фотон, две поляризации. Итого, считая частицы с разными поляризациями неодинаковыми, мы бы имели 2 × 3 = 6 типов W ± - и Z-бозонов. В Стандартной модели W ± - и Z-бозоны массивные, каждый из них имеет три спиновых состояния, то есть три поляризации, итого 3 × 3 = 9 типов частиц - квантов полей W ± , Z. Спрашивается, откуда взялись три «лишних» типа квантов? Дело в том, что Стандартной модели необходимо иметь не одно, а четыре скалярных поля Энглера — Браута — Хиггса. Квант одного из них — это бозон Хиггса. А кванты трёх других в результате спонтанного нарушения симметрии как раз и превращаются в три «лишних» кванта, имеющихся у массивных W ± - и Z-бозонов. Они давно найдены, коль скоро известно, что W ± - и Z-бозоны имеют массу: три «лишних» спиновых состояния W + -, W - и Z-бозонов — это они и есть.

Эта арифметика, кстати, согласуется с тем, что все четыре поля Энглера — Браута — Хиггса — скалярные, их кванты имеют нулевой спин. Безмассовые W ± - и Z-бозоны имели бы проекции спина на направление движения, равные -1 и +1. Для массивных W ± - и Z-бозонов эти проекции принимают значения -1, 0 и +1, то есть «лишние» кванты имеют нулевую проекцию. Три поля Энглера — Браута — Хиггса, из которых эти «лишние» кванты получаются, тоже имеют нулевую проекцию спина на направление движения просто потому, что их вектор спина равен нулю. Всё сходится.

Итак, бозон Хиггса — это квант одного из четырёх скалярных полей Энглера-Браута-Хиггса в Стандартной модели. Три других поедаются (научный термин!) W ± - и Z-бозонами, превращаясь в их третьи, недостающие спиновые состояния.

А так ли уж нужен новый бозон?

Самое удивительное в этой истории заключается в том, что сегодня мы понимаем: механизм Энглера — Браута — Хиггса — отнюдь не единственный возможный механизм нарушения симметрии в физике микромира и генерации масс элементарных частиц, а бозон Хиггса мог бы и не существовать. Например, в физике конденсированных сред (жидкостей, твёрдых тел) имеется множество примеров спонтанного нарушения симметрии и разнообразия механизмов этого нарушения. И в большинстве случаев ничего похожего на бозон Хиггса в них нет.

Ближайший твёрдотельный аналог спонтанного нарушения симметрии Стандартной модели в вакууме — спонтанное нарушение внутренней симметрии электродинамики в толще сверхпроводника. Оно приводит к тому, что в сверхпроводнике фотон в определённом смысле обладает массой (как W ± - и Z-бозоны в вакууме). Проявляется это в эффекте Мейсснера — выталкивании магнитного поля из сверхпроводника. Фотон «не хочет» проникать внутрь сверхпроводника, где он становится массивным: ему там «тяжело», энергетически невыгодно там находиться (вспомните: Е = mс 2). Магнитное поле, которое можно несколько условно считать набором фотонов, обладает тем же свойством: оно в сверхпроводник не проникает. Это и есть эффект Мейсснера.

Эффективная теория сверхпроводимости Гинзбурга — Ландау чрезвычайно похожа на теорию Энглера — Браута — Хиггса (точнее, наоборот: теория Гинзбурга — Ландау на 14 лет старше). В ней тоже есть скалярное поле, которое однородно «разлито» по сверхпроводнику и приводит к спонтанному нарушению симметрии. Однако теорию Гинзбурга — Ландау недаром называют эффективной: она ухватывает, образно говоря, внешнюю сторону явления, но совершенно неадекватна для понимания фундаментальных, микроскопических причин возникновения сверхпроводимости. Никакого скалярного поля в сверхпроводнике на самом деле нет, в нём есть электроны и кристаллическая решётка, а сверхпроводимость обусловлена особыми свойствами основного состояния системы электронов, возникающими благодаря взаимодействию между ними (см. «Наука и жизнь» № 2, 2004 г., статья « ». — Прим. ред.).

Не может ли подобная картина иметь место и в микромире? Не окажется ли так, что никакого фундаментального скалярного поля, «разлитого» в вакууме, нет, а спонтанное нарушение симметрии вызвано совершенно иными причинами? Если рассуждать чисто теоретически и не обращать внимания на экспериментальные факты, то ответ на этот вопрос утвердительный. Удачным примером служит так называемая модель техницвета, предложенная в 1979 году уже упоминавшимся Стивеном Вайнбергом и — независимо — Леонардом Сасскиндом.

В ней нет ни фундаментальных скалярных полей, ни бозона Хиггса, а вместо них — много новых элементарных частиц, по своим свойствам напоминающих кварки. Взаимодействие между ними и приводит к спонтанному нарушению симметрии и генерации масс W ± - и Z-бозонов. С массами известных фермионов, например электрона, дело обстоит хуже, но и эту проблему можно решить за счёт усложнения теории.

Внимательный читатель может задать вопрос: «А как же с аргументами предыдущей главки, говорящими, что нарушать симметрию должно именно скалярное поле?» Лазейка здесь в том, что это скалярное поле может быть составным, в том смысле, что соответствующие ему частицы-кванты не элементарны, но состоят из других, «истинно» элементарных частиц.

Вспомним в этой связи квантово-механическое соотношение неопределённостей Гайзенберга Δх ×Δр ≥ ћ, где Δх и Δр — неопределённости координаты и импульса соответственно. Одно из его проявлений состоит в том, что структура составных объектов с характерным внутренним размером Δх проявляется лишь в процессах с участием частиц с достаточно высокими импульсами р ≥ћ/Δх, а значит, с достаточно большими энергиями. Здесь уместно напомнить о Резерфорде, который бомбардировал атомы электронами высоких по тем временам энергий и таким образом выяснил, что атомы состоят из ядер и электронов. Разглядывая атомы в микроскоп даже с самой совершенной оптикой (то есть используя свет — фотоны низких энергий), обнаружить, что атомы составные, а не элементарные, точечные частицы, невозможно: не хватает разрешения.

Итак, при низких энергиях составная частица выглядит как элементарная. Для эффективного описания таких частиц при низких энергиях их вполне можно считать квантами некоторого поля. Если спин составной частицы равен нулю, то это поле скалярное.

Подобная ситуация реализуется, например, в физике π-мезонов, частиц со спином 0. До середины 1960-х годов не было известно, что они состоят из кварков и антикварков (кварковый состав π + -, π - - и π 0 -мезонов — это ud̃, dũ и комбинация из uũ и dd̃ соответственно).

Тогда π-мезоны описывались элементарными скалярными полями. Теперь мы знаем, что эти частицы составные, но «старая» полевая теория π-мезонов остаётся в силе, поскольку рассматриваются процессы при низких энергиях. Лишь при энергиях порядка 1 ГэВ и выше начинает проявляться их кварковая структура, и теория перестаёт работать. Энергетический масштаб 1 ГэВ здесь появился неслучайно: это масштаб сильных взаимодействий, связывающих кварки в π-мезоны, протоны, нейтроны и т.д., это масштаб масс сильновзаимодействующих частиц, например протона. Отметим, что сами π-мезоны стоят особняком: по причине, о которой мы не станем здесь говорить, они имеют гораздо меньшие массы: m π± = 140 МэВ, m π0 = 135 МэВ.

Итак, скалярные поля, ответственные за спонтанное нарушение симметрии, в принципе могут быть составными. Именно такую ситуацию предполагает модель техницвета. При этом три бесспиновых кванта, которые поедаются W ± - и Z-бозонами и становятся их недостающими спиновыми состояниями, имеют близкую аналогию с π + -, π - - и π 0 -мезонами. Только соответствующий энергетический масштаб уже не 1 ГэВ, а несколько ТэВ. В такой картине ожидается существование множества новых составных частиц — аналогов протона, нейтрона и т.д. — с массами порядка нескольких ТэВ. Сравнительно лёгкий бозон Хиггса в ней, наоборот, отсутствует. Ещё одна особенность модели в том, что W ± - и Z-бозоны в ней — частицы отчасти составные, поскольку, как мы сказали, некоторые их компоненты аналогичны π-мезонам. Это должно было бы проявляться во взаимодействиях W ± - и Z-бозонов.

Именно последнее обстоятельство привело к тому, что модель техницвета (по крайней мере, в её изначальной формулировке) была отвергнута задолго до обнаружения нового бозона: точные измерения свойств W ± - и Z-бозонов на LEP и SLC не согласуются с предсказаниями модели.

Эта красивая теория была разгромлена упрямыми экспериментальными фактами, а открытие бозона Хиггса поставило на ней окончательный крест. Тем не менее для меня, как и для ряда других теоретиков, идея о составных скалярных полях привлекательней теории Энглера — Браута — Хиггса с элементарными скалярными полями. Конечно, после открытия в ЦЕРНе нового бозона идея о составленности оказалась в ещё более трудном положении, чем раньше: если эта частица составная, она должна достаточно успешно мимикрировать под элементарный бозон Хиггса. И всё же поживём — увидим, что покажут эксперименты на LHC, в первую очередь более точные измерения свойств нового бозона.

Открытие сделано. Что дальше?

Вернёмся, в качестве рабочей гипотезы, к минимальной версии теории — Стандартной модели с одним элементарным бозоном Хиггса. Поскольку в этой теории именно поле (точнее, поля) Энглера — Браута — Хиггса даёт массы всем элементарным частицам, взаимодействие каждой из этих частиц с бозоном Хиггса жёстко фиксировано. Чем больше масса частицы, тем сильнее взаимодействие; чем сильнее взаимодействие, тем более вероятен распад бозона Хиггса на пару частиц данного сорта. Распады бозона Хиггса на пары реальных частиц tt̃ , ZZ и W+W- запрещены законом сохранения энергии. Он требует, чтобы сумма масс продуктов распада была меньше массы распадающейся частицы (опять вспоминаем Е = mс 2), а у нас, напомним, m н ≈ 125 ГэВ, m t = 173 ГэВ, m z = 91 ГэВ и m w = 80 ГэВ. Следующим по массе стоит b-кварк с m b = 4 ГэВ, и именно поэтому, как мы говорили, бозон Хиггса охотнее всего распадается на пару bb̃. Интересен и распад бозона Хиггса на пару довольно тяжелых τ-лептонов H → τ + τ - (m τ = 1,8 ГэВ), происходящий с вероятностью 6%. Распад H → μ + μ - (m µ = 106 МэВ) должен происходить с ещё меньшей, но всё же неисчезающей вероятностью 0,02%. Помимо обсуждавшихся выше распадов H → γγ; H → 4ℓ и H → 2ℓ2ν, отметим распад H → Zγ, вероятность которого должна составлять 0,15%. Все эти вероятности можно будет измерить на LHC, и любое отклонение от этих предсказаний будет означать, что наша рабочая гипотеза — Стандартная модель — неверна. И наоборот, согласие с предсказаниями Стандартной модели будет всё больше и больше убеждать нас в её справедливости.

То же можно сказать и о рождении бозона Хиггса в столкновениях протонов. Бозон Хиггса может рождаться в одиночку при взаимодействии двух глюонов, вместе с парой лёгких кварков высоких энергий, вместе с одним W- или Z-бозоном или, наконец, вместе с парой tt̃. Частицы, рождающиеся вместе с бозоном Хиггса, можно детектировать и отождествлять, поэтому разные механизмы рождения можно изучать на LHC по отдельности. Тем самым удаётся извлекать информацию о взаимодействии бозона Хиггса с W ± -, Z-бозонами и t-кварком.

Наконец, важное свойство бозона Хиггса — его взаимодействие с самим собой. Оно должно проявляться в процессе Н* → НН, где Н* — виртуальная частица. Cвойства этого взаимодействия тоже однозначно предсказывает Стандартная модель. Впрочем, его изучение — дело отдалённого будущего.

Итак, на LHC имеется обширная программа исследования взаимодействий нового бозона. В результате её выполнения станет более или менее ясно, описывает ли природу Стандартная модель или мы имеем дело с какой-то другой, более сложной (а возможно, и более простой) теорией. Дальнейшее продвижение связано с существенным повышением точности измерений; оно потребует строительства нового электрон-позитронного ускорителя — е + е - -коллайдера с рекордной для такого типа машин энергией. Очень может быть, что на этом пути нас поджидает масса сюрпризов.

Вместо заключения: в поисках «новой физики»

С «технической» точки зрения Стандартная модель внутренне непротиворечива. То есть в её рамках можно — хотя бы в принципе, а как правило, и на практике — вычислить любую физическую величину (разумеется, относящуюся к тем явлениям, которые она призвана описывать), и результат не будет содержать неопределённостей. Тем не менее многие, хотя и не все, теоретики считают положение дел в Стандартной модели, мягко говоря, не вполне удовлетворительным. И связано это в первую очередь с её энергетическим масштабом.

Как ясно из предыдущего, энергетический масштаб Стандартной модели имеет порядок M см = 100 ГэВ (мы здесь не говорим о сильных взаимодействиях с масштабом 1 ГэВ, с ним всё проще). Это — масштаб масс W ± - и Z-бозонов и бозона Хиггса. Много это или мало? С экспериментальной точки зрения — изрядно, а вот с теоретической...

В физике имеется ещё один масштаб энергий. Он связан с гравитацией и равен массе Планка M pl = 10 19 ГэВ. При низких энергиях гравитационные взаимодействия между частицами пренебрежимо малы, но они усиливаются с ростом энергии, и при энергиях порядка M pl гравитация становится сильной. Энергии выше M pl — это область квантовой гравитации, что бы она собой ни представляла. Для нас важно, что гравитация — пожалуй, самое фундаментальное взаимодействие и гравитационный масштаб M pl — самый фундаментальный масштаб энергий. Почему же тогда масштаб Стандартной модели Мсм = 100 ГэВ так далёк от M pl = 1019 ГэВ?

У обозначенной проблемы есть ещё один, более тонкий аспект. Он связан со свойствами физического вакуума. В квантовой теории вакуум — основное состояние природы — устроен весьма нетривиально. В нём всё время рождаются и уничтожаются виртуальные частицы; иными словами, образуются и исчезают флуктуации полей. Непосредственно наблюдать эти процессы мы не можем, но они оказывают влияние на наблюдаемые свойства элементарных частиц, атомов и т.д. Например, взаимодействие электрона в атоме с виртуальными электронами и фотонами приводит к наблюдаемому в атомных спектрах явлению — лэмбовскому сдвигу. Другой пример: поправка к магнитному моменту электрона или мюона (аномальный магнитный момент) тоже обусловлена взаимодействием с виртуальными частицами. Эти и подобные эффекты вычислены и измерены (в указанных случаях с фантастической точностью!), так что мы можем быть уверены, что имеем правильную картину физического вакуума.

В этой картине все параметры, изначально заложенные в теорию, получают поправки, называемые радиационными, за счет взаимодействия с виртуальными частицами. В квантовой электродинамике они малы, а вот в секторе Энглера — Браута — Хиггса они огромны. Такова особенность элементарных скалярных полей, составляющих этот сектор; у других полей этого свойства нет. Главный эффект здесь состоит в том, что радиационные поправки стремятся «подтянуть» энергетический масштаб Стандартной модели M см к гравитационному масштабу M pl . Если оставаться в рамках Стандартной модели, то единственный выход — подобрать изначальные параметры теории так, чтобы вместе с радиационными поправками они приводили к правильному значению M см. Однако выясняется, что точность подгонки должна составлять величину, близкую к M см 2 /M pl 2 = 10 -34 ! В этом и состоит второй аспект проблемы энергетического масштаба Стандартной модели: представляется неправдоподобным, что такая подгонка имеет место в природе.

Многие (хотя, повторим, не все) теоретики считают, что эта проблема однозначно свидетельствует о необходимости выхода за рамки Стандартной модели. Действительно, если Стандартная модель перестаёт работать или существенно расширяется на энергетическом масштабе «новой физики — НФ» M нф, то требуемая точность подгонки параметров составит, грубо говоря, М 2 см /М 2 нф, а на самом деле порядка на два меньше. Если считать, что тонкой подстройки параметров в природе нет, то масштаб «новой физики» должен лежать в области 1—2 ТэВ, то есть как раз в области, доступной для исследования на Большом адронном коллайдере!

Какой могла бы быть «новая физика»? Единства у теоретиков по этому поводу нет. Один вариант — составная природа скалярных полей, обеспечивающих спонтанное нарушение симметрии, о котором уже говорилось. Другая, тоже популярная (пока?) возможность — суперсимметрия, о которой скажем только, что она предсказывает целый зоопарк новых частиц с массами в области сотен ГэВ — нескольких ТэВ. Обсуждаются и весьма экзотические варианты вроде дополнительных измерений пространства (скажем, так называемая М-теория — см. «Наука и жизнь» №№ 2, 3, 1997 г., статья «Суперструны: на пути к теории всего». — Прим. ред.).

Несмотря на все усилия, до сих пор никаких экспериментальных указаний на «новую физику» не получено. Это, вообще-то, уже начинает внушать тревогу: а правильно ли мы всё понимаем? Вполне возможно, впрочем, что мы ещё не добрались до «новой физики» по энергии и по количеству набранных данных и что именно с ней будут связаны новые, революционные открытия. Основные надежды здесь возлагают опять-таки на Большой адронный коллайдер, который через полтора года начнёт работать на полную энергию 13—14 ТэВ и быстро набирать данные. Следите за новостями!

Машины точных измерений и открытий

Физика элементарных частиц, которая изучает самые крошечные объекты в природе, нуждается в гигантских исследовательских установках, где эти частицы ускоряются, сталкиваются, распадаются. Самые мощные из них - коллайдеры.

Коллайдер — это ускоритель со встречными пучками частиц, в котором частицы сталкиваются «лоб в лоб», например, электроны и позитроны в е + е - -коллайдерах. До настоящего времени были созданы также протон-антипротонные, протон-протонные, электрон-протонные и ядро-ядерные (или тяжелоионные) коллайдеры. Остальные возможности, например, μ + μ - -коллайдер, пока только обсуждаются. Основными коллайдерами для физики элементарных частиц служат протон-антипротонные, протон-протонные и электрон-позитронные.

Большой адронный коллайдер (LHC) — протон-протонный, он ускоряет два пучка протонов один навстречу другому (может также работать и как тяжелоионный коллайдер). Проектная энергия протонов в каждом из пучков составляет 7 ТэВ, так что полная энергия столкновения — 14 ТэВ. В 2011 году коллайдер работал на половине этой энергии, а в 2012 году — на полной энергии 8 ТэВ. Большой адронный коллайдер представляет собой кольцо длиной 27 км, в котором протоны ускоряют электрические поля, а удерживают поля, созданные сверхпроводящими магнитами. Столкновения протонов происходят в четырёх местах, где расположены детекторы, регистрирующие частицы, рождающиеся в столкновениях. ATLAS и CMS предназначены для исследований в области физики элементарных частиц высокой энергии; LHC-b — для изучения частиц, в составе которых имеются b-кварки, а ALICE — для исследований горячей и плотной кварк-глюонной материи.

Spp̃S — протон-антипротонный коллайдер в ЦЕРНе. Длина кольца 6,9 км, максимальная энергия столкновения 630 ГэВ. Работал с 1981 по 1990 год.

LEP — кольцевой электрон-позитронный коллайдер с максимальной энергией столкновения 209 ГэВ, расположенный в том же туннеле, что и LHC. Работал с 1989 по 2000 год.

SLC — линейный электрон-позитронный коллайдер в SLAC, США. Энергия столкновения 91 ГэВ (масса Z-бозона). Работал с 1989 по 1998 год.

Tevatron — кольцевой протон-антипротонный коллайдер в Fermilab, США. Длина кольца 6 км, максимальная энергия столкновения 2 ТэВ. Работал с 1987 по 2011 год.

Сравнивая протон-протонные и протон-антипротонные коллайдеры с электрон-позитронными, нужно иметь в виду, что протон — составная частица, он содержит в себе кварки и глюоны. Каждый из этих кварков и глюонов несёт лишь часть энергии протона. Поэтому в Большом адронном коллайдере, например, энергия элементарного столкновения (между двумя кварками, между двумя глюонами или кварка с глюоном) заметно ниже суммарной энергии сталкивающихся протонов (14 ТэВ при проектных параметрах). Из-за этого область энергий, доступных для изучения на нём, достигает «всего» 2—4 ТэВ, в зависимости от изучаемого процесса. Такой особенности у электрон-позитронных коллайдеров нет: электрон - элементарная, бесструктурная частица.

Преимущество протон-протонных (и протон-антипротонных) коллайдеров в том, что даже с учётом этой особенности достичь высоких энергий столкновений на них технически проще, чем на электрон-позитронных. Есть и минус. Из-за составной структуры протона, а также из-за того, что кварки и глюоны взаимодействуют между собой гораздо сильнее, чем электроны с позитронами, в столкновениях протонов происходит гораздо больше событий, не интересных с точки зрения поиска бозона Хиггса или других новых частиц и явлений. Интересные же события выглядят в протонных столкновениях более «грязными», в них рождается много «посторонних», неинтересных частиц. Всё это создаёт «шум», выделить из которого полезный сигнал сложнее, чем на электрон-позитронных коллайдерах. Соответственно ниже и точность измерений. Из-за всего этого протон-протонные (и протон-антипротонные) коллайдеры называют машинами открытий, а электрон-позитронные — машинами точных измерений.

Стандартное отклонение (среднеквадратичное отклонение) σ х - характеристика случайных отклонений измеренной величины от среднего значения. Вероятность того, что измеренное значение величины X случайным образом окажется отличающимся на 5σ х от истинного, составляет всего 0,00006%. Именно поэтому в физике элементарных частиц отклонение сигнала от фона на 5σ считают достаточным для признания сигнала истинным.

Частицы , перечисленные в Стандартной модели, кроме протона, электрона, нейтрино и их античастиц, нестабильны: они распадаются на другие частицы. Впрочем, два типа нейтрино из трёх тоже должны быть нестабильными, но их время жизни чрезвычайно велико. В физике микромира действует принцип: всё, что может происходить, действительно происходит. Поэтому стабильность частицы связана с каким-то законом сохранения. Электрону и позитрону запрещает распадаться закон сохранения заряда. Легчайшее нейтрино (спин 1/2) не распадается из-за сохранения углового момента. Распад протона запрещён законом сохранения ещё одного «заряда», который называют барионным числом (барионное число протона по определению равно 1, а более лёгких частиц — нулю).

С барионным числом связана ещё одна внутренняя симметрия. Точная она или приближённая, стабилен ли протон или имеет конечное, хотя и очень большое время жизни — предмет отдельного разговора.

Кварки — один из типов элементарных частиц. В свободном состоянии они не наблюдаются, а всегда связаны друг с другом и образуют составные частицы — адроны. Единственное исключение — t-кварк, он распадается, не успев объединиться с другими кварками или антикварками в адрон. К адронам относятся протон, нейтрон, π-мезоны, К-мезоны и др.

b-кварк — один из шести типов кварков, второй по массе после t-кварка.

Мюон — тяжёлый нестабильный аналог электрона с массой m μ = 106 МэВ. Время жизни мюона Т μ = 2·10 -6 секунды достаточно велико для того, чтобы он пролетал через весь детектор, не распадаясь.

Виртуальная частица отличается от реальной тем, что для реальной частицы выполняется обычное релятивистское соотношение между энергией и импульсом Е 2 = р 2 с 2 + m 2 с 4 , а для виртуальной не выполняется. Такое возможно благодаря квантово-механическому соотношению ΔE·Δt ~ ħ между неопределённостью энергии ΔЕ и длительностью процесса Δt. Поэтому виртуальная частица почти мгновенно распадается или аннигилирует с другой (её время жизни Δt очень мало), а реальная живёт заметно дольше или вообще стабильна.

Лэмбовский сдвиг уровней — небольшое отклонение тонкой структуры уровней атома водорода и водородоподобных атомов под действием испускания и поглощения ими виртуальных фотонов или виртуального рождения и аннигиляции электрон-позитронных пар. Эффект обнаружили в 1947 году американские физики У. Лэмб и Р. Резерфорд.