Теорія Хіггса. Хіггсівський бозон доступною мовою

У фізиці досі залишається чимало понять та явищ, які є незбагненними для звичайного людського сприйняття. Одним із таких оригінальних понять можна по праву назвати бозон Хіггса. Варто детальніше розглянути, що ми про нього знаємо і наскільки це явище може бути розкрите для пересічних обивателів.

Бозоном Хіггса називають елементарну частинку, яка має властивість виникати у процесі хіггсівського механізму спонтанного порушення електрослабкої симетрії у стандартній моделі фізики елементарних частинок.

Довгі пошуки елементарної частки

Частку постулював британський фізик Пітер Хіггс у фундаментальних статтях, що вийшли в 1964 році. І лише за кілька десятиліть передбачене теоретично поняття було закріплено конкретними результатами пошуків. У 2012 році було виявлено нову частинку, яка і стала найбільш явним кандидатом на цю роль. А вже у березні 2013 року інформація підтвердилася окремими дослідниками. CERN, і знайдену частку визнали бозоном Хіггса.

Для такого роду серйозних досліджень був , на якому багато років продовжуються випробування та розробки. Але навіть виявлені результати фахівці не поспішають відкрито оприлюднити, воліючи більш ретельно все перевіряти ще раз і довести.

Бозон Хіггса є останньою знайденою частинкою стандартної моделі. При цьому в засобах масової інформації офіційний фізичний термін називають «клятою частинкою» – за запропонованим варіантом Леоном Ледерманом. Хоча в назві своєї книги нобелівський лауреат вжив вираз «частка бога», який згодом не прижився.

Хіггсівський бозон доступною мовою

Що таке бозон Хіггса багато вчених намагалися пояснити найдоступніше для середньостатистичного мислення. Міністром науки Великобританії у 1993 році навіть було оголошено конкурс на найпростіше пояснення цього фізичного поняття. Більш доступною при цьому визнали порівняльний варіант із вечіркою. Виглядає варіант наступним чином:

• у велику кімнату, в якій починається вечірка, у певний момент заходить відома особистість;
• за відомою особистістю рухаються гості, які хочуть поспілкуватися з людиною, при цьому ця особа пересувається з меншою швидкістю, ніж решта;
• потім у загальній масі починають збиратися окремі групки (скупчення людей), які обговорюють якусь новину, плітку;
• люди передають новину від групи до групи, унаслідок чого утворюються невеликі ущільнення серед народу;
• в результаті складається враження, що групи людей обговорюють плітку, тісно оточивши відому особистість, але її участі.

У порівняльному співвідношенні виходить, що загальна кількість людей у ​​кімнаті – це і є поле Хіггса, групи людей є обуренням поля, а найвідоміша особа – частка, яка у цьому полі рухається.

Безперечна важливість бозона Хіггса

Важливість елементарної частки, хоч би як вона у результаті називалася, залишається незаперечною. Насамперед вона є необхідною під час здійснення розрахунків, що проводяться в теоретичній фізиці для вивчення будови Всесвіту.

Фізиками-теоретиками було припущено, що бозонами Хіггса заповнено весь простір, що оточує нас. І при взаємодії з іншими видами частинок бозони повідомляють їх про свою масу. Виходить, якщо є можливість обчислення маси елементарних частинок, те й обчислення самого бозона Хіггса вважатимуться справою вирішеним.

Довгий час так звана частка Бога, що залишалася невловимою, нарешті спіймана. Бозон Хіггса був недостатньою деталлю головоломки під назвою Стандартна модель. Вчені вважають, що цей бозон відповідає за масу частинок. Зокрема, спеціально для пошуку бозона Хіггса було збудовано Великий адронний колайдер, який впорався зі своїм основним завданням. Але перед вченими постали нові загадки: чи справді бозон Хіггса? Крім того, знахідка цього бозона ніяк не пояснила парадоксальне існування темної матерії, яке займає все більше і більше фізиків останнім часом.

Фізики нарешті побачили, як елементарна частка, вперше виявлена ​​на Великому адронному колайдері, розпадається на два чарівні кварки, екзотичні частки, що недовго живуть, які часто з'являються після зіткнення високоенергетичних частинок. Цей невловимий процес ми змогли спостерігати лише зараз, вперше за шість років після відкриття бозона Хіггса. Вчені двох експериментів БАК, ATLAS та CMS, повідомили про свої результати одночасно на семінарі, що проходив у ЦЕРНі 28 серпня.

Нещодавно «відгриміли фанфари» з нагоди великої наукової події – відкриття бозона Хіггса. Вручили нагороди, пораділи разом із вченими, але… Так досі й залишилося неясно одне: а навіщо нам потрібен цей бозон? Навіщо фізики так довго й наполегливо його шукали? З цими питаннями ми звернулися до провідного наукового співробітника Лабораторії електронів високих енергій ФІАН Сергія Павловича Баранова.

З дня, коли про відкриття нової частки було оголошено на семінарі у ЦЕРНі (4 липня 2012 року), минуло вже чимало часу. Свідчення на користь відкриття знаменитого бозона з того часу зміцніли та набули великої повноти.

Незалежних експериментальних установок, зрозуміло, як і раніше дві (ATLAS і CMS), - зважаючи на унікальність їх обох, так само як і всього прискорювача LHC, - але всередині кожної з колаборацій весь цей час тривали накопичення нових і обробка раніше накопичених даних. На даний момент підсумки цієї роботи вилилися в наступне.

Нова частка H спостерігається у шести каналах розпаду: на два Z-бозони, з яких один віртуальний (H → ZZ*); на два W-бозони, з яких один віртуальний (H → WW*); на два фотони (H → γγ); на чарівні (вони гарні) кварки (H → ); на тау-лептони (H → τ+τ –); на Z-бозон та фотон(H → Zγ).

Співвідношення між ймовірностями різних розпадів добре відповідає теоретичним очікуванням. Бозон лише на рівні достовірності 97,8 % має правильні квантові числа: нульовий спин і позитивну парність. Наявність розпаду на два фотони виключає можливість спина, що дорівнює одиниці, а за кутовими розподілами продуктів розпаду в інших модах виключається і спин, що дорівнює двом.

Причепитися, за великим рахунком, нема до чого, і залишається тільки зрозуміти, що цей бозон означає в нашому житті. Зрозуміти – це до нас із вами стосується, фізики вже зрозуміли.

Зона зіткнення пучків на Великому адронному колайдері та розташований у ній детектор ATLAS ()

- Сергію Павловичу, складається враження, що бозон Хіггса - дуже «важлива особа», за якою так довго і дуже наполегливо ганялися фізики. Але навіщо він так знадобився?

- Дійсно, до відкриття бозона Хіггса підбиралися довго. Леон Ледерман, який виснажив своє терпіння, навіть назвав бозон в одній зі своїх статей. Goddamned particle», тобто. «Клята частка», – маючи на увазі невловимість бозона. Журнальний редактор відкинув "damned", залишивши "God" - вийшло "частка Бога". Яскравий епітет був підхоплений журналістами і прижився. Мені ж найбільше в цій історії видається дивним те, що бозон Хіггса потрібний не природі, а математикам. Але про все по порядку.

Упередження

Існує думка, що відкриття бозона Хіггса щось прояснило в ранній історії Всесвіту і навіть пролило світло на його походження. Це не зовсім так. За сучасними уявленнями бозон (або поле) Хіггса дійсно відповідає за швидке розширення Всесвіту в епоху до Великого вибуху (так звану «інфляцію», або «роздування»), але нізвідки не випливає, що бозон, відкритий нещодавно в ЦЕРНі, і є тим самим бозон. Це може бути інший бозон. Назва бозонів Хіггса – це збірна назва для цілого класу частинок (полів), що мають певні властивості, при цьому роль різних бозонів у природі може бути різною. У всякому разі, вимоги, які ми висуваємо до того «космологічного» бозону і до нинішнього «ЦЕРНівського», мають одне з одним досить мало спільного.

Схема зіткнень пучків у тунелі Великого адронного колайдера,
в результаті яких було виявлено бозон Хіггса

Є ще одна розхожа думка, ніби бозон Хіггса пояснив, звідки у частинок беруться маси, і що в цьому і головна його цінність для теорії. Теж треба уточнити. Пояснити-то пояснив, але кількість нез'ясовних величин теоретично від цього менше не стало. Сталося щось на кшталт переклеювання ярликів. Раніше, в до-Хіггсову епоху, ми знали, що елементарні частинки мають масу (у кожного сорту частинок свою), але не знали, чому величина цієї маси саме така, якою є. У нинішній «хіггсівській» термінології ми говоримо, що маси частинок, що спостерігаються, є результат їх взаємодії з Хіггсовим полем; сила цієї взаємодії визначається величиною відповідної константи зв'язку (константа суворо пропорційна масі), але чому ці константи саме такі, ми, як і раніше, не знаємо. Скільки мас – стільки констант.

Більше того, у таких вживаних частинок як протон і нейтрон, з яких побудовані атоми, а отже, і все, що ми називаємо речовиною, маса на 99 % обумовлена ​​так званим кварк-глюонним конденсатом, а не бозоном Хіггса. Щодо цього думка науки не змінилася: так було до відкриття бозона, так залишилося й тепер. Строго кажучи, механізм Хіггса відповідає тільки за маси частинок, які є квантами слабкої взаємодії (W + , W - і Z 0 бозонів), за маси лептонів (у тому числі електрона) і так звану струмову складову маси кварків. Частка цієї струмової маси у загальній масі (називається «конституентною») у різних кварків різна. З кварків складаються вже інші частки, адрони; їх безліч (у тому числі протон і нейтрон), але займатися влаштуванням складових частинок - це окрема історія, в одній статті ми всі не встигнемо.

Повернемося до «істинно елементарних» частинок – W ± і Z бозонів, лептонів, кварків. Вся їхня сукупність після винаходу механізму Хіггса стала поводитися по-іншому, інакше, ніж ми думали раніше, і це дозволило нам побудувати математично несуперечливу теорію слабких взаємодій. Ось тут і є заслуга Хіггса.

Проблеми до-Хіггсової епохи

Але щоб зрозуміти, які перед теорією стояли проблеми і як бозон Хіггса допоміг їх подолати, поговоримо спочатку про ту теорію, де ці проблеми вирішувалися без допомоги бозона Хіггса - про більш-менш нам знайому теорію електрики (електродинаміку). Ті, хто навчався у школі, можуть пам'ятати закон Кулона: напруженість електричного поля, створюваного точковим зарядом, поводиться як зворотний квадрат відстані до заряду (E ~ r –2). Електричне поле – матеріальний об'єкт, і з ним пов'язана об'ємна густина енергії, яка пропорційна квадрату напруженості поля. Якщо ж ми хочемо порахувати повну енергію поля, то цю густину енергії треба проінтегрувати по всьому простору – по всіх відстанях від нуля до нескінченності, – і тоді ми побачимо, що інтеграл розходиться (причому на малих відстанях, що є синонімом великих енергій). Це означає, що повна енергія поля, створюваного точковим зарядом, перетворюється на нескінченність, а, за співвідношенням Ейнштейна, де енергія – там і маса, і отже маса будь-якої точкової зарядженої частки (наприклад електрона) має бути нескінченною – у суперечності з фактами! Строго кажучи, ми не можемо поручитися, що електрон істинно точковий, але, принаймні, його радіус (якщо він і є) згідно з відомими вимірами на багато порядків менший за ту величину, яку він мав би мати, якби вся маса електрона була обумовлена ​​енергією створюваного ним поля.

Ця проблема вирішується за допомогою математичного прийому, званого перенормуванням. Суть прийому в тому, що ми приписуємо електрону нескінченно велику негативну «затравальну» масу і постулюємо, що нескінченний негативний затравочний внесок, будучи складний з нескінченним позитивним вкладом від Кулонівського поля, дає точно масу частки. Красиво це чи ні, але в такий спосіб ми встановлюємо правила гри скорочення нескінченностей і з цього часу можемо однозначно проводити обчислення, не наштовхуючись протиріччя. І потім порівнювати результати обчислень із результатами вимірів. І досі згода у всіх випадках була просто дивовижною. А те, що «затравна» маса негативна – не біда. Адже ні «затравочна», ні «польова» маса окремо не вимірюються, оскільки ми в принципі ніколи не можемо відокремити заряджену частинку від поля, яке вона створює. Отже, жодна з цих «мас» сама по собі фізичною величиною не є, а фізичний сенс має тільки їхню суму.

Крім маси в електродинаміці існує ще два типи розбіжностей, так що перенормування доводиться піддати ще константу взаємодії з фотоном (заряд електрона) та хвильову функцію фотона. Але зате, здійснивши три рази угоду з совістю, ми отримуємо закінчений набір правил гри на всі випадки життя. У електродинаміці існує чудова теорема: хоч би як були складні обчислення, жодних нових типів розбіжностей ніколи не виникне, все обов'язково зводиться до цих трьох, з якими ми вже домовилися як поводитися. Теорії, у яких усі розбіжності усуваються кінцевим числом угод, називаються перенормованими.

Теорія слабких взаємодій побудована загалом загалом за зразком електродинаміки, але з деякими важливими відмінностями. Природі навіщось знадобилося, щоб частинки, аналогічні фотону і відповідальні за перенесення слабких взаємодій (тобто W + , W – і Z бозони), були, на відміну фотона, масивні. Це експериментальний факт, - оскільки всі згадані бозони відкриті, і їх маси виміряні, - і він має найгірші наслідки для перенормованості. А саме, у міру ускладнення розрахунків може виникнути нескінченно велика кількість нових типів розбіжностей, що вимагають введення нескінченної кількості нових правил поводження з ними. Зрозуміло, що теорією це вже не можна назвати, і від її передбачуваної сили не залишається нічого. Бозон Хіггса допоміг повернути ту благодать, яку ми насолоджувалися в електродинаміці. Подивимося, як йому це вдалося – а для цього треба зробити ще два відступи.

Що таке вакуум

Розповідаючи про властивості бозона Хіггса, доводиться відмовлятися багатьох звичних уявлень. Зокрема, від поглядів на вакуум як на порожній простір (Про «пустотність» вакууму нагадує і сама його назва, що має в російській мові спільний корінь з «евакуацією» та «вакансією»). У сучасному визначенні вакуумом називається не порожнеча, а стан із найменшою можливою енергією. При цьому вакуум може бути наповнений фізичними полями найрізноманітнішої природи. Уявлення про вакуум як про матеріальне середовище стали складатися першій половині ХХ століття. А в наші дні вакуум чим тільки не заповнений – тут і Діракове електронне море (дірки в якому називаються позитронами), і неминучі квантові флуктуації всіх полів, що існують у природі, і вже побіжно згаданий глюонний конденсат... і, нарешті, бозон Хіггса. Ви запитаєте, як ми могли раніше жити і не здогадуватися про матеріальне наповнення вакууму? А приблизно так само, як ми могли жити і не здогадуватися про атмосферний тиск. Спробуйте поставте на себе стільки цебер води, щоб у висоту вони досягали десяти метрів – це якраз тиск в одну атмосферу. Але ми його не відчуваємо, тому що тиск діє на нас з усіх боків і сили взаємно знищуються. Ми помічаємо не сам тиск, а лише його перепад, наприклад, коли дме вітер. Так само ми не помічаємо і «атмосферу» Хіггсова конденсату, поки вона спокійна. Але коли в ній розгулюються хвилі, ми реєструємо збудження та називаємо його частинками – бозонами Хіггса, як називаємо фотонами електромагнітні хвилі.

Коли ми припускаємо (або постулюємо) існування Хіггсівського поля, ми також приписуємо йому певні властивості. А саме, що це поле саме з собою взаємодіє, причому таким чином, що залежність щільності енергії від величини поля виглядає як на малюнку 1. Такий вид потенційної енергії ні звідки не витікає, це саме постулат, або вихідне положення теорії: припустимо, що властивості поля такі, і подивимося, які звідси виходять чудові наслідки.

Рисунок 1. Залежність щільності енергії U від величини поля H (Хіггсівського поля)

Малюнок з одномірною віссю для величини поля, звичайно, дуже спрощений: поле Хіггса може набувати не тільки дійсних, а й комплексних значень. Крім того, воно має слабкий ізотопічний спин, тобто може приймати різні напрямки в слабкому ізотопічному просторі. Але для наших якісних міркувань ці ускладнення зараз не такі вже й важливі. Важливо те, що стан із нульовою щільністю поля Хіггса не є енергетичним мінімумом і тому нестійкий. Будь-який з мінімумів, розташованих праворуч або ліворуч, може з однаковим успіхом бути вакуумом, і природа обов'язково скотиться в один із них; в якій саме - справа випадку (спонтанний вибір природи), але який би мінімум природа не вибрала, величина Хіггсова поля в цьому стані буде ненульовою. Весь графік як ціле цілком симетричний, як симетричні та описують його рівняння; але будь-яке розв'язання цих рівнянь, що відповідає фізичній вимогі мінімальності енергії, мимоволі несиметричне. Сталося так зване спонтанне порушення симетрії. Це ключовий момент у механізмі Хіггса.

Тут, до речі, повна аналогія зі спонтанним намагніченням феромагнетиків: у них найнижчий енергетичний стан теж відповідає ненульовому макроскопічному магнітному полю. Напрямок поля може бути будь-яким, але абсолютна величина його не дорівнює нулю, а цілком певному значенню. І теж: всі напрями у просторі були у вихідних рівняннях магнетизму рівноправні, та їх рівноправність у системі втратилася – з рівних можливостей система сама обрала одну. При цьому основні рівняння не перестали бути симетричними – і цей факт нам скоро стане в нагоді. Постараємося його не забути.

Що таке маса

Взаємодія частинок із полем Хіггса, що заповнює весь простір, призводить до появи у частинок маси. Частинки, умовно кажучи, у цьому конденсаті «в'язнуть» і набувають інерційності. У популярних викладах зазвичай згадують продавця морозива, обліпленого дітьми, або королеву, оточену підданими, - сенс той, що рухливість обвішаних натовпом морозива або королеви сильно зменшується, і вони як би "стають масивними". Суворіші науковіаналогії можна знайти у фізиці твердого тіла. Так, електрон провідності рухається в кристалі як частка з деякою "ефективною" масою, сильновідрізняється від його справжньої маси. Ця ефективна маса є в дейстельності результат взаємодії електрона з навколишнім середовищем. Для обчислення провідності набагато зручніше користуватися ефективною масою, ніж возитися з повним описом середовища. Так само зручно і цілком допустимо вважати часткою і дірку в напівпровідникуp-типу. Ми розуміємо, що дірка не є справжньою частинкою, і що електрон має зовсім іншу справжню масу, але тільки тому, що можемо вийняти електрон із кристала і досліджувати ізольовано. Однак ми ніколи не можемо вийняти елементарну частинку з вакууму, тобто з простору, – і тому та маса, яку частка пройшла від взаємодії з вакуумом Хіггса, і є її справжня маса.

Як воно працює

Отже, ми постулювали вираз для потенційної енергії поля Хіггса таким чином, щоб у нижчому енергетичному стані (у вакуумі) щільність поля була ненульовою, знову дивимося на малюнок 1. Природа могла вибрати правий мінімум, а могла лівий, але в будь-якому випадку картинка виходить скособочена - малі збудження над вакуумом мимоволі асиметричні, вони завжди прив'язані до мінімуму потенційної енергії.
Далі, ми постулювали взаємодію елементарних частинок з полем Хіггса, завдяки якому частинки придбали масу, пропорційну вакуумному середньому полі Хіггса. На відміну від ситуації, коли маса спочатку задається «руками» (т.зв. жорстке запровадження маси) у цьому, що маса, запроваджена через Хіггсове полі (т.зв. м'яке запровадження), немає стала величина. Вона змінюється, якщо змінюється Хіггсове поле.

А тепер переведемо погляд на верхню частину малюнка, область великих енергій. З цієї висоти вже не важливі дрібні деталі рельєфу поблизу денця потенційної ями, і вся поведінка нашої системи стає симетричною, як і було властиво нашим основним рівнянням. Хіггсове поле вільно перекочується з однієї ямки в іншу, і його середнє значення прагне нуля. Тобто відновлюється та поведінка, яка була б у безмасових частинок (якби мінімум у потенційної ями був один). Відновлюється наша спонтанно порушена симетрія – а тут знову починає працювати теорема про перенормування. При симетричному пристрої системи найбільш шкідливі розбіжності скорочуються, а залишаються лише ті, з якими ми вміємо справлятися з процедурою перенормування.

У тих науках, де переносники взаємодій були спочатку безмасовими, як фотони в електродинаміці і глюони в хромодинаміці, – там все відразу було перенормовано і зручно для обчислень. А ось переносники слабких взаємодій – W та Z бозони – виявилися чомусь масивними. І нам довелося із цим боротися. І тоді ми придумали бозон Хіггса та механізм спонтанного порушення симетрії, які нам забезпечили перехід від масивних W та Z бозонів при низьких енергіях (по суті поблизу вакууму, в області, доступній для нашого спостереження) до безмасових бозонів при високих енергіях (там, де розходяться злощасні інтеграли). Підсумки можна висловити у вигляді майже афоризму – Хіггсов механізм не так пояснив походження маси, скільки допоміг цієї маси позбутися.

Світ гірський і світ дольний (до і після спонтанного порушення симетрії)

Отже, сенс існування бозона Хіггса для нас у тому, що він нам дозволив поєднати здавалося б непоєднувані речі: область високих-перевищених енергій, де у W та Z бозонів мас бути не повинно (щоб не виникали непереборні розбіжності) з областю низьких енергій, де у W та Z бозонів маса є як експериментальний факт. Природа пішла назустріч математикам і там, у «гірських висях», бозонам масу не дала. Частинки обзаводяться масою лише життя на дні; маса виникає як наслідок взаємодії з різними вакуумними конденсатами.

Природа так вчинила не один раз. Пам'ятаєте, ми казали, що маса протона обумовлена ​​??глюонним конденсатом? Так ось, при збільшенні енергії глюонний конденсат зникає, а разом з ним зникає і маса у кварків, що утворюють протон. Протон при цьому перестає існувати як щось ціле і розпадається на незв'язані кварки. Те, що виходить, називається кварк-глюонною плазмою. Але про неї ми поговоримо колись наступного разу; за її властивості відповідають сильні взаємодії, а ми поки що зайняті слабкими. Але деякий урок із аналогії здобути можна. Якби нам не вдалося відкрити бозон Хіггса як самостійну фундаментальну частинку, ще залишалася надія врятувати теорію слабких взаємодій, організувавши Хіггсів бозон як складовий об'єкт.

Хоча якщо подивитися ширше, за межі фізики елементарних частинок, то виявиться, що ми цей урок уже проходили. Найдосконаліший еквівалент Хіггсова механізму зі складовим конденсатом ми бачили у фізиці твердого тіла, в теорії надпровідності. Там це був конденсат куперівських електронних пар. Ніщо не нове під Місяцем.

Про красу

Механізм Хіггса не лише дозволив наші технічні проблеми, а й дозволив облаштувати життя гарно. Тому що це красиво, коли все настільки начебто різні взаємодії вдається описати з єдиних позицій і вивести для них основні рівняння з єдиного загального принципу. Цей принцип зветься локальної калібрувальної інваріантності. Всі взаємодії влаштовані за одним зразком і відрізняються лише пристроєм заряду. Електричний заряд – це просто число. Позитивне або негативне, але просто число, а заряд складної системи виходить простим арифметичним додаванням зарядів її частин.

Слабкий заряд в математичному відношенні схожий на спин, тільки повертається в різні боки не в нашому звичайному просторі, а в калібрувальному (слабкому ізотопічному). Стан системи задається вже не одним числом, а двома: повним слабким спином та його проекцією на деяку вісь у калібрувальному просторі. Правило складання "брутто" для повного спина не годиться, але є свої суворі правила, такі ж, як для звичайного спина.

Сильний заряд називається кольором. Він деякою мірою теж схожий на спин, тільки ще складніше. Калібрувальний простір у нього не тривимірний, а восьмивимірний, а стан системи описується трьома числами: «повним кольором» та його проекціями на дві деякі осі в калібрувальному просторі. Професіонали замість слів «повний колір» кажуть «розмірність уявлення».

А тепер переходимо до цього яскравого втілення демократичних свобод та загальної толерантності – принципу локальної калібрувальної інваріантності. Суть його в тому, що спостерігачі, розташовані в різних точках простору, мають право встановити орієнтацію осей у калібрувальному просторі кожен по-своєму, як кому сподобається, і ніхто не вправі їх цієї свободи позбавити (з єдиним обмеженням, що зміна системи калібрування координат відбувається від точки до точки безперервно). Але при цьому ми постулюємо, що рівняння руху частинок повинні за будь-якого вибору виглядати однаково.

Як задовольнити цю вимогу? Рівняння руху вільних частинок (наприклад, кварків або електронів або інших лептонів) містять похідну, і тепер в ній заплутується як «справжня» зміна хвильової функції частинки, так і «здається», пов'язане зі зміною системи координат. Позбутися зайвого доданку у похідній можна за допомогою додаткових «компенсуючих» полів. Тобто на додаток до вихідних полів для лептону або кварку ми вводимо в систему рівнянь інші поля, що теж змінюються при повороті осей в просторі калібру, але так, щоб ця зміна в точності компенсувало «зайві» члени. Зрозуміло, що рівняння для цих полів, що компенсують, встановлюються абсолютно однозначно, тому що точно відомо, що саме потрібно компенсувати. Так ось виявляється, що для електричного заряду таким компенсуючим полем є електромагнітне - разом з рівняннями Максвелла, що випливають прямо з калібрувального принципу. Для слабкого заряду це поля W±Z бозонів, а для сильного заряду – поля глюонів. Аналоги рівнянь Максвелла у останніх випадках називаються рівняннями Янга-Миллса. (Цей ось триголовий сильно-слабко-електромагнітний дракон власне і називається Стандартною моделлю. Звичайно в сукупності з переліком всіх фундаментальних частинок та їх класифікацією на кшталт зарядів.)

І все б чудово, якби не прикра дрібниця. Ферміони (електрон або інші лептони, а також кварки) беруть участь у слабких взаємодіях по-різному, залежно від своєї спіральності. Експериментальний факт. Слабкі взаємодії – єдині з нас відомих, які розрізняють ліво- та право-спіральні стани. Це погано не по собі, а тим, що поняття спіральності для масивних частинок на перевірку виявляється двозначним. Нагадаємо, що спіральність – це проекція спини частки на її імпульс. А якщо в частки ненульова маса, то вона завжди рухається повільніше, ніж зі швидкістю світла, і тому часто можна «обігнати», тобто перейти в систему відліку, що рухається в тому ж напрямку, тільки з більшою швидкістю. А в такій системі відліку імпульс частинки матиме вже протилежний напрямок, а разом із ним змінить знак та спіральність. Але якщо сила взаємодії, що характеризується умовним «зарядом», залежить від системи відліку, то це означає, що такий інваріантний заряд просто не можна визначити. Точніше, не можна визначити, щоб він зберігався. А тоді руйнується вся ця гарна схема з виведенням усіх рівнянь із єдиного принципу. Тому що дотримання калібрувальної інваріантності і існування відповідного заряду, що зберігається - це з математичної точки зору одне і те ж. Теорема Нетер. Можна б, звичайно, рівняння і не виводити, а просто їх постулювати як є, на передбачувальній силі це не відбивається. Але прикро. Страждає почуття, що ми вхопили в природі якусь важливу закономірність.

Гіпотеза спонтанного порушення симетрії змальовує нам іншу картину. У цій картині є місце світу вихідно непорушеної симетрії, де рівняння всі калібрувально-інваріантні, мас часток немає, поняття спіральності визначено однозначно і заряди зберігаються. Ніщо не заважає вивести рівняння Янга-Міллса з калібрувального принципу. І потім спуститися у світ дольний. Частинки тоді набудуть маси, а водночас перестане зберігатись і слабкий заряд. Але тепер нам це не страшно, тому що механізм Хіггса ясно вказує, звідки заряд, що бракує, береться і куди подіється зайвий. Відповідь: зливається у вакуум. У вакуум, де його невичерпні запаси акумульовані в Хіггсовом конденсаті. Тобто слабкий заряд є, але яке ж може бути збереження, якщо система не замкнута? Ми постійно обмінюємося слабким зарядом із вакуумом. Так знову поєднуються непоєднувані речі – заряд як синонім закону збереження є, а самого збереження і немає. Математика!

Для повноти задоволення залишилося навести ясність зі ступенями свободи.

Ми знаємо, що у систем з рівним одиниці спином є три квантові стани. Комусь пригадаються триплетні рівні в атомній фізиці, а в нашому випадку мова йтиме про поляризацію векторних частинок, якими є всі калібрувальні бозони. Якщо частка масивна, то станів поляризації у неї три (два поперечних і одне поздовжнє), а якщо безмасова, подібно до фотона, то тільки два, поперечних. Давайте тепер згадаємо про поперечну поляризацію фотонів, нам ще у школі про неї говорили. Тепер саме час починати хвилюватися, тому що у світі непорушеної симетрії у безмасових прабатьків W± і Z0 бозонів було по два стани поляризації, а у масивних стало по три.

Звідки взялися ці зайві ступені свободи? А ось звідки: у світі непорушеної симетрії у Хіггсова поля був не один ступінь свободи, а чотири. Я говорив уже, що поле Хіггса набуває комплексних значень (а кожне комплексне число еквівалентне двом дійсним) і що воно має слабкий спин (який у своєму слабкому ізотопічному просторі може бути спрямований «вгору» або «вниз»). І не випадково я назвав зараз безмасові поля у світі непорушеної симетрії прабатьками калібрувальних бозонів, а не самими бозонами, тому що вони перетворилися на відомі нам фотони, W + , W – і Z 0 бозони не прямо, а утворивши один з одним деяку квантову суперпозицію . У цій квантовій суперпозиції взяли участь і поля Хіггса. І в результаті три з чотирьох Хіггсових полів змінили прописку і влаштувалися на роботу третіми (поздовжніми) компонентами в поляризації масивних бозонів. Тільки одне поле залишилося під своїм колишнім ім'ям, і його ми відкрили в ЦЕРНі. Перерозподіл ступенів свободи становить один із суттєвих вузлів загальної теорії електрослабких взаємодій.

Ідейний прорив? - Так; він полягає в здогадці, що вихідні закони за Божим задумом досконалі і симетричні (і тим забезпечують нам і перенормованість і збереження зарядів), а видима нами у світі дольнем «кособокість» законів тільки здається, вона є результатом особливого устрою вакууму, що став таким- через втручання бозона Хіггса. Ось ми й знайшли винного. І чому б бозону Хіггса не називатися тому часткою диявола? Але чи в божественному досконалому світі є місце для людини?

Щоб знайти відповідь на це, слід поговорити про два інші, дитячі питання.

Що було б, якби...

А що було б, якби зовсім не було в природі слабких взаємодій? Ми це якось неозброєним оком помітили б?

Так, помітили б! Тоді б Сонце не світило. Тому що два протони, зіткнувшись, не могли б перетворитися на ядро ​​дейтерію – а це перший крок у ланцюжку реакцій, що перетворюють водень на гелій і служать головним джерелом сонячної енергії.

А що було б, якби слабкі калібрувальні бозони були безмасовими?

Тоді, найімовірніше, Сонце мало інші розміри; мабуть, воно було б більше, ніж нинішня орбіта Землі і навіть ніж орбіта будь-якої планети. Розмір будь-якої зірки визначається рівновагою між силами тяжіння, що залежать від маси зірки, і тепловим тиском, що залежить від інтенсивності енерговиділення в ядерних реакціях. З безмасовими W бозонами перетворення водню на гелій відбувалося б набагато легше і швидше (в багато трильйони разів), і тепловий тиск не дозволив би Сонцю стиснутись до його нинішніх розмірів.

В обох випадках життя у відомій нам формі було б неможливим.

- Сергію Павловичу, дозвольте поставити Вам ще одне дитяче питання: а наскільки відкриття бозона Хіггса «тягне» на велике? Чи, більш серйозно, це відкриття привнесе щось нове у вже існуючу картину світу?

Існує думка, і я її поділяю, що Нобелівську премію давати було й необов'язково. Ну справді – кому? Механізм Хіггса відомий у фізиці твердого тіла вже досить давно, з 1965 року, так що в ньому самому як такому великої новизни мабуть немає. Принципова новизна була тоді, коли вдалося пристосувати його до потреб фізики елементарних частинок та побудувати за його допомогою загальну теорію електрослабких взаємодій. Але теоретики Шелдон Глешоу, Стівен Вайнберг та Абдус Салам свою Нобелівську премію за цю теорію вже отримали у 1979 році, як і з великою відстрочкою Йотіро Намбу у 2008 році за механізм спонтанного порушення симетрії у фізиці елементарних частинок.

Експериментальна перевірка теорії вимагала відкриття передбачених нею W та Z бозонів – квантів-переносників слабких взаємодій, і експериментатори Карло Руббіа та Ван дер Мер свою Нобелівську премію за їх відкриття вже отримали в 1984 році. Зважаючи на те, що колаборації налічували по кілька сотень співавторів, заслуга була сформульована як «вирішальний внесок у великий проект».

Над відкриттям бозона Хіггса працювали дві колаборації вже по три з лишком тисячі людей у ​​кожній, CMS та ATLAS. Кому давати премію? Знову керівникам? Але в колабораціях діє принцип ротації – керівники кожні два роки змінюються, – а самі колаборації існують уже років по 20, і можна сказати, лише випадок застав нинішніх керівників на посаді, коли відбулося відкриття. Точніше – коли набралася статистика, достатня для обережних висновків.

Але з іншого боку, і не давати премію теж не можна було. LHC, за великим рахунком, будувався саме задля бозона Хіггса. Бозоном Хіггса виправдовувалися перед фінансовими організаціями.

Мабуть, можна не сумніватися, що нова частка відкрита і що відкрита саме та частка, яка була потрібна Стандартній моделі. Але залишається питання, чи закінчилися відкриття? Це була остання з ще невідкритих частинок чи тільки найлегша з нової родини? Частина проблем старої теорії тріумфально вирішилася, але багато залишилося незрозумілим, у тому числі залишилася проблема ієрархії мас частинок і проблема радіаційних поправок до маси бозона Хіггса. Для їх пояснення природніше припустити існування нових об'єктів на масштабі порядку ТеВ; в іншому випадку доведеться припускати випадкове точне підстроювання параметрів.

Я швидше погоджуся з Рубаковим В.А., який вважає, що ми вступаємо в нову еру і наш бозон – тільки кінчик ниточки. Та й у світі звичайних частинок відкриття посипалися градом: вперше, і до того ж одразу в величезній кількості, виявилися нові типи мезонів, що виходять за рамки класичної схеми кварк-антикварк. Ні-ні, я – за кінчик ниточки!

– На Вашу думку, закиди на адресу сучасних науки та науковців – наука деградує, немає по-справжньому великих учених – справедливі? Чи все зовсім інакше?

Кадр з к/ф Весна (Мосфільм, 1947).
Герой Р. Плятта пояснює специфіку роботи вчених:
Як вони працюють? Отак сів, задумався… Відкрив!
Найголовніше – замислитись… Ось так. І повний порядок!

Вчений – парадоксальна професія, його доля – робити те, чого ніхто не вміє, у тому числі й він сам, бо коли рішення знайдено, завдання переходить із розряду наукових у інженерний розряд, і нею тоді займаються інші люди, а вчений знову залишається один на один із невідомістю.

З наукою все трохи інакше, ніж представляється звичайному спостерігачеві. Особливо це стосується фундаментальної науки, від якої є як прямий ефект, і непрямий. Більшість сучасних технічних новинок та «зручностей цивілізації» по суті – побічний продукт фундаментальної науки. Наприклад, той самий Інтернет, без якого не мислиться сьогоднішній день. Використання відкриттів «за прямим призначенням» теж відбувається, але не завжди і не швидко. Наука схожа на експедицію, яку ми споряджаємо, не знаючи, що нас чекає: гори, рівнини, пустелі, болота… І ми, по суті, пускаємося в дорогу наосліп, на допомогу нам приходять лише накопичені знання та досвід (якщо вони є в цій області) та інтуїція вченого.

Життя влаштоване так, що ми ставимо собі «іграшкові», здавалося б, нікому не потрібні завдання. Шукаємо цей незрозумілий бозон Хіггса, перевіряємо на «міцність» Стандартну модель, намагаємося змоделювати народження Всесвіту. Але під приводом цих штучних для далекого від науки людини завдань ми розвиваємо передові технології, які потім входять у наше життя і змінюють її докорінно.

Після ньютонівської теорії протягом 200 років майже нічого не змінювалося. І це був час накопичення знань, перевірки, що й наскільки вкладається у рамки цієї фізики. А потім з'явилися проблеми, які не змогли до неї вписатися: визначення швидкості світла, пояснення спектра випромінювання твердого тіла (в результаті «вискочила» константа Планка) та багато іншого. Ми стали цікавитися хаосом, раптом усвідомивши, що ньютонівська механіка скоріше виняток, ніж правило життя. Стали розвиватися квантова механіка, загальна та спеціальна теорії відносності. До речі, одне дуже іграшкове питання – « Чому вночі темно? (т.зв. фотометричний феномен Ольберса – Прим. редакції ) – призвів до розвитку цілого астрофізичного спрямування. І остаточно вирішено це питання було лише у XX столітті: близько ста років шукали відповіді!

Думаю, і зараз ми знаходимося на стадії осмислення, накопичення досвіду за вже отриманими знаннями та відкриттями. Зокрема, повертаючись до бозона Хіггса, тут одне із завдань – підтвердження Стандартної моделі, пошук того, що може бути за її рамками. І в якийсь момент цього процесу пізнання з'явиться ще одне дитяче питання, яке дасть імпульс новій фізиці, яка зараз не видно.

Розмовляла Є. Любченко, АНІ «ФІАН-інформ»

___________________________________________

Ледерман Леон Макс– американський фізик, лауреат Нобелівської премії з фізики 1988 року за відкриття мюонного нейтрино («За межами neutrino beam method and demonstration of the doublet structure of the leptons through the discovery of the muon neutrino»).

Рубаков Валерій Анатолійович– російський фізик-теоретик, один із провідних світових учених у галузі квантової теорії поля, фізики елементарних частинок та космології, академік РАН, доктор фізико-математичних наук. Нині обіймає посаду заступника директора Інституту ядерних досліджень (ІЯД) РАН.

Ми, колектив Quantuz, (намагаємося вступити до спільноти GT) пропонуємо наш переклад розділу сайту particleadventure.org, присвяченого бозону Хіггса. У цьому тексті ми виключили неінформативні картинки (повний варіант див. у оригіналі). Матеріал буде цікавий усім, хто цікавиться останніми досягненнями прикладної фізики.

Роль бозона Хіггса

Бозон Хіггса був останньою часткою відкритою у Стандартній Моделі. Це критичний компонент теорії. Його відкриття допомогло підтвердити механізм того, як фундаментальні частки набувають маси. Ці фундаментальні частинки у Стандартній Моделі є кварками, лептонами та частинками-переносниками сили.

Теорія 1964 року

У 1964 році шестеро фізиків-теоретиків висунули гіпотезу існування нового поля (подібно до електромагнітного), яким заповнено весь простір і вирішує критичну проблему в нашому розумінні всесвіту.

Незалежно від цього інші фізики побудували теорію фундаментальних частинок, названу в результаті «Стандартною Моделью», яка забезпечувала феноменальну точність (експериментальна точність деяких частин Стандартної Моделі досягає 1 до 10 мільярдів. Це рівнозначно передбаченню відстані між Нью-Йорком і Сан-Франциско 0,4 мм). Ці зусилля виявилися тісно взаємопов'язані. Стандартна модель потребувала механізму придбання частинками маси. Польову теорію розробили Пітер Хіггс, Роберт Браут, Франсуа Енглер, Джералд Гуралнік, Карл Хаген та Томас Кіббл.

Бозон

Пітер Хіггс зрозумів, що за аналогією з іншими квантовими полями має існувати частка, пов'язана з цим новим полем. Вона повинна мати спин рівним нулю і, таким чином, бути бозоном - часткою з цілим спином (на відміну від ферміонів, у яких напівцілі спіни: 1/2, 3/2 і т.д.). І справді він незабаром став відомим як Бозон Хіггса. Єдиним його недоліком було те, що ніхто не бачив.

Яка маса бозону?

На жаль, теорія, що передбачає бозон, не уточнювала його масу. Минули роки, доки не стало зрозуміло, що бозон Хіггса має бути екстремально важким і, швидше за все, за межами досяжності для установок, побудованих до Великого Адронного Колайдера (БАК).

Пам'ятайте, що згідно E=mc 2 чим більше маса частинки, тим більше енергії потрібно для її створення.

У той час, коли ВАК розпочав збір даних у 2010, експерименти на інших прискорювачах показали, що маса бозона Хіггса має бути більшою, ніж 115 ГеВ/с2. У ході дослідів на ВАК планувалося шукати докази бозона в інтервалі мас 115-600 ГеВ/с2 і навіть вище, ніж 1000 ГеВ/с2.

Щороку експериментально вдавалося виключати бозони з більшими масами. У 1990 було відомо, що маса, що шукається, повинна бути більше 25 ГеВ/с2, а в 2003 з'ясувалося, що більше 115 ГеВ/с2

Зіткнення на Великому Адронному Колайдері можуть породжувати багато чого цікавого

Денніс Оувербай в Нью-Йорк Таймс розповідає про відтворення умов трильйонної частки секунди після Великого Вибуху і каже:

« …останки [вибуху] у цій частині космосу не видно з тих пір, як Всесвіт охолонув 14 мільярдів років тому – весна життя скороминуща, знову і знову у всіх її можливих варіантах, якби Всесвіт брав участь у власній версії фільму «День Сурока»

Одним із таких «останків» може бути бозон Хіггса. Його маса має бути дуже великою, і він повинен розпадатися менш ніж за наносекунду.

Анонс

Після половини сторіччя очікувань драма стала напруженою. Фізики спали біля входу до аудиторії, щоб зайняти місця на семінарі в лабораторії ЦЕРН у Женеві.

За десять тисяч миль звідси, на іншому краю планети, на престижній міжнародній конференції з фізики частинок у Мельбурні сотні вчених з усіх куточків земної кулі зібралися, щоб почути мовлення семінару з Женеви.

Але спершу давайте поглянемо на передумови.

Феєрверк 4 липня

4-го липня 2012 року керівники експериментів ATLAS та CMS на Великому адронному колайдері представили їх останні результати пошуку бозона Хіггса. Ходили чутки, що вони збираються повідомити більше ніж просто звіт про результати, але що?

Звичайно ж, коли результати були представлені, обидві колаборації, які проводили експерименти, прозвітували про те, що вони знайшли доказ існування частки «схожої на бозон Хіггса» з масою близько 125 ГеВ. Це безперечно була частка, і якщо вона не бозон Хіггса, то дуже якісна його імітація.

Доказ був сумнівним, вчені мали результатами в п'ять сигма, що означають, що є менше однієї ймовірності на мільйон, що є просто статистичної помилкою.

Бозон Хіггса розпадається на інші частки

Бозон Хіггса розпадається на інші частки майже відразу після того, як буде вироблений, так що ми можемо спостерігати тільки продукти його розпаду. Найбільш поширені розпади (серед тих, які ми можемо побачити) показані на малюнку:

Кожен варіант розпаду бозона Хіггса відомий як канал розпаду або режим розпаду. Хоча bb-режим є поширеним, багато інших процесів виробляють подібні частинки, тому якщо ви спостерігаєте bb-розпад, дуже важко сказати, чи з'явилися частинки у зв'язку з бозоном Хіггса або якось ще. Ми говоримо, що режим bb-розпаду має «широке тло».

Найкращими каналами розпаду для пошуку бозона Хіггса є канали двох фотонів та двох Z-бозонів.

*(Технічно для 125 ГеВ маси бозона Хіггса розпад на два Z-бозони не можливий, оскільки Z-бозон має масу 91 ГеВ, внаслідок чого пара має масу 182 ГеВ, більшу ніж 125 ГеВ. Однак те, що ми спостерігаємо, є розпадом на Z-бозон та віртуальний Z-бозон (Z*), маса якого набагато менша.)

Розпад бозона Хіггса на Z+Z

Z-бозони також мають кілька режимів розпаду, включаючи Z → e+ + e- та Z → µ+ + µ-.

Режим розпаду Z + Z був досить простий для експериментів ATLAS і CMS, коли обидва Z-бозони розпадалися в одному з двох режимів (Z → e+ e- або Z → µ+ µ-). На малюнку чотири режими розпаду бозона Хіггса, що спостерігаються:

Кінцевий результат полягає в тому, що іноді спостерігач побачить (на додаток до деяких незв'язаних частинок) чотири мюони, або чотири електрони, або два мюони і два електрони.

Як бозон Хіггса виглядав би у детекторі ATLAS

У цій події «джет» (струмень) виникла вниз, а бозон Хіггса – вгору, але він майже миттєво розпався. Кожна картинка зіткнення називається подією.

Приклад події з можливим розпадом бозона Хіггсау вигляді гарної анімації зіткнення двох протонів у Великому адронному колайдері можна подивитися на сайті-джерелі за цим посиланням.

У цій події бозон Хіггса може бути виготовлений, а потім негайно розпадається на два Z-бозони, які в свою чергу негайно розпадуться (залишивши два мюони і два електрони).

Механізм, що дає масу часткам

Відкриття бозона Хіггса є неймовірним ключем до розгадки механізму того, як фундаментальні частинки набувають маси, що й стверджували Хіггс, Браут, Енглер, Джералд, Карл та Кіббл. Що це за механізм? Це дуже складна математична теорія, але її головна ідея може бути зрозумілою у вигляді простої аналогії.

Уявіть собі простір, заповнений полем Хіггса, як вечірку фізиків з коктейлями, що спокійно спілкуються між собою…
Якоїсь миті входить Пітер Хіггс, який створює хвилювання, рухаючись через кімнату і притягуючи групу шанувальників з кожним кроком.

До того, як увійти до кімнати професор Хіггс міг рухатися вільно. Але після заходу до кімнати повної фізиків його швидкість зменшилася. Група шанувальників сповільнила його рух кімнатою; іншими словами, він придбав масу. Це аналогічно безмасової частки, що набуває маси при взаємодії з полем Хіггса.

Адже все що він хотів – це дістатися бару!

(Ідея аналогії належить проф. Девіду Дж. Міллеру з Університетського коледжу Лондона, який виграв приз за доступне пояснення бозона Хіггса - © ЦЕРН)

Як бозон Хігса отримує власну масу?

З іншого боку, на той час новини розповсюджуються по кімнаті, вони також формують групи людей, але цього разу винятково із фізиків. Така група може повільно рухатися кімнатою. Подібно до інших частинок бозон Хіггса набуває маси просто взаємодіючи з полем Хіггса.

Пошук маси бозони Хіггса

Як ви знайдете масу бозона Хіггса, якщо він розпадається на інші частки, перш ніж ми його виявимо?

Якщо ви вирішили зібрати велосипед та захотіли знати його масу, вам слід складати маси частин велосипеда: двох коліс, рами, керма, сідла тощо.

Але якщо ви хочете вирахувати масу бозона Хіггса з частинок, на які він розпався, просто складати маси не вдасться. Чому ж ні?

Складання мас частинок розпаду бозона Хіггса не працює, так як ці частинки мають величезну кінетичну енергію в порівнянні з енергією спокою (пам'ятаємо, що для частки, що покоїться, E = mc 2). Це відбувається внаслідок того, що маса бозона Хіггса набагато більша, ніж маси кінцевих продуктів його розпаду, тому енергія, що залишилася, кудись йде, а саме - в кінетичну енергію частинок, що виникли після розпаду. Теорія відносності каже нам використовувати рівність нижче для підрахунку "інваріантної маси" набору частинок після розпаду, яка і дасть нам масу "батька", бозона Хіггса:

E 2 = p 2 c 2 +m 2 c 4

Пошук маси бозона Хіггса із продуктів його розпаду

Примітка Quantuz: тут ми трохи не впевнені у перекладі, тому що йдуть спеціальні терміни. Пропонуємо порівняти переклад із джерелом про всяк випадок.

Коли ми говоримо про розпад типу H → Z + Z * → e+ + e- + µ+ + µ-, чотири можливі комбінації, показані вище, можуть виникнути як від розпаду бозона Хіггса, так і від фонових процесів, так що нам потрібно поглянути на гістограму сумарної маси чотирьох частинок у зазначених комбінаціях.

Гістограма мас має на увазі, що ми спостерігаємо за величезною кількістю подій і відзначаємо кількість тих подій, коли виходить підсумкова інваріантна маса. Вона виглядає як гістограма, тому що значення інваріантної маси поділено на стовпці. Висота кожного стовпця показує кількість подій, у яких інваріантна маса виявляється у відповідному діапазоні.

Ми можемо уявити, що це результати розпаду бозона Хіггса, але це не так.

Дані про бозон Хіггса з фону

Червоні та фіолетові області гістограми показують «фон», в якому число чотирилептонних подій, ймовірно, відбудуться без участі бозона Хіггса.

Синя область (див. анімацію) є «сигнальним» прогнозом, в якому число чотирилептонних подій припускають результат розпаду бозона Хіггса. Сигнал розташований на вершині фону, тому що для того, щоб отримати загальну прогнозовану кількість подій, ви просто складаєте всі можливі результати подій, які можуть статися.

Чорні точки показують кількість подій, що спостерігаються, в той час як чорні лінії, що проходять через точки, представляють статистичну невизначеність у цих числах. Зростання даних (див. наступний слайд) на рівні 125 ГеВ є ознакою нової 125 ГеВ-частинки (бозон Хіггса).

Анімація еволюції даних для бозона Хіггса в міру накопичення знаходиться на оригінальному сайті.

Сигнал бозона Хіггса повільно росте над тлом.

Дані бозона Хіггса, що розпався на два фотони

Розпад на два фотони (H → γ + γ) має ще ширший фон, але проте сигнал чітко виділяється.

Це гістограма інваріантної маси для розпаду бозона Хіггса на два фотони. Як ви можете бачити, фон дуже широкий у порівнянні з попереднім графіком. Так відбувається тому, що існує набагато більше процесів, що виробляють два фотони, ніж процесів з чотирма лептонами.

Пунктирна червона лінія показує тло, а жирна червона лінія показує суму фону та сигналу. Ми бачимо, що дані добре узгоджуються з новою часткою в районі 125 ГеВ.

Недоліки перших даних

Дані були переконливими, але не досконалими, і мали значні недоліки. До 4 липня 2012 року не було достатньої статистики для визначення темпу, з яким частка (бозон Хіггса) розпадається на різні набори менш масивних частинок (т.зв. «розгалужені пропорції»), передбачені Стандартною Моделью.

«Пропорція, що гілкується» це просто ймовірність того, що частка розпадеться через даний канал розпаду. Ці пропорції передбачаються Стандартною Моделью і виміряні за допомогою багаторазового спостереження розпадів тих самих частинок.

Наступний графік показує кращі вимірювання пропорцій, що гілкуються, які ми можемо зробити станом на 2013 рік. Оскільки це пропорції, передбачені Стандартною Моделью, очікування дорівнює 1.0. Крапки є поточними вимірами. Очевидно, що відрізки помилок (червоні лінії) здебільшого ще дуже великі, щоб робити серйозні висновки. Ці відрізки скорочуються в міру отримання нових даних, і точки можуть переміщатися.

Як дізнатися, що людина спостерігає подія-кандидат на бозон Хіггса? Існують унікальні параметри, що виділяють такі події.

Чи є частка бозоном Хіггса?

У той час, як було виявлено розпад нової частки, темп, з яким це відбувається, до 4 липня все ще був не зрозумілий. Навіть було не відомо, чи має відкрита частка правильні квантові числа - тобто чи має вона спин і парність, необхідні бозона Хіггса.

Іншими словами, 4 липня частка виглядала як качка, але нам потрібно було переконатися, що вона плаває як качка і крякає як качка.

Всі результати експериментів ATLAS і CMS Великого адронного колайдера (а також колайдера Теватрон з Лабораторії Фермі) після 4 липня 2012 року показали чудову узгодженість з очікуваними розгалуженими пропорціями для п'яти режимів розпаду, обговорюваних вище, і узгодженість з очікуванням +1), які є основними квантовими числами.

Ці параметри мають важливе значення для визначення того, чи справді нова частка це бозон Хіггса або якась інша несподівана частка. Отже, всі наявні докази вказують на бозон Хіггса зі Стандартної Моделі.

Деякі фізики вважали це розчаруванням! Якщо нова частка це бозон Хіггса зі Стандартної Моделі, то, отже, Стандартна Модель по суті повністю завершена. Все, що тепер можна робити, так це проводити вимірювання зі зростаючою точністю того, що вже відкрито.

Але якщо нова частка виявиться чимось, непередбаченим Стандартною Моделью, то це відчинить двері безлічі нових теорій та ідей для перевірки. Несподівані результати завжди вимагають нових пояснень та допомагають штовхати теоретичну фізику вперед.

Звідки у Всесвіті з'явилася маса?

У звичайній матерії основна частина маси міститься в атомах, а, якщо бути точним, укладена в ядрі, що складається з протонів та нейтронів.

Протони і нейтрони виготовлені з трьох кварків, які набувають своєї маси, взаємодіючи з полем Хіггса.

АЛЕ… маси кварків роблять внесок у розмірі близько 10 МеВ, це приблизно 1% від маси протона та нейтрону. То звідки ж береться маса, що залишилася?

Виявляється, маса протона виникає за рахунок кінетичної енергії складових його кварків. Як ви, звичайно, знаєте, маса і енергія пов'язані рівністю E=mc 2 .

Отже, лише мала частина маси звичайної матерії у Всесвіті належить механізму Хіггса. Однак, як ми побачимо в наступному розділі, Всесвіт був би повністю безлюдний без хіггсівської маси, і нікому було б відкрити хіггсівський механізм!

Якби не було поля Хіггса?

Якби не було поля Хіггса, на що був би схожий Всесвіт?

Це не так очевидно.

Безперечно, нічого б не пов'язувало електрони в атомах. Вони б розліталися зі швидкістю світла.

Але кварки пов'язані сильним взаємодією і що неспроможні існувати у вільному вигляді. Деякі пов'язані стани кварків, можливо, збереглися б, але протонів і нейтронів не ясно.

Мабуть, усе це було б ядерно-подібну матерію. І, можливо, все це сколапсувало в результаті гравітації.

Факт, у якому ми точно впевнені: Всесвіт був би холодним, темним і неживим.
Так що бозон Хіггса рятує нас від холодного, темного, неживого Всесвіту, де немає людей, щоб відкрити бозон Хіггса.

Чи є бозон Хіггса бозоном зі Стандартної Моделі?

Ми точно знаємо, що частка, яку ми відкрили, це бозон Хіггса. Ми також знаємо, що він дуже схожий на бозон Хіггса зі Стандартної Моделі. Але існує два моменти, які досі не доведені:

1. Незважаючи на те, що бозон Хіггса із Стандартної Моделі, є невеликі розбіжності, що свідчать про існування нової фізики (невідомої нині).
2. Існують більше ніж один бозон Хіггса, з іншими масами. Це також свідчить, що з'являться нові теорії дослідження.

Тільки час і нові дані допоможуть виявити чи чистоту Стандартної Моделі та її бозона, чи нові хвилюючі фізичні теорії.

Академік Валерій Рубаков, Інститут ядерних досліджень РАН та Московський державний університет.

Четвертого липня 2012 року відбулася подія, що має визначне значення для фізики: на семінарі в ЦЕРНі (Європейському центрі ядерних досліджень) було оголошено про відкриття нової частки, яка, як обережно заявляють автори відкриття, за своїми властивостями відповідає теоретично передбаченому елементарному бозону Стандартної моделі частинок. Його зазвичай називають бозоном Хіггса, хоча ця назва не цілком адекватна. Як би там не було, йдеться про відкриття одного з головних об'єктів фундаментальної фізики, що не має аналогів серед відомих елементарних частинок і займає унікальне місце у фізичній картині світу (див. «Наука і життя» № 1, 1996, стаття «Бозон Хіггса необхідний!»).

Детектор LHC-B призначений для вивчення властивостей В-мезонів – адронів, що містять b-кварк. Ці частки швидко розпадаються, встигнувши відлетіти від пучка частинок лише на частки міліметра. Фото: Maximilien Brice, CERN.

Елементарні частинки стандартної моделі. Майже всі вони мають античастинки, які позначають символом з тильдою зверху.

Взаємодії у мікросвіті. Електромагнітна взаємодія відбувається за рахунок випромінювання та поглинання фотонів (а). Слабкі взаємодії мають схожу природу: вони зумовлені випромінюванням, поглинанням або розпадом Z-бозонів (б) або W-бозонів (в).

Бозон Хіггса Н (спин 0) розпадається на два фотони (спин 1), спини яких антипаралельні і в сумі дають 0.

При випромінюванні фотона або випромінюванні Z-бозону швидким електроном проекція його спина на напрямок руху не змінюється. Круглою стрілкою показано внутрішнє обертання електрона.

В однорідному магнітному полі електрон рухається по прямій вздовж поля і спіралі в будь-якому іншому напрямку.

Фотон великої довжини хвилі і, отже, низької енергії неспроможний дозволити структуру π-мезона - пари кварк-антикварк.

Частки, прискорені у Великому адронному колайдері до величезних енергій, стикаються, породжуючи безліч вторинних частинок – продуктів реакції. Серед них був виявлений і бозон Хіггса, який фізики сподівалися відшукати майже півстоліття.

Англійський фізик Пітер В. Хіггс на початку 1960-х років довів, що у Стандартній моделі елементарних частинок має бути ще один бозон – квант поля, що створює масу у матерії.

Що було на семінарі та до нього

Оголошення про семінар було зроблено наприкінці червня, і відразу стало зрозуміло, що він буде неординарним. Справа в тому, що перші вказівки на існування нового бозону отримали ще в грудні 2011 року в експериментах ATLAS і CMS, що проводяться на Великому адронному колайдері (LHC – Large Hadron Collider) у ЦЕРНі. Крім того, незадовго до семінару з'явилося повідомлення про те, що дані експериментів на протон-антипротонному колайдері Tevatron (Fermilab, США) також вказують на існування нового бозона. Усього цього було недостатньо, щоб говорити про відкриття. Але з грудня кількість даних, набраних на LHC, подвоїлася і методи їхньої обробки стали досконалішими. Результат виявився вражаючим: у кожному з експериментів ATLAS та CMS окремо статистична достовірність сигналу досягла величини, яка у фізиці елементарних частинок вважається рівнем відкриття (п'ять стандартних відхилень).

Семінар пройшов у святковій атмосфері. Крім дослідників, які працюють у ЦЕРНі, та студентів, які займаються там за літніми програмами, його «відвідали» за допомогою інтернету учасники найбільшої конференції з фізики високих енергій, яка саме цього ж дня відкрилася у Мельбурні. Семінар транслювали інтернетом у наукові центри та університети всього світу, включаючи, звичайно, Росію. Після вражаючих виступів керівників колаборацій CMS – Джо Інкандела та ATLAS – Фабіоли Джанотті генеральний директор ЦЕРНу Рольф Хойєр уклав: «I think we have it!» («Думаю, він у нас у руках!»).

То що таке «у нас у руках» і навіщо його вигадали теоретики?

Що являє собою нова частка

Мінімальна версія теорії мікросвіту має незграбну назву Стандартної моделі. Вона включає всі відомі елементарні частинки (ми їх перерахуємо нижче) та всі відомі взаємодії між ними. Гравітаційна взаємодія стоїть окремо: вона залежить від типів елементарних частинок, а описується загальної теорією відносності Ейнштейна. Бозон Хіггса залишався єдиним не відкритим досі елементом Стандартної моделі.

Ми назвали Стандартну модель мінімальною саме тому, що інших елементарних частинок у ній немає. Зокрема, в ній є один, і лише один, бозон Хіггса, і він — частка елементарна, а не складова (про інші можливості йтиметься нижче). Більшість аспектів Стандартної моделі — за винятком нового сектора, до якого належить бозон Хіггса, — перевірено у численних експериментах, і головне завдання у програмі робіт LHC — з'ясувати, чи справді в природі реалізується мінімальний варіант теорії та наскільки повно вона описує мікросвіт.

У ході виконання цієї програми і було відкрито нову частинку, досить важку за мірками фізики мікросвіту. У цій галузі науки масу вимірюють в одиницях енергії, маючи на увазі зв'язок Е = mс 2 між масою та енергією спокою. Одиницею енергії служить електронвольт (еВ) - енергія, яку набуває електрон, пройшовши різницю потенціалів 1 вольт, та його похідні - МеВ (мільйон, 10 6 еВ), ГеВ (мільярд, 10 9 еВ), ТЭВ (трильйон, 10 12 еВ) . Маса електрона в цих одиницях дорівнює 0,5 МеВ, протона - приблизно 1 ГеВ, найважчої відомої елементарної частинки, t-кварка - 173 ГеВ. Так ось, маса нової частки становить 125-126 ГеВ (невизначеність пов'язана з похибкою вимірів). Назвемо цю нову частку Н.

Вона має електричного заряду, нестабільна і може розпадатися по-різному. На Великому адронному колайдері ЦЕРН її відкрили, вивчаючи розпади на два фотони, H → γγ і на дві пари електрон-позитрон і/або мюон-антимюон, H → е + е - е + е - , H → е + е - μ + μ - , H → μ + μ - μ + μ-. Другий тип процесів записують як H → 4ℓ, де ℓ позначає одну з частинок е + , е - , μ + або μ - (їх називають лептонами). І CMS, і ATLAS повідомляють також про деякий надлишок подій, який можна пояснити розпадами H → 2ℓ2ν, де ν — нейтрино. Цей надлишок, втім, поки що не має високої статистичної достовірності.

Взагалі, все, що зараз відомо про нову частинку, узгоджується з її інтерпретацією як бозона Хіггса, передбаченого найпростішою версією теорії елементарних частинок — Стандартною моделлю. В рамках Стандартної моделі можна обчислити як ймовірність народження бозона Хіггса в протон-протонних зіткненнях на Великому адронному колайдері, так і ймовірність його розпадів і тим самим передбачити кількість очікуваних подій. Пророцтва добре підтверджуються експериментами, але, звичайно, у межах похибок. Експериментальні похибки ще великі, та й виміряних величин поки що зовсім небагато. Тим не менш, важко сумніватися, що відкритий саме бозон Хіггса або щось дуже схоже на нього, особливо якщо врахувати, що зазначені розпади повинні бути дуже рідкісними: на два фотони розпадаються 2 з 1000 бозонів Хіггса, а на 4ℓ - 1 з 10 000 .

Більш ніж у половині випадків бозон Хіггса повинен розпадатися на пару b-кварк - b-антикварк: Н → bb̃. Народження пари bb̃ у протон-протонних (і протон-антипротонних) зіткненнях - явище дуже часте і без будь-якого бозона Хіггса, і виділити сигнал від нього з цього "шуму" (фізики кажуть - фону) в експериментах на LHC поки не вдалося. Це частково вийшло на колайдері Tevatron, і хоча статистична достовірність там помітно нижче, ці дані також узгоджуються з передбаченнями Стандартної моделі.

Всі елементарні частинки мають спину - внутрішній кутовий момент. Спин частинки може бути цілим (включаючи нуль) або напівцілим в одиницях постійної Планки. Частинки із цілим спином називаються бозонами, із напівцілим — ферміонами. Спін електрона дорівнює 1/2, спин фотона - 1. З аналізу продуктів розпаду нової частки слід, що її спин цілий, тобто це бозон. Зі збереження кутового моменту в розпаді частки на пару фотонів Н → γγ випливає: спин кожного фотона цілий; Цілим завжди залишається і повний кутовий момент у кінцевого стану (пари фотонів). Значить, і початковий стан він теж цілий.

Крім того, він не дорівнює одиниці: частка спина 1 не може розпадатися на два фотони зі спином 1. Залишається спин 0; 2 чи більше. Хоча спин нової частинки ще не виміряний, вкрай малоймовірно, що ми маємо справу з частинкою спина 2 або більше. Майже, напевно, спин Н дорівнює нулю, і, як ми побачимо, саме таким повинен бути бозон Хіггса.

Закінчуючи опис відомих властивостей нової частки, скажімо, що вона живе за мірками фізики мікросвіту досить довго. За підсумками експериментальних даних оцінка знизу її життя дає Т H > 10 -24 з, що суперечить передбаченню Стандартної моделі: Т H = 1,6·10 -22 з. Для порівняння: час життя t-кварка Тt = 3 · 10 -25 с. Зазначимо, що прямий вимір часу життя нової частки на LHC навряд чи можливий.

Для чого ще один бозон?

У квантовій фізиці кожна елементарна частка служить квантом деякого поля, і навпаки: кожному полю відповідає своя частка-квант; найбільш відомий приклад - електромагнітне поле та його квант, фотон. Тому питання, поставлене в назві, можна переформулювати так:

Навіщо потрібне нове поле та які його очікувані властивості?

Коротка відповідь полягає в тому, що симетрії теорії мікросвіту — чи то Стандартна модель, чи якась складніша теорія — забороняють елементарним часткам мати масу, а нове поле порушує ці симетрії та забезпечує існування мас частинок. У Стандартній моделі - найпростішому варіанті теорії (але тільки в ній!) - всі властивості нового поля і, відповідно, нового бозона, за винятком його маси, однозначно передбачаються знову-таки на основі міркувань симетрії. Як ми говорили, наявні експериментальні дані узгоджуються саме з найпростішим варіантом теорії, проте ці дані поки досить мізерні, і має бути тривала робота з з'ясування того, як саме влаштований новий сектор фізики елементарних частинок.

Розглянемо, хоча б загалом, роль симетрії у фізиці мікросвіту.

Симетрії, закони збереження та заборони

Загальною властивістю фізичних теорій, будь то ньютонівська механіка, механіка спеціальної теорії відносності, квантова механіка або теорія мікросвіту, є те, що кожній симетрії відповідає свій закон збереження. Наприклад, симетрії щодо зрушень у часі (тобто тієї обставини, що закони фізики однакові в кожен момент часу) відповідає закону збереження енергії, симетрії щодо зрушень у просторі — закон збереження імпульсу, а симетрії щодо поворотів у ньому (усі напрямки у просторі рівноправні) - Закон збереження кутового моменту. Закони збереження можна інтерпретувати як заборони: перелічені симетрії забороняють зміна енергії, імпульсу і кутового моменту замкнутої системи за її еволюції.

І навпаки: кожному закону збереження відповідає своя симетрія; це твердження абсолютно точно і у квантовій теорії. Постає питання: яка ж симетрія відповідає закону збереження електричного заряду? Зрозуміло, що симетрії простору та часу, про які ми щойно згадали, тут ні до чого. Проте крім очевидних, просторово-часових симетрій існують неочевидні, «внутрішні» симетрії. Одна з них призводить до збереження електричного заряду. Для нас важливо, що ця ж внутрішня симетрія (тільки розуміється в розширеному значенні — фізики вживають термін «калібровочна інваріантність») пояснює, чому фотон не має маси. Відсутність маси у фотона, у свою чергу, тісно пов'язана з тим, що світла має поляризацію лише двох типів — ліву і праву.

Щоб пояснити зв'язок між наявністю лише двох типів поляризації світла і відсутністю маси у фотона, відвернемося на якийсь час від розмови про симетрії і знову нагадаємо, що елементарні частинки характеризуються спином, напівцілим або цілим в одиницях постійної Планки ћ. Елементарні ферміони (частки напівцілого спина) мають спін 1/2. Це електронне, електронне нейтрино ν e, важкі аналоги електрона - мюон μ і тау-лептон τ, їх нейтрино ν μ і ν τ, кварки шести типів u, d, с, s, t, b і відповідні всім їм частинки (позитрон е + , електронне антинейтрино ν̃ е, антикварк ũ і т.д.). Кварки u та d — легкі, і з них складаються протон (кварковий склад uud) та нейтрон (udd). Інші кварки (c, t, s, b) більш важкі; вони входять до складу короткоживучих частинок, наприклад, К-мезонів.

До бозонів, частинок цілого спина, належать як фотон, а й його віддалені аналоги — глюони (спин 1). Глюони відповідають за взаємодії між кварками та пов'язують їх у протон, нейтрон та інші складові частинки. Крім того, є ще три частинки спина 1 - електрично заряджені W + , W - -бозони і нейтральний Z-бозон, про які попереду. Ну а бозон Хіггса, як говорилося, повинен мати нульовий спин. Тепер ми перерахували всі елементарні частинки, які є у Стандартній моделі.

Масивна частка спина s (в одиницях ћ) має 2s + 1 станів з різними проекціями спина на задану вісь (спин - внутрішній кутовий момент - вектор, так що поняття про його проекцію на задану вісь має звичайний зміст). Наприклад, спин електрона (s = 1/2) у його системі спокою може бути спрямований, допустимо, вгору (s 3 = +1/2) або вниз (s 3 = -1/2). Бозон Z має ненульову масу і спину s = 1, тому станів з різними проекціями спина у нього три: s 3 = +1, 0 або -1. Зовсім інакша справа з безмасовими частинками. Оскільки вони літають зі швидкістю світла, перейти в систему відліку, де така частка спочиває, не можна. Проте можна говорити про її спіральність — проекцію спини на напрямок руху. Так от, хоч спин фотона дорівнює одиниці, таких проекцій тільки дві — у напрямку руху та проти нього. Це і є права та ліва поляризації світла (фотонів). Третій стан з нульовою проекцією спина, яке мало б існувати, якби у фотона маса, заборонено глибокої внутрішньої симетрією електродинаміки, тієї самої симетрією, що призводить до збереження електричного заряду. Таким чином, ця внутрішня симетрія забороняє існування маси у фотона!

Щось не так

Інтерес для нас являють, проте, не фотони, a W ± - і Z-бозони. Ці частки, відкриті в 1983 році на протон-антипротонном колайдері Spp̃S в ЦЕРНі і задовго до цього передбачені теоретиками, мають досить велику масу: W ± -бозони мають масу 80 ГеВ (приблизно в 80 разів важче за протон), а Z-бозон - ? ГеВ. Властивості W ± - і Z-бозонів добре відомі в основному завдяки експериментам на електрон-позитронних колайдерах LEP (ЦЕРН) та SLC (SLAC, США) та протон-антипротонному колайдері Tevatron (Fermilab, США): точність вимірювань цілого ряду величин, що відносяться до W ± - та Z-бозонам, краще 0,1%. Їхні властивості, та інших частинок теж, чудово описує Стандартна модель. Це стосується і взаємодій W ± - і Z-бозонів з електронами, нейтрино, кварками та іншими частинками. Такі взаємодії, до речі, називають слабкими. Вони детально вивчені; один із давно відомих прикладів їхнього прояву — бета-розпади мюона, нейтрону та ядер.

Як мовилося раніше, кожен із W ± - і Z-бозонів може бути у трьох спинових станах, а чи не у двох, як фотон. Проте вони взаємодіють із ферміонами (нейтрино, кварками, електронами тощо) у принципі так само, як фотони. Наприклад, фотон взаємодіє з електричним зарядом електрона і електричним струмом, створюваним електроном, що рухається. Так само Z-бозон взаємодіє з деяким зарядом електрона і струмом, що виникає під час руху електрона, тільки ці заряд і струм мають неелектричну природу. З точністю до важливої ​​особливості, про яку йтиметься незабаром мова, аналогія буде повною, якщо крім електричного заряду електрону приписати ще й Z-заряд. Своїми Z-зарядами мають і кварки, і нейтрино.

Аналогія з електродинамікою тягнеться ще далі. Як і теорія фотона, теорія W ± - і Z-бозонів має глибоку внутрішню симетрію, близьку до тієї, що призводить до закону збереження електричного заряду. У повній аналогії з фотоном вона забороняє W ± - і Z-бозон мати третю поляризацію, а отже, і масу. Ось тут і виходить нестиковка: симетрійна заборона на масу частки спина 1 для фотона працює, а для W± - і Z-бозонів немає!

Далі більше. Слабкі взаємодії електронів, нейтрино, кварків та інших частинок з W ± - і Z-бозонами відбуваються так, ніби ці ферміони не мали маси! Число поляризацій тут ні до чого: і у масивних, і у безмасових ферміонів поляризацій (напрямів спина) дві. Справа в тому, як саме взаємодіють ферміони з W±- та Z-бозонами.

Щоб пояснити суть проблеми, виключимо спочатку масу електрона (теоретично таке дозволено) і розглянемо уявний світ, у якому маса електрона дорівнює нулю. У такому світі електрон літає зі швидкістю світла і може мати спин, спрямований або за напрямом руху, або проти нього. Як і для фотона, у першому випадку має сенс говорити про електрон з правою поляризацією, або, коротше, про правий електрон, у другому - про лівий.

Оскільки ми добре знаємо, як влаштовані електромагнітні та слабкі взаємодії (а лише в них електрон і бере участь), ми цілком здатні описати властивості електрона у нашому уявному світі. А вони такі.

По-перше, у цьому світі правий і лівий електрони — дві абсолютно різні частинки: правий електрон ніколи не перетворюється на лівий і навпаки. Це заборонено законом збереження кутового моменту (у разі спина), а взаємодії електрона з фотоном і Z-бозоном не змінюють його поляризацію. По-друге, взаємодія електрона з W-бозоном відчуває лише лівий електрон, а правий у ньому взагалі бере участь. Третя важлива особливість, про яку ми обмовилися раніше, у цій картині та, що Z-заряди лівого та правого електрона різні, і лівий електрон взаємодіє із Z-бозоном сильніше, ніж правий. Аналогічні властивості є і в мюона, і тау-лептона, і у кварків.

Підкреслимо, що у уявному світі з безмасовими ферміонами немає жодних проблем з тим, що ліві та праві електрони взаємодіють з W- та Z-бозонами по-різному і, зокрема, що «лівий» і «правий» Z-заряди різні. У цьому світі ліві та праві електрони — частки різні, і справа з кінцем: нас же не дивує, наприклад, що електрон та нейтрино мають різні електричні заряди: -1 та 0.

Увімкнувши масу електрона, ми негайно прийдемо до суперечності. Швидкий електрон, швидкість якого близька до швидкості світла, а спин спрямований проти напрямку руху, виглядає майже так само, як лівий електрон із нашого уявного світу. І взаємодіяти він має майже так само. Якщо його взаємодія пов'язана з Z-зарядом, то значення Z-заряду у нього «ліве», таке саме, як у лівого електрона з уявного світу. Однак швидкість масивного електрона все-таки менша за швидкість світла, і завжди можна перейти в систему відліку, що рухається ще швидше. У новій системі напрямок руху електрона зміниться на протилежний, а напрямок спина залишиться тим самим.

Проекція спина на напрямок руху буде тепер позитивною, і такий електрон виглядатиме як правий, а не лівий. Відповідно і його Z-заряд має бути таким самим, як у правого електрона з уявного світу. Але такого не може бути: значення заряду не повинно залежати від системи відліку. Суперечність очевидна. Наголосимо, що ми прийшли до нього, припускаючи, що Z-заряд зберігається; інакше про його значення для цієї частки й говорити не доводиться.

Ця суперечність показує, що симетрії Стандартної моделі (для певності говоритимемо про неї, хоча все сказане відноситься до будь-якого іншого варіанту теорії) мали б забороняти існування мас не тільки у W ± - і Z-бозонів, а й у ферміонів. Але до чого тут симетрії?

При тому, що вони повинні призводити до збереження Z-заряду. Вимірявши Z-заряд електрона, ми змогли б однозначно сказати, лівий цей електрон чи правий. А це можливе лише тоді, коли маса електрона дорівнює нулю.

Таким чином, у світі, де всі симетрії Стандартної моделі реалізовувалися б так само, як у електродинаміці, всі елементарні частки мали б нульові маси. Але у реальному світі маси вони мають, отже, з симетріями Стандартної моделі щось має відбуватися.

Порушення симетрії

Говорячи про зв'язок симетрії із законами збереження та заборонами, ми згаяли одну обставину. Воно полягає в тому, що закони збереження та симетрійні заборони виконуються лише тоді, коли симетрія є явно. Однак симетрії можуть бути порушеними. Наприклад, в однорідному зразку заліза при кімнатній температурі може бути магнітне поле, спрямоване в якусь сторону; тоді зразок є магнітом. Якби існували мікроскопічні істоти, які усередині нього, вони виявили, що ні напрями простору рівноправні. На електрон, що летить упоперек магнітного поля, діє сила Лоренца з боку магнітного поля, а на електрон, що летить вздовж нього, сила не діє. Електрон вздовж магнітного поля рухається прямою, поперек поля по колу, а загальному випадку — по спіралі. Отже, магнітне поле всередині зразка порушує симетрію щодо обертань у просторі. У зв'язку з цим усередині магніту не виконується і закон збереження кутового моменту: при русі електрона спіралі проекція кутового моменту на вісь, перпендикулярну магнітному полю, змінюється з часом.

Тут ми маємо справу зі спонтанним порушенням симетрії. У відсутність зовнішніх впливів (наприклад, магнітного поля Землі) у різних зразках заліза магнітне поле може бути спрямоване в різні сторони, і жоден з цих напрямків не кращий за інший. Вихідна симетрія щодо обертань, як і раніше, є і проявляється вона в тому, що магнітне поле в зразку може бути спрямоване будь-куди. Але якщо магнітне поле виникло, з'явилося і виділений напрямок, і симетрія всередині магніту виявилася порушеною. На більш формальному рівні рівняння, що управляють взаємодією атомів заліза між собою та з магнітним полем, симетричні щодо обертань у просторі, але стан системи цих атомів – зразка заліза – несиметричний. У цьому полягає явище спонтанного порушення симетрії. Зазначимо, що ми тут говоримо про найвигідніший стан, який має найменшу енергію; такий стан називають основним. Саме в ньому зрештою виявиться зразок заліза, навіть якщо спочатку він був ненамагніченим.

Отже, спонтанне порушення деякої симетрії має місце тоді, коли рівняння теорії симетричні, а основний стан немає. Слово «спонтанне» вживають у разі у зв'язку з тим, що система сама, без нашої участі, вибирає несиметричний стан, оскільки саме воно енергетично найбільш вигідне. З наведеного прикладу ясно, що якщо симетрія спонтанно порушена, то закони збереження і заборони, що випливають з неї, не працюють; у нашому прикладі це стосується збереження кутового моменту. Підкреслимо, що повна симетрія теорії може бути порушена лише частково: у нашому прикладі із повної симетрії щодо всіх обертань у просторі явної, непорушеної залишається симетрія щодо обертань навколо напряму магнітного поля.

Мікроскопічні істоти, що живуть усередині магніту, могли б поставити собі питання: «У нашому світі не всі напрямки рівноправні, кутовий момент не зберігається, але чи справді простір несиметричний щодо обертань?» Вивчивши рух електронів і побудувавши відповідну теорію (у разі електродинаміку), вони зрозуміли, що у відповідь це питання негативний: її рівняння симетричні, але це симетрія спонтанно порушена рахунок «розлитого» всюди магнітного поля. Розвиваючи теорію далі, вони передбачили б, що поле, що відповідає за спонтанне порушення симетрії, повинно мати свої кванти, фотони. І, збудувавши всередині магніту маленький прискорювач, з радістю переконалися б, що ці кванти справді існують – вони народжуються у зіткненнях електронів!

Загалом ситуація у фізиці елементарних частинок схожа на описану. Але є й важливі відмінності. По-перше, ні про яке середовище на кшталт кристалічних ґрат атомів заліза говорити не доводиться. У природі стан із найнижчою енергією - вакуум (за визначенням!). Це не означає, що у вакуумі — основному стані природи — не може бути однорідно «розлитих» полів, подібних до магнітного поля в нашому прикладі. Навпаки, нестиковки, про які ми говорили, свідчать, що симетрії Стандартної моделі (точніше їх частина) повинні бути спонтанно порушеними, а це передбачає, що у вакуумі є якесь поле, що забезпечує це порушення. По-друге, йдеться не про просторово-часові, як у нашому прикладі, а про внутрішні симетрії. Просторово-часові симетрії, навпаки, не повинні порушуватись через присутність поля у вакуумі. Звідси випливає важливий висновок: на відміну від магнітного, це поле не повинно виділяти жодного напряму у просторі (точніше, у просторі-часі, оскільки ми маємо справу з релятивістською фізикою). Поля із такою властивістю називають скалярними; їм відповідають частинки спина 0. Отже, поле, «розлите» у вакуумі і яке призводить до порушення симетрії, має бути досі невідомим, новим. Справді, відомим полям, про які ми явно чи неявно згадували вище - електромагнітному полю, полям W ± - і Z-бозонів, глюонів, - відповідають частинки спина 1. Такі поля виділяють напрямки у просторі-часі та називаються векторними, а нам потрібне поле скалярне. Поля, що відповідають ферміонам (спін 1/2), теж годяться. По-третє, нове поле має порушувати симетрії стандартної моделі не повністю, внутрішня симетрія електродинаміки повинна залишатися непорушеною. Нарешті, і це найголовніше, взаємодія нового поля, «розлитого» у вакуумі, з W±- та Z-бозонами, електронами та іншими ферміонами має призводити до появи мас у цих частинок.

Механізм генерації мас частинок зі спином 1 (у природі це W ± - і Z-бозони) за рахунок спонтанного порушення симетрії запропонували в контексті фізики елементарних частинок теоретики з Брюсселя Франсуа Енглер і Роберт Браут в 1964 році і трохи пізніше - фізик з Едінбург .

Дослідники спиралися на уявлення про спонтанне порушення симетрії (але в теоріях без векторних полів, тобто без частинок спина 1), яке запровадили у 1960-1961 роках у своїх роботах Й. Намбу, він також спільно з Дж. Йона-Лазініо, Ст. Г. Вакс та А. І. Ларкін, Дж. Голдстоун (Йоічіро Намбу отримав за цю роботу Нобелівську премію у 2008 році). На відміну від попередніх авторів, Енглер, Браут і Хіггс розглянули теорію (на той час умоглядну), в якій є як скалярне (спин 0), так і векторне поле (спин 1). У цій теорії є внутрішня симетрія, цілком аналогічна симетрії електродинаміки, яка призводить до збереження електричного заряду і до заборони маси фотона. Але на відміну електродинаміки внутрішня симетрія спонтанно порушена однорідним скалярним полем, що у вакуумі. Чудовим результатом Енглера, Браута і Хіггса стала демонстрація того факту, що це порушення симетрії автоматично спричиняє появу маси у частинки спина 1 – кванта векторного поля!

Досить прямолінійне узагальнення механізму Енглера - Браута - Хіггса, пов'язане з включенням в теорію ферміонів та їх взаємодії з скалярним полем, що порушує симетрію, призводить до появи маси і у ферміонів. Все починає ставати на свої місця! Стандартна модель виходить як подальше узагальнення. У ній тепер є не одне, а кілька векторних полів - фотона, W ± - і Z-бозонів (глюони - це окрема історія, вони до механізму Енглера-Браута-Хіггса не мають відношення) і різних типів ферміонів. Останній крок насправді дуже нетривіальний; за формулювання повної теорії слабких та електромагнітних взаємодій Стівен Вайнберг, Шелдон Глешоу та Абдус Салам отримали у 1979 році Нобелівську премію.

Повернемося 1964 року. Для аналізу своєї теорії Енглер і Браут використовували досить химерний за сьогоднішніми мірками підхід. Напевно, тому вони не помітили, що поряд з масивною частинкою спина 1 теорія передбачає існування ще однієї частинки - бозона зі спином 0. А ось Хіггс помітив, і зараз цю нову частину безспінів часто називають бозоном Хіггса. Як уже зазначалося, така термінологія не цілком коректна: вперше запропонували використовувати скалярне поле для спонтанного порушення симетрії та генерації мас частинок спина 1 все ж таки Енглер і Браут. Не вдаючись більше в термінологію, підкреслимо, що новий бозон з нульовим спином є квантом того самого скалярного поля, яке порушує симетрію. І у цьому його унікальність.

Тут слід зробити уточнення. Повторимо, що якби спонтанного порушення симетрії не було, то W±- та Z-бозони були б безмасовими. Кожен із трьох бозонів W + , W - , Z мав би, як фотон, дві поляризації. Разом, вважаючи частинки з різними поляризаціями неоднаковими, ми мали б 2 × 3 = 6 типів W ± - і Z-бозонів. У Стандартній моделі W ± - і Z-бозони масивні, кожен з них має три спинові стани, тобто три поляризації, разом 3 × 3 = 9 типів частинок - квантів полів W ± , Z. Постає питання, звідки взялися три «зайвих» типи квантів? Справа в тому, що стандартної моделі необхідно мати не одне, а чотири скалярні поля Енглера - Браута - Хіггса. Квант одного з них – це бозон Хіггса. А кванти трьох інших у результаті спонтанного порушення симетрії якраз і перетворюються на три «зайві» кванти, що є у масивних W±- та Z-бозонів. Вони давно знайдені, якщо відомо, що W ± - і Z-бозони мають масу: три «зайвих» спинових стану W + -, W - і Z-бозонів – це вони і є.

Ця арифметика, до речі, узгоджується з тим, що всі чотири поля Енглера – Браута – Хіггса – скалярні, їхні кванти мають нульовий спин. Безмасові W ± - та Z-бозони мали б проекції спина на напрямок руху, рівні -1 та +1. Для масивних W ± - і Z-бозонів ці проекції набувають значення -1, 0 і +1, тобто «зайві» кванти мають нульову проекцію. Три поля Енглера – Браута – Хіггса, з яких ці «зайві» кванти виходять, теж мають нульову проекцію спина на напрямок руху просто тому, що їхній вектор спина дорівнює нулю. Все сходиться.

Отже, бозон Хіггса – це квант одного з чотирьох скалярних полів Енглера-Браута-Хіггса у Стандартній моделі. Три інших поїдаються (науковий термін!) W ± - і Z-бозонами, перетворюючись на їх треті, недостатні спинові стани.

А чи так уже потрібний новий бозон?

Найдивовижніше в цій історії полягає в тому, що сьогодні ми розуміємо: механізм Енглера – Браута – Хіггса – аж ніяк не єдиний можливий механізм порушення симетрії у фізиці мікросвіту та генерації мас елементарних частинок, а бозон Хіггса міг би і не існувати. Наприклад, у фізиці конденсованих середовищ (рідин, твердих тіл) є безліч прикладів спонтанного порушення симетрії та різноманітності механізмів цього порушення. І здебільшого нічого схожого на бозон Хіггса в них немає.

Найближчий твердотельний аналог спонтанного порушення симетрії Стандартної моделі у вакуумі - спонтанне порушення внутрішньої симетрії електродинаміки в товщі надпровідника. Воно призводить до того, що у надпровіднику фотон у певному сенсі має масу (як W ± - і Z-бозони у вакуумі). Виявляється це в ефекті Мейсснера - виштовхування магнітного поля з надпровідника. Фотон "не хоче" проникати всередину надпровідника, де він стає масивним: йому там "важко", енергетично невигідно там перебувати (згадайте: Е = mс 2). Магнітне поле, яке можна дещо умовно вважати набором фотонів, має ту саму властивість: воно у надпровідник не проникає. Це і є ефект Мейсснера.

Ефективна теорія надпровідності Гінзбурга Ландау надзвичайно схожа на теорію Енглера Браута Хіггса (точніше, навпаки: теорія Гінзбург Ландау на 14 років старше). У ній теж є скалярне поле, яке однорідно «розлите» надпровідником і призводить до спонтанного порушення симетрії. Проте теорію Гінзбурга — Ландау недарма називають ефективною: вона вхоплює, образно кажучи, зовнішній бік явища, але неадекватна розуміння фундаментальних, мікроскопічних причин виникнення надпровідності. Жодного скалярного поля в надпровіднику насправді немає, в ньому є електрони та кристалічні грати, а надпровідність обумовлена ​​особливими властивостями основного стану системи електронів, що виникають завдяки взаємодії між ними (див. «Наука і життя» № 2, 2004, стаття « ».- Прим.ред.).

Чи не може подібна картина мати місце і в мікросвіті? Чи не виявиться так, що ніякого фундаментального скалярного поля, «розлитого» у вакуумі, немає, а спонтанне порушення симетрії спричинене зовсім іншими причинами? Якщо міркувати суто теоретично і не звертати уваги на експериментальні факти, то відповідь на це запитання ствердна. Вдалим прикладом є так звана модель техніцвіту, запропонована в 1979 році вже згадуваним Стівеном Вайнбергом і незалежно Леонардом Саскіндом.

У ній немає ні фундаментальних скалярних полів, ні бозона Хіггса, а замість них багато нових елементарних частинок, що за своїми властивостями нагадують кварки. Взаємодія між ними і призводить до спонтанного порушення симетрії та генерації мас W±- та Z-бозонів. З масами відомих ферміонів, наприклад електрона, справа гірша, але і цю проблему можна вирішити за рахунок ускладнення теорії.

Уважний читач може запитати: «А як же з аргументами попереднього розділу, які говорять, що порушувати симетрію має саме скалярне поле?» Лазейка тут у тому, що це скалярне поле може бути складним, у тому сенсі, що відповідні йому частинки-кванти не є елементарними, але складаються з інших, «істинно» елементарних частинок.

Згадаймо у зв'язку з цим квантово-механічне співвідношення невизначеностей Гайзенберга Δх ×Δр ≥ ћ, де Δх і Δр — невизначеності координати та імпульсу відповідно. Один з його проявів полягає в тому, що структура складових об'єктів з характерним внутрішнім розміром Δх проявляється лише в процесах за участю частинок з досить високими імпульсами р ≥ћ/Δх, а отже, із досить великими енергіями. Тут доречно нагадати про Резерфорд, який бомбардував атоми електронами високих на той час енергій і таким чином з'ясував, що атоми складаються з ядер та електронів. Розглядаючи атоми в мікроскоп навіть із найдосконалішою оптикою (тобто використовуючи світло — фотони низьких енергій), виявити, що атоми складові, а не елементарні, точкові частинки неможливо: не вистачає дозволу.

Отже, при низьких енергіях складова частка виглядає як елементарна. Для ефективного опису таких частинок при низьких енергіях цілком можна вважати квантами деякого поля. Якщо спин складової частки дорівнює нулю, це поле скалярне.

Подібна ситуація реалізується, наприклад, у фізиці π-мезонів, частинок зі спином 0. До середини 1960-х років не було відомо, що вони складаються з кварків та антикварків (кварковий склад π + -, π - - та π 0 -мезонів - це ud̃, dũ та комбінація з uũ та dd̃ відповідно).

Тоді π-мезон описувалися елементарними скалярними полями. Тепер ми знаємо, що ці частинки складові, але «стара» польова теорія π-мезонів залишається чинною, оскільки розглядаються процеси при низьких енергіях. Лише при енергіях порядку 1 ГеВ і вище починає виявлятися їхня кваркова структура, і теорія перестає працювати. Енергетичний масштаб 1 ГеВ тут з'явився невипадково: це масштаб сильних взаємодій, що зв'язують кварки в π-мезони, протони, нейтрони і т.д., це масштаб мас часток, що сильно взаємодіють, наприклад протона. Зазначимо, що самі π-мезони стоять особняком: тому, про яку ми не будемо тут говорити, вони мають набагато менші маси: m π± = 140 МеВ, m π0 = 135 МеВ.

Отже, скалярні поля, відповідальні за спонтанне порушення симетрії, можуть бути складовими. Саме таку ситуацію передбачає модель технічного кольору. При цьому три безспінові кванти, які поїдаються W ± - і Z-бозонами і стають їх відсутніми спиновими станами, мають близьку аналогію з π + -, π - - і π 0 -мезонами. Тільки відповідний енергетичний масштаб не 1 ГеВ, а кілька ТеВ. У такій картині очікується існування багатьох нових складових частинок — аналогів протона, нейтрону і т.д. - З масами порядку декількох ТеВ. Порівняно легкий бозон Хіггса у ній, навпаки, відсутня. Ще одна особливість моделі в тому, що W ± - і Z-бозони в ній - частки частково складові, оскільки, як ми сказали, деякі їх компоненти аналогічні π-мезон. Це мало б виявлятися у взаємодіях W ± - і Z-бозонів.

Саме остання обставина призвела до того, що модель техніцвета (принаймні, у її початковому формулюванні) була відкинута задовго до виявлення нового бозона: точні вимірювання властивостей W ± - і Z-бозонів на LEP і SLC не узгоджуються з прогнозами моделі.

Ця вродлива теорія була розгромлена впертими експериментальними фактами, а відкриття бозона Хіггса поставило на ній остаточний хрест. Проте для мене, як і для інших теоретиків, ідея про складові скалярні поля привабливішої теорії Енглера — Браута — Хіггса з елементарними скалярними полями. Звичайно, після відкриття в ЦЕРНі нового бозона ідея про складеність виявилася ще складнішою, ніж раніше: якщо ця частка складова, вона повинна досить успішно мімікрувати під елементарний бозон Хіггса. І все ж таки поживемо — побачимо, що покажуть експерименти на LHC, насамперед точніші виміри властивостей нового бозона.

Відкриття зроблено. Що далі?

Повернемося, як робоча гіпотеза, до мінімальної версії теорії — Стандартної моделі з одним елементарним бозоном Хіггса. Оскільки в цій теорії саме поле (точніше, поля) Енглера – Браута – Хіггса дає маси всім елементарним частинкам, взаємодія кожної з цих частинок з бозоном Хіггса жорстко фіксована. Чим більша маса частинки, тим сильніша взаємодія; чим сильніша взаємодія, тим ймовірнішим є розпад бозона Хіггса на пару частинок даного сорту. Розпади бозона Хіггса на пари реальних частинок tt̃, ZZ та W+W- заборонені законом збереження енергії. Він вимагає, щоб сума мас продуктів розпаду була меншою за масу частки, що розпадалася (знову згадуємо Е = mс 2), а у нас, нагадаємо, m н ≈ 125 ГеВ, m t = 173 ГеВ, m z = 91 ГеВ і m w = 80 ГеВ. Наступним по масі стоїть b-кварк з m b = 4 ГеВ, і саме тому, як ми говорили, бозон Хіггса найохочіше розпадається на пару bb̃. Цікавим є і розпад бозона Хіггса на пару досить важких τ-лептонів H → τ + τ - (m τ = 1,8 ГеВ), що відбувається з ймовірністю 6%. Розпад H → μ + μ - (m µ = 106 МеВ) повинен відбуватися з ще меншою, але все ж таки не зникаючою ймовірністю 0,02%. Крім обговорюваних вище розпадів H → γγ; H → 4ℓ та H → 2ℓ2ν, відзначимо розпад H → Zγ, ймовірність якого має становити 0,15%. Всі ці ймовірності можна буде виміряти на LHC і будь-яке відхилення від цих передбачень означатиме, що наша робоча гіпотеза — Стандартна модель — неправильна. І навпаки, згода з передбаченнями Стандартної моделі все більше переконуватиме нас у її справедливості.

Те саме можна сказати і про народження бозона Хіггса у сутичках протонів. Бозон Хіггса може народжуватися поодинці при взаємодії двох глюонів, разом з парою легких кварків високих енергій, разом з одним W або Z-бозоном або, нарешті, разом з парою tt̃. Частинки, що народжуються разом із бозоном Хіггса, можна детектувати та ототожнювати, тому різні механізми народження можна вивчати на LHC окремо. Тим самим вдається витягувати інформацію про взаємодію бозона Хіггса з W±-, Z-бозонами та t-кварком.

Зрештою, важлива властивість бозона Хіггса — його взаємодія із самим собою. Воно має виявлятися у процесі Н* → ПН, де Н* — віртуальна частка. Властивості цієї взаємодії теж однозначно передбачає Стандартна модель. Втім, його вивчення – справа віддаленого майбутнього.

Отже, на LHC є велика програма вивчення взаємодій нового бозона. В результаті її виконання стане більш менш ясно, чи описує природу Стандартна модель або ми маємо справу з якоюсь іншою, більш складною (а можливо, і більш простою) теорією. Подальше просування пов'язані з істотним підвищенням точності вимірів; воно вимагатиме будівництва нового електрон-позитронного прискорювача — е+е-колайдера з рекордною для такого типу машин енергією. Дуже можливо, що на цьому шляху нас чекає безліч сюрпризів.

Замість висновку: у пошуках «нової фізики»

З «технічної» погляду Стандартна модель внутрішньо несуперечлива. Тобто в її рамках можна - хоча б у принципі, а як правило, і на практиці - обчислити будь-яку фізичну величину (зрозуміло, що відноситься до тих явищ, які вона покликана описувати), і результат не міститиме невизначеностей. Проте багато хто, хоч і не всі, теоретики вважають стан справ у Стандартній моделі, м'яко кажучи, не цілком задовільним. І пов'язано це насамперед із її енергетичним масштабом.

Як зрозуміло з попереднього, енергетичний масштаб Стандартної моделі має порядок M см = 100 ГеВ (ми тут не говоримо про сильні взаємодії з масштабом 1 ГеВ, з ним все простіше). Це масштаб мас W ± - і Z-бозонів і бозона Хіггса. Чи багато це чи мало? З експериментальної точки зору — неабияк, а ось з теоретичної...

У фізиці є ще один масштаб енергії. Він пов'язаний з гравітацією і дорівнює масі Планка M pl = 1019 ГеВ. При низьких енергіях гравітаційні взаємодії між частинками дуже малі, але вони посилюються зі зростанням енергії, і при енергіях порядку M pl гравітація стає сильною. Енергії вище M pl - це область квантової гравітації, що б вона собою не являла. Для нас важливо, що гравітація — мабуть, найфундаментальніша взаємодія та гравітаційний масштаб Mpl — найбільш фундаментальний масштаб енергій. Чому ж тоді масштаб Стандартної моделі Мсм = 100 ГеВ такий далекий від M pl = 1019 ГеВ?

У зазначеної проблеми є ще один, тонший аспект. Він пов'язаний із властивостями фізичного вакууму. У квантовій теорії вакуум – основний стан природи – влаштований дуже нетривіально. У ньому постійно народжуються і знищуються віртуальні частки; іншими словами, утворюються та зникають флуктуації полів. Безпосередньо спостерігати ці процеси ми можемо, але вони впливають на спостережувані властивості елементарних частинок, атомів тощо. Наприклад, взаємодія електрона в атомі з віртуальними електронами і фотонами призводить до явища, що спостерігається в атомних спектрах, — лембівського зрушення. Інший приклад: поправка до магнітного моменту електрона або мюона (аномальний магнітний момент) також зумовлена ​​взаємодією з віртуальними частинками. Ці та подібні ефекти обчислені та виміряні (у зазначених випадках з фантастичною точністю!), так що ми можемо бути впевнені, що маємо правильну картину фізичного вакууму.

У цій картині всі параметри, що спочатку закладені в теорію, отримують поправки, звані радіаційними, за рахунок взаємодії з віртуальними частинками. У квантовій електродинаміці вони малі, а от у секторі Енглера – Браута – Хіггса вони величезні. Така особливість елементарних скалярних полів, що становлять цей сектор; в інших полів цієї властивості немає. Головний ефект тут полягає в тому, що радіаційні поправки прагнуть «підтягнути» енергетичний масштаб стандартної моделі M см до гравітаційного масштабу M pl . Якщо залишатися в рамках Стандартної моделі, то єдиний вихід - підібрати початкові параметри теорії так, щоб разом з радіаційними поправками вони призводили до правильного значення M см. Проте з'ясовується, що точність припасування повинна становити величину, близьку до M см 2 /M pl 2 = 10 -34! У цьому полягає другий аспект проблеми енергетичного масштабу Стандартної моделі: видається неправдоподібним, що таке припасування має місце у природі.

Багато (хоч, повторимо, не всі) теоретики вважають, що ця проблема однозначно свідчить про необхідність виходу за рамки стандартної моделі. Дійсно, якщо Стандартна модель перестає працювати або істотно розширюється на енергетичному масштабі «нової фізики — НФ» M нф, то необхідна точність припасування параметрів становитиме, грубо кажучи, М 2 см / М 2 нф, а насправді на два менше. Якщо вважати, що тонкої підстроювання параметрів у природі немає, то масштаб «нової фізики» повинен лежати в області 1—2 ТеВ, тобто саме в області, доступній для дослідження на Великому адронному колайдері!

Якою б могла бути «нова фізика»? Єдності у теоретиків із цього приводу немає. Один варіант - складова природа скалярних полів, що забезпечують спонтанне порушення симетрії, про яке вже йшлося. Інша, теж популярна (поки що?) можливість – суперсиметрія, про яку скажемо тільки, що вона передбачає цілий зоопарк нових частинок з масами в області сотень ГеВ – кількох ТеВ. Обговорюються й екзотичні варіанти на кшталт додаткових вимірів простору (скажімо, так звана М-теорія — див. «Наука і життя» №№ 2, 3, 1997 р., стаття «Суперструни: на шляху до теорії всього». — Прим. ред. .).

Незважаючи на всі зусилля, досі жодних експериментальних вказівок на «нову фізику» не отримано. Це взагалі вже починає вселяти тривогу: а чи правильно ми все розуміємо? Цілком можливо, втім, що ми ще не дісталися «нової фізики» за енергією та кількістю набраних даних і що саме з нею будуть пов'язані нові, революційні відкриття. Основні надії тут покладають знову ж таки на Великий адронний колайдер, який через півтора роки почне працювати на повну енергію 13—14 ТЕВ та швидко набирати дані. Слідкуйте за новинами!

Машини точних вимірювань та відкриттів

Фізика елементарних частинок, яка вивчає найкрихітніші об'єкти в природі, потребує гігантських дослідницьких установок, де ці частинки прискорюються, стикаються, розпадаються. Найпотужніші з них – колайдери.

Колайдер— це прискорювач із зустрічними пучками частинок, у якому частинки стикаються «лоб у лоб», наприклад, електрони та позитрони в е+е-колайдерах. До цього часу були створені також протон-антипротонні, протон-протонні, електрон-протонні та ядро-ядерні (або важкоіонні) колайдери. Інші можливості, наприклад, μ + μ - колайдер, поки що тільки обговорюються. Основними колайдерами для фізики елементарних частинок служать протон-антипротонні, протон-протонні та електрон-позитронні.

Великий адронний колайдер (LHC)- Протон-протонний, він прискорює два пучки протонів один назустріч іншому (може також працювати і як важкоіонний колайдер). Проектна енергія протонів у кожному з пучків становить 7 ТеВ, тому повна енергія зіткнення — 14 ТеВ. 2011 року колайдер працював на половині цієї енергії, а 2012 року — на повній енергії 8 ТеВ. Великий адронний колайдер є кільцем довжиною 27 км, в якому протони прискорюють електричні поля, а утримують поля, створені надпровідними магнітами. Зіткнення протонів відбуваються у чотирьох місцях, де розташовані детектори, що реєструють частинки, що народжуються у зіткненнях. ATLAS та CMS призначені для досліджень у галузі фізики елементарних частинок високої енергії; LHC-b – для вивчення частинок, у складі яких є b-кварки, а ALICE – для досліджень гарячої та щільної кварк-глюонної матерії.

Spp̃S- Протон-антипротонний колайдер у ЦЕРНі. Довжина кільця 6,9 км., максимальна енергія зіткнення 630 ГеВ. Працював із 1981 по 1990 рік.

LEP- Кільцевий електрон-позитронний колайдер з максимальною енергією зіткнення 209 ГеВ, розташований у тому ж тунелі, що і LHC. Працював із 1989 по 2000 рік.

SLC- Лінійний електрон-позитронний колайдер в SLAC, США. Енергія зіткнення 91 ГеВ (маса Z-бозону). Працював із 1989 по 1998 рік.

Tevatron - кільцевий протон-антипротонний колайдер у Fermilab, США. Довжина кільця 6 км, максимальна енергія зіткнення 2 ТЕВ. Працював з 1987 до 2011 року.

Порівнюючи протон-протонні та протон-антипротонні колайдери з електрон-позитронними, потрібно мати на увазі, що протон - складова частка, він містить у собі кварки та глюони. Кожен із цих кварків і глюонів несе лише частину енергії протона. Тому у Великому адронному колайдері, наприклад, енергія елементарного зіткнення (між двома кварками, між двома глюонами або кварка з глюоном) помітно нижче сумарної енергії протонів, що стикаються (14 ТЕВ при проектних параметрах). Через це область енергій, доступних для вивчення на ньому, досягає «всього» 2-4 ТеВ, залежно від процесу, що вивчається. Такої особливості електрон-позитронні колайдери не мають: електрон - елементарна, безструктурна частка.

Перевага протон-протонних (і протон-антипротонних) колайдерів у тому, що навіть з урахуванням цієї особливості досягти високих енергій зіткнень на них технічно простіше, ніж на електрон-позитронних. Є й мінус. Через складову структуру протона, а також через те, що кварки та глюони взаємодіють між собою набагато сильніше, ніж електрони з позитронами, у зіткненнях протонів відбувається набагато більше подій, не цікавих з погляду пошуку бозону Хіггса чи інших нових частинок і явищ. Цікаві ж події виглядають у протонних зіткненнях «бруднішими», у яких народжується багато «сторонніх», нецікавих частинок. Все це створює шум, виділити з якого корисний сигнал складніше, ніж на електрон-позитронних колайдерах. Відповідно нижче і точність вимірів. Через все це протон-протонні (і протон-антипротонні) колайдери називають машинами відкриттів, а електрон-позитронні — машинами точних вимірів.

Стандартне відхилення(Середньоквадратичне відхилення) σ х - характеристика випадкових відхилень виміряної величини від середнього значення. Імовірність того, що виміряне значення величини X випадковим чином виявиться різним на 5 х від істинного, становить всього 0,00006%. Саме тому у фізиці елементарних частинок відхилення сигналу від фону на 5? вважають достатнім для визнання сигналу істинним.

Частинки, Перелічені в Стандартній моделі, крім протона, електрона, нейтрино та їх античастинок, нестабільні: вони розпадаються на інші частки. Втім, два типи нейтрино з трьох теж мають бути нестабільними, але їхній час життя надзвичайно великий. У фізиці мікросвіту діє принцип: все, що може відбуватися, справді відбувається. Тому стабільність частки пов'язана із якимось законом збереження. Електрону та позитрону забороняє розпадатися закон збереження заряду. Найлегше нейтрино (спин 1/2) не розпадається через збереження кутового моменту. Розпад протона заборонено законом збереження ще одного «заряду», який називають баріонним числом (баріонне число протона за визначенням дорівнює 1, а легших частинок — нулю).

З баріонним числом пов'язана ще одна внутрішня симетрія. Точна вона чи наближена, чи стабільний протон, чи має кінцевий, хоч і дуже великий час життя — предмет окремої розмови.

Кварки- Один з типів елементарних частинок. У вільному стані вони не спостерігаються, а завжди пов'язані один з одним і утворюють складові частинки – адрони. Єдиний виняток - t-кварк, він розпадається, не встигнувши поєднатися з іншими кварками або антикварками в адрон. До адронів відносяться протон, нейтрон, π-мезони, К-мезони та ін.

b-кварк - один із шести типів кварків, другий за масою після t-кварка.

Мюон - важкий нестабільний аналог електрона з масою m μ = 106 МеВ. Час життя мюона Т μ = 2·10 -6 секунд досить великий для того, щоб він пролітав через весь детектор, не розпадаючись.

Віртуальна часткавідрізняється від реальної тим, що для реальної частки виконується звичайне релятивістське співвідношення між енергією та імпульсом Е 2 = р 2 з 2 + m 2 з 4 а для віртуальної не виконується. Таке можливе завдяки квантово-механічному співвідношенню ΔE·Δt ~ ħ між невизначеністю енергії ΔЕ та тривалістю процесу Δt. Тому віртуальна частка майже миттєво розпадається або анігілює з іншого (її час життя Δt дуже мало), а реальна живе помітно довше або взагалі стабільна.

Лембовський зсув рівнів- невелике відхилення тонкої структури рівнів атома водню та водневих атомів під дією випромінювання та поглинання ними віртуальних фотонів або віртуального народження та анігіляції електрон-позитронних пар. Ефект виявили 1947 року американські фізики У. Лемб і Р. Резерфорд.