Божественная частица бозон хиггса. Данные бозона Хиггса, распавшегося на два фотона. Откуда во Вселенной появилась масса

Мы, коллектив Quantuz, (пытаемся вступить в сообщество GT) предлагаем наш перевод раздела сайта particleadventure.org, посвященного бозону Хиггса. В данном тексте мы исключили неинформативные картинки (полный вариант см. в оригинале). Материал будет интересен всем интересующимся последними достижениями прикладной физики.

Роль бозона Хиггса

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

Теория 1964-го года

В 1964 году шестеро физиков-теоретиков выдвинули гипотезу существования нового поля (подобно электромагнитному), которым заполнено все пространство и решает критическую проблему в нашем понимании вселенной.

Независимо от этого другие физики построили теорию фундаментальных частиц, названную в итоге «Стандартной Моделью», которая обеспечивала феноменальную точность (экспериментальная точность некоторых частей Стандартной Модели достигает 1 к 10 миллиардам. Это равнозначно предсказанию расстояния между Нью-Йорком и Сан-Франциско с точностью около 0.4 мм). Эти усилия оказались тесно взаимосвязаны. Стандартная Модель нуждалась в механизме приобретения частицами массы. Полевую теорию разработали Питер Хиггс, Роберт Браут, Франсуа Энглер, Джералд Гуралник, Карл Хаген и Томас Киббл.

Бозон

Питер Хиггс понял, что по аналогии с другими квантовыми полями должна существовать частица, связанная с этим новым полем. Она должна иметь спин равным нулю и, таким образом, являться бозоном – частицей с целым спином (в отличие от фермионов, у которых спин полуцелый: 1/2, 3/2 и т.д.). И действительно он вскоре стал известен как Бозон Хиггса. Единственным его недостатком было то, что его никто не видел.

Какова масса бозона?

К несчастью, теория, предсказывающая бозон, не уточняла его массу. Прошли годы, пока не стало ясно, что бозон Хиггса должен быть экстремально тяжелым и, скорее всего, за пределами досягаемости для установок, построенных до Большого Адронного Коллайдера (БАК).

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

В то время, когда БАК начал сбор данных в 2010, эксперименты на других ускорителях показали, что масса бозона Хиггса должна быть больше, чем 115 ГэВ/с2. В ходе опытов на БАК планировалось искать доказательства бозона в интервале масс 115-600 ГэВ/с2 или даже выше, чем 1000 ГэВ/с2.

Каждый год экспериментально удавалось исключать бозоны с бОльшими массами. В 1990 было известно, что искомая масса должна быть больше 25 ГэВ/с2, а в 2003 выяснилось, что больше 115 ГэВ/с2

Столкновения на Большом Адронном Коллайдере могут порождать много чего интересного

Дэннис Оувербай в «Нью-Йорк Таймс» рассказывает про воссоздание условий триллионной доли секунды после Большого Взрыва и говорит:

«…останки [взрыва] в этой части космоса не видны с тех пор, как Вселенная охладилась 14 миллиардов лет назад – весна жизни мимолетна, снова и снова во всех ее возможных вариантах, как если бы Вселенная участвовала в собственной версии фильма «день Сурка »

Одним из таких «останков» может быть бозон Хиггса. Его масса должна быть очень велика, и он должен распадаться менее чем за наносекунду.

Анонс

После половины столетия ожиданий драма стала напряженной. Физики спали у входа в аудиторию, чтобы занять места на семинаре в лаборатории ЦЕРН в Женеве.

За десять тысяч миль отсюда, на другом краю планеты, на престижной международной конференции по физике частиц в Мельбурне сотни ученых со всех уголков земного шара собрались, чтобы услышать вещание семинара из Женевы.

Но сперва давайте взглянем на предпосылки.

Фейерверк 4 июля

4-го июля 2012 руководители экспериментов ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере представили их последние результаты поиска бозона Хиггса. Ходили слухи, что они собираются сообщить больше, чем просто отчет о результатах, но что?

Конечно же, когда результаты были представлены, обе коллаборации, проводившие эксперименты, отчитались о том, что они нашли доказательство существования частицы «похожей на бозон Хиггса» с массой около 125 ГэВ. Это определенно была частица, и если она не бозон Хиггса, то очень качественная его имитация.

Доказательство не было сомнительным, ученые располагали результатами в пять сигма, означающих, что существует менее одной вероятности на миллион, что данные являются просто статистической ошибкой.

Бозон Хиггса распадается на другие частицы

Бозон Хиггса распадается на другие частицы почти сразу же после того, как будет произведен, так что мы можем наблюдать только продукты его распада. Наиболее распространенные распады (среди тех, которые мы можем увидеть) показаны на рисунке:

Каждый вариант распада бозона Хиггса известен как «канал распада» или «режим распада». Хотя bb-режим является распространенным, многие другие процессы производят подобные частицы, так что если вы наблюдаете bb-распад, очень трудно сказать, появились ли частицы в связи с бозоном Хиггса или как-то еще. Мы говорим, что режим bb-распада имеет «широкий фон».

Лучшими каналами распада для поиска бозона Хиггса являются каналы двух фотонов и двух Z-бозонов.*

*(Технически для 125 ГэВ массы бозона Хиггса распад на два Z-бозона не возможен, так как Z-бозон имеет массу 91 ГэВ, вследствие чего пара имеет массу 182 ГэВ, большую чем 125 ГэВ. Однако то, что мы наблюдаем, является распадом на Z-бозон и виртуальный Z-бозон (Z*), масса которого много меньше.)

Распад бозона Хиггса на Z + Z

Z-бозоны также имеют несколько режимов распада, включая Z → e+ + e- и Z → µ+ + µ-.

Режим распада Z + Z был довольно прост для экспериментов ATLAS и CMS, когда оба Z-бозона распадались в одном из двух режимов (Z → e+ e- или Z → µ+ µ-). На рисунке четыре наблюдаемых режима распада бозона Хиггса:

Конечный результат состоит в том, что иногда наблюдатель увидит (в дополнение к некоторым несвязанным частицам) четыре мюона, или четыре электрона, или два мюона и два электрона.

Как бозон Хиггса выглядел бы в детекторе ATLAS

В этом событии «джет» (струя) возникла идущей вниз, а бозон Хиггса – вверх, но он почти мгновенно распался. Каждая картинка столкновения называется «событием».

Пример события с возможным распадом бозона Хиггса в виде красивой анимации столкновения двух протонов в Большом адронном коллайдере можно посмотреть на сайте-источнике по этой ссылке .

В этом событии бозон Хиггса может быть произведен, а затем немедленно распадается на два Z-бозона, которые в свою очередь немедленно распадутся (оставив два мюона и два электрона).

Механизм, дающий массу частицам

Открытие бозона Хиггса является невероятным ключом к разгадке механизма того, как фундаментальные частицы приобретают массу, что и утверждали Хиггс, Браут, Энглер, Джералд, Карл и Киббл. Что это за механизм? Это очень сложная математическая теория, но ее главная идея может быть понятна в виде простой аналогии.

Представьте себе пространство, заполненное полем Хиггса, как вечеринку спокойно общающихся между собой физиков с коктейлями …
В какой-то момент входит Питер Хиггс, который создает волнение, двигаясь через комнату и притягивая группу поклонников с каждым шагом…

До того как войти в комнату профессор Хиггс мог двигаться свободно. Но после захода в комнату полную физиков его скорость уменьшилась. Группа поклонников замедлила его движение по комнате; другими словами, он приобрел массу. Это аналогично безмассовой частице, приобретающей массу при взаимодействии с полем Хиггса.

А ведь все что он хотел – это добраться до бара!

(Идея аналогии принадлежит проф. Дэвиду Дж. Миллеру из Университетского колледжа Лондона, который выиграл приз за доступное объяснение бозона Хиггса - © ЦЕРН)

Как бозон Хиггса получает собственную массу?

С другой стороны, в то время новости распространяются по комнате, они также формируют группы людей, но на этот раз исключительно из физиков. Такая группа может медленно перемещаться по комнате. Подобно другим частицам бозон Хиггса приобретает массу просто взаимодействуя с полем Хиггса.

Поиск массы бозоны Хиггса

Как вы найдете массу бозона Хиггса, если он распадается на другие частицы до того, как мы его обнаружим?

Если вы решили собрать велосипед и захотели знать его массу, вам следует складывать массы частей велосипеда: двух колес, рамы, руля, седла и т.д.

Но если вы хотите вычислить массу бозона Хиггса из частиц, на которые он распался, просто складывать массы не получится. Почему же нет?

Сложение масс частиц распада бозона Хиггса не работает, так как эти частицы имеют огромную кинетическую энергию по сравнению с энергией покоя (помним, что для покоящейся частицы E = mc 2). Это происходит вследствие того, что масса бозона Хиггса много больше, чем массы конечных продуктов его распада, поэтому оставшаяся энергия куда-то уходит, а именно - в кинетическую энергию возникших после распада частиц. Теория относительности говорит нам использовать равенство ниже для подсчета «инвариантной массы» набора частиц после распада, которая и даст нам массу «родителя», бозона Хиггса:

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

Поиск массы бозона Хиггса из продуктов его распада

Примечание Quantuz: тут мы немного не уверены в переводе, так как идут специальные термины. Предлагаем сравнить перевод с источником на всякий случай.

Когда мы говорим о распаде типа H → Z + Z* → e+ + e- + µ+ + µ-, то четыре возможные комбинации, показанные выше, могут возникнуть как от распада бозона Хиггса, так и от фоновых процессов, так что нам нужно взглянуть на гистограмму суммарной массы четырех частиц в указанных комбинациях.

Гистограмма масс подразумевает, что мы наблюдаем за огромным количеством событий и отмечаем количество тех событий, когда получается итоговая инвариантная масса. Она выглядит как гистограмма, потому что значения инвариантной массы разделены на столбцы. Высота каждого столбца показывает число событий, в которых инвариантная масса оказывается в соответствующем диапазоне.

Мы можем вообразить, что это результаты распада бозона Хиггса, но это не так.

Данные о бозоне Хиггса из фона

Красные и фиолетовые области гистограммы показывают «фон», в котором число четырехлептонных событий предположительно произойдут без участия бозона Хиггса.

Синяя область (см. анимацию) представляет «сигнальный» прогноз, в котором число четырехлептонных событий предполагают результат распада бозона Хиггса. Сигнал расположен на вершине фона, так как для того, чтобы получить общее прогнозируемое количество событий, вы просто складываете все возможные исходы событий, которые могут произойти.

Черные точки показывают число наблюдаемых событий, в то время как черные линии, проходящие через точки, представляют статистическую неопределенность в этих числах. Рост данных (см. следующий слайд) на уровне 125 ГэВ является признаком новой 125 ГэВ-частицы (бозон Хиггса).

Анимация эволюции данных для бозона Хиггса по мере накопления находится на оригинальном сайте .

Сигнал бозона Хиггса медленно растет над фоном.

Данные бозона Хиггса, распавшегося на два фотона

Распад на два фотона (H → γ+ γ) имеет еще более широкий фон, но тем не менее сигнал четко выделяется.

Это гистограмма инвариантной массы для распада бозона Хиггса на два фотона. Как вы можете видеть, фон очень широкий по сравнению с предыдущим графиком. Так происходит потому, что существует гораздо больше процессов производящих два фотона, чем процессов с четырьмя лептонами.

Пунктирная красная линия показывает фон, а жирная красная линия показывает сумму фона и сигнала. Мы видим, что данные хорошо согласуются с новой частицей в районе 125 ГэВ.

Недостатки первых данных

Данные были убедительны, но не совершенны, и имели значительные недостатки. К 4-му июля 2012 не имелось достаточной статистики для определения темпа, с которым частица (бозон Хиггса) распадается на различные наборы менее массивных частиц (т.н. «ветвящиеся пропорции»), предсказываемые Стандартной Моделью.

«Ветвящаяся пропорция» это просто вероятность того, что частица распадется через данный канал распада. Эти пропорции предсказываются Стандартной Моделью и измерены с помощью многократного наблюдения распадов одних и тех же частиц.

Следующий график показывает лучшие измерения ветвящихся пропорций, которые мы можем сделать по состоянию на 2013 год. Так как это пропорции, предсказанные Стандартной Моделью, ожидание равно 1.0. Точки являются текущими измерениями. Очевидно, что отрезки ошибок (красные линии) в большинстве все еще слишком велики, чтобы делать серьезные выводы. Эти отрезки сокращаются по мере получения новых данных и точки возможно могут перемещаться.

Как же узнать, что человек наблюдает событие–кандидат на бозон Хиггса? Существуют уникальные параметры, которые выделяют такие события.

Является ли частица бозоном Хиггса?

В то время как был обнаружен распад новой частицы, темп, с которым это происходит, к 4 июля все еще был не ясен. Даже было не известно, имеет ли открытая частица правильные квантовые числа – то есть имеет ли она спин и четность, требуемые для бозона Хиггса.

Другими словами, 4 июля частица выглядела как утка, но нам требовалось убедиться, что она плавает как утка и крякает как утка.

Все результаты экспериментов ATLAS и CMS Большого адронного коллайдера (а также коллайдера Тэватрон из Лаборатории Ферми) после 4 июля 2012 показали замечательную согласованность с ожидаемыми ветвящимися пропорциями для пяти режимов распада, обсуждаемых выше, и согласованность с ожидаемым спином (равным нулю) и четностью (равной +1), которые являются основными квантовыми числами.

Эти параметры имеют важное значение для определения того, действительно ли новая частица это бозон Хиггса или какая-то другая неожиданная частица. Так что все имеющиеся доказательства указывают на бозон Хиггса из Стандартной Модели.

Некоторые физики посчитали это разочарованием! Если новая частица это бозон Хиггса из Стандартной Модели, то, значит, Стандартная Модель по сути полностью завершена. Все, что теперь можно делать, так это проводить измерения с возрастающей точностью того, что уже открыто.

Но если новая частица окажется чем-то, непредсказанным Стандартной Моделью, то это откроет дверь множеству новых теорий и идей для проверки. Неожиданные результаты всегда требуют новых объяснений и помогают толкать теоретическую физику вперед.

Откуда во Вселенной появилась масса?

В обычной материи основная часть массы содержится в атомах, а, если быть точным, заключена в ядре, состоящим из протонов и нейтронов.

Протоны и нейтроны сделаны из трех кварков, которые приобретают свою массу, взаимодействуя с полем Хиггса.

НО… массы кварков вносят вклад в размере около 10 МэВ, это примерно 1% от массы протона и нейтрона. Так откуда же берется оставшаяся масса?

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

Так что лишь малая часть массы обычной материи во Вселенной принадлежит механизму Хиггса. Однако, как мы увидим в следующем разделе, Вселенная была бы полностью необитаема без хиггсовской массы, и некому было бы открыть хиггсовский механизм!

Если бы не было поля Хиггса?

Если бы не было поля Хиггса, на что была бы похожа Вселенная?

Это не так очевидно.

Определенно, ничего бы не связывало электроны в атомах. Они бы разлетались со скоростью света.

Но кварки связаны сильным взаимодействием и не могут существовать в свободном виде. Некоторые связанные состояния кварков, возможно, сохранились бы, но насчет протонов и нейтронов не ясно.

Вероятно, все это представляло бы собой ядерно-подобную материю. И может быть все это сколлапсировало в результате гравитации.

Факт, в котором мы точно уверены: Вселенная была бы холодной, тёмной и безжизненной.
Так что бозон Хиггса спасает нас от холодной, тёмной, безжизненной Вселенной, где нет людей, чтобы открыть бозон Хиггса.

Является ли бозон Хиггса бозоном из Стандартной Модели?

Мы точно знаем, что частица, которую мы открыли это бозон Хиггса. Нам также известно, что он очень похож на бозон Хиггса из Стандартной Модели. Но существует два момента, которые все еще не доказаны:

1. Несмотря на то, что бозон Хиггса из Стандартной Модели, имеются небольшие расхождения, свидетельствующие о существовании новой физики (неизвестной ныне).
2. Существуют больше чем один бозоны Хиггса, с другими массами. Это также говорит о том, что появятся новые теории для исследования.

Только время и новые данные помогут выявить либо чистоту Стандартной Модели и ее бозона либо новые волнующие физические теории.

Существует Стандартная модель, которая описывает строение мира. Одна из составляющих - бозон Хиггса. Простым языком - это элементарная частица, придающая остальным массу другим частицам . Но для чего она необходима? И почему событие в 2012 году вызвало такой резонанс и шум в научных кругах?

Стандартная модель

Современное описание мира у учёных-физиков называется теория Стандартной модели. В ней указано то, как элементарные частицы взаимодействуют между собой. В науке существует четыре фундаментальных взаимодействия:

Гравитационное.
Сильное.
Слабое.
Электромагнитное.

В Стандартную модель входят только три, гравитационное обладает другой природой. По теории вещество имеет два составляющих:

Фермионы - 12 штук;
Бозоны - 5 штук.

О бозоне Хиггса впервые заговорили в 1964 году, но до 2012 года это оставалось только теорией. Учёные склонялись к тому, что этот элемент отвечает за массу остальных частиц. И вот было доказано экспериментально, что бозон Хиггса - квант поля Хиггса, действительно обеспечивает всему остальному массу .

В коллайдере найдена частица бозона Хиггса

Поиски проводились при использовании коллайдера Теватрон (США). В конце 2011 года были обнаружены следы, при распаде на b-кварки, элемент бозона Хиггса. В работе с помощью Большого адронного коллайдера это заметили только через год, в 2012. Столь большой временной промежуток связан с тем, что в последнем встречаются и многие другие элементы.

Затем, чтобы удостовериться в результатах, охоту за бозоном начали проводить и на других устройствах.

В итоге, полувековая теория подтвердилась экспериментально, а свое название бозон получил в честь своего предсказателя и одного из создателей Стандартной модели - Питера Хиггса . В настоящее время физики уверены, что смогли доказать и восполнить недостающее звено из описания строения мира.

Кто он - Питер Хиггс?

Всемирно известный британский учёный Питер Хиггс родился 29 мая 1929 года. Его отец был инженером компании BBC.

Основные факты и периоды жизни:

Со школьной скамьи Питер увлекался математикой и физикой, читал лекции и работы популярных научных деятелей.
После школы он поступил в Королевский колледж в Лондоне и благополучно его закончил, защитив диссертацию по физике.
Начиная с 1960 года учёный активно начал изучать идею Еичиру Намбо о нарушении симметрии у сверхпроводников. Вскоре Питер смог обосновать теорию о наличии у частиц массы. В этой работе он выдвинул теорию об существовании элементарной частицы, которая имеет нулевое вращение, а при контакте с другими, именно она придаёт им массу.
Ему же принадлежит открытие механизма, который объясняет нарушение симметрии. Примечательно, что он смог его придумать, когда гулял по горам в районе Эдинбурга. Этот механизм является важным компонентом Стандартной модели.
В 2013 году, ещё при жизни, экспериментально было найдено подтверждение его теории и обнаружен элемент с нулевым спином, который и получил название - бозон Хиггса. Сам учёный, давая интервью, говорил о том, что он не надеялся застать этот момент при жизни.
Лауреат многих премий, наиболее известные: медаль Дирака, премия Вольфа по физике, Нобелевская премия.

Что это за частица и как проходили поиски?

Данный бозон искали практически полвека. Это связано с тем, что эксперимент простой в теории, но сложный в действительности. Опыты производились с помощью нескольких аппаратов:

электрон-позитронный коллайдер;
теватрон;
большой адронный коллайдер (БАК).

Но силы и возможности коллайдера было недостаточно. Эксперименты выполняли регулярно, но они не приносили точных результатов. Кроме этого, сам элемент Хиггса тяжёлый, он оставляет только следы распада.

Для опыта были нужны два протона, которые движутся на околосветовой скорости. Затем происходит прямое столкновение. В результате чего они распадаются на составляющие, а те в свою очередь - на второстепенные элементы. Именно здесь должен возникнуть бозон Хиггса.

Главная особенность и препятствие, которое мешало доказать на практике существование поля Хиггса это то, что частица появляется на крайне малый временной промежуток и исчезает. Но оставляет следы, благодаря которым учёные и смогли подтвердить её действительность.

Сложность эксперимента и открытие

Сложность эксперимента была не только в том, чтобы вовремя успеть запечатлеть бозон Хиггса, но и суметь его распознать. А это непросто, потому что он распадается на разные части:

Кварк-антикварк.
W-бозоны.
Лептоны.
Тау-частицы.
Фермионы.
Фотоны.

Среди этих составляющих, крайне сложно выделить следы поля Хиггса и даже невозможно. Коллайдер с большой вероятностью фиксирует переход частицы в четыре лептона. Но и тут вероятность составляет всего 0,013%.

В итоге ученые смогли распознать следы нужного бозона и с помощью многочисленных опытов доказать существование. Как и предполагал Питер Х, эта элемент с нулевым спином, область массы-энергии примерно 125 ГэВ. Распадается на пары других составляющих (фотоны, фермионы и прочее) и даёт массу всем остальным частицам.

Открытие, конечно, вызвало шквал сенсаций, но и разочарований, одновременно. Ведь получается, что учёные не смогли выйти дальше границы Стандартной модели, нового витка для изучения и направления науки не появилось. А существующая теория не учитывает некоторые важные моменты: гравитацию, чёрную материю и прочие процессы реальности.

В настоящее время специалисты работают над теорией появления этих явлений и их роли во Вселенной.

После открытия бозона Хиггса учёные вновь возобновили работу над тем, как происходит развитие антивещества до тёмной энергии. А этот элемент является ключевым составляющим этого процесса. Физики надеются, что это открытие станет мостом и будут найдены новые ответы на волнующие вопросы о том как же устроена Вселенная.

Бозон Хиггса простым языком - это частица, которая придаёт всем остальным массу. Благодаря экспериментальному подтверждению в 2012 году учёные подобрались ближе к разгадке создания вселенной.

Видео: просто о сложном - что такое бозон Хиггса?

В данном ролике физик Арнольд Дейвер расскажет, как и для чего открыли эту частицу, зачем нужно было строить адронный коллайдер:

Моделирование, показывающее появление бозона Хиггса при столкновении двух протонов

Бозон ХиггсаБозон Хиггса

Бозон Хиггса – элементарная частица, природу которой очень сложно постичь без предварительной подготовки и понимания основных физических и астрономических законов Вселенной.

Бозон Хиггса имеет множество уникальных свойств, позволившим получить ему еще одно название – частица Бога. Открытый квант обладает цветным и электрическими зарядами, а его спин по факту равняется нулю. Это означает, что он не имеет квантового вращения. К тому же, бозон полноценно участвует в гравитационных реакциях и склонен к распаду на пары из b-кварка и b-антикварка, фотонов, электронов и позитронов в сочетании с нейтрино. Однако параметры этих процессов по ширине не превышают 17 мегаэлектроновольт (МэВ). Помимо вышеперечисленных характеристик частица Хиггса способна распадаться на лептоны и W-бозоны. Но, к сожалению, они видны недостаточно хорошо, что значительно осложняет изучение, контроль и анализ явления. Однако в те редкие моменты, когда их все же получалось фиксировать, удалось установить, что они вполне соответствуют типичным для таких случаев физическим моделям элементарных частиц.

Предсказание и история открытия бозона Хиггса

Диаграмма Фейнмана, показывающая возможные варианты рождения W- или Z-бозонов, которые при взаимодействии образуют нейтральный бозон Хиггса

В 2013 году англичанин Питер Хиггс и подданный Бельгии Франсуа Энглер получили Нобелевскую премию по физике за открытие и обоснование существования механизма, позволяющего понять, как и из чего происходят массы элементарных частиц. Однако задолго до этого уже проводились различные эксперименты и попытки открыть бозон Хиггса. Еще в 1993 году в Западной Европе начались подобные исследования с использованием мощностей Большого электронно-позитронного коллайдера. Но в итоге они не смогли в полном объеме принести результатов, ожидаемых организаторами данного проекта. К изучению вопроса подключалась и российская наука. Так в 2008-2009 гг. небольшой командой ученых ОИЯИ был произведен уточненный расчет массы хиггсовского бозона. Совсем недавно, весной 2015 года, коллаборации, известные всему научному миру, ATLAS и CMS, вновь провели корректировку массы хиггсовского бозона, которая по этим сведениям приблизительно равна 125,09±0,24 гигаэлектронвольтов (ГэВ).

Эксперименты по поиску и оценке параметров бозона Хиггса

Как уже упоминалось выше, первоначальные поисковые и оценочные эксперименты по определению массы бозона были начаты еще в 1993 году. Комплексные исследования, проводимые на Большом электронно-позитронном коллайдере, финишировали в 2001 году. Полученные благодаря этому эксперименту результаты были дополнительно откорректированы в 2004 году. По уточненным расчетам верхняя грань его массы равнялась 251 гигаэлектроновольт (ГэВ). В 2010 году была выявлена разница, равная 1%, в количестве появляющихся в ходе распада b-мезона, мюонов и антимюонов.

Несмотря на статистические недочеты, получаемые с 2011 года данные с Большого андронного коллайдера, поступали по-прежнему регулярно. Это давало надежду на исправление неточных сведений. Выявленная спустя год новая элементарная частица, которая имела идентичную четность и способность распадаться, как и хиггсовский бозон, была подвергнута серьезной критике и сомнению в 2013 году. Однако уже к концу сезона обработка всех накопленных данных привела к однозначным выводам: новая открытая частица, несомненно, является искомым бозоном Хиггса и принадлежит к Стандартной физической модели.

Интересные факты о бозоне Хиггса

Большой адронный коллайдер. Одной из основных целей проекта является экспериментальное доказательство существования бозона Хиггса и его исследование

Одним из наиболее интереснейших и невероятных фактов о хиггсовском бозоне является то, что его, по сути, не существует в природе. Следовательно, эта частица, в отличие от остальных фундаментальных элементов, не находится в окружающем нас пространстве. Объясняется это тем, что бозон Хиггса исчезает практически моментально после своего рождения. Происходит такая мгновенная метаморфоза посредством распада частицы. При этом за свое наикратчайшее существование бозон даже не успевает войти во взаимодействие с чем-либо еще.

Также весьма интересными и привлекающими к себе внимание фактами можно назвать, так называемые «прозвища», которые были присвоены хиггсовскому бозону. Эпатажные названия попадали в общественное использование благодаря средствам массовой информации. Одно из них было придумано вновь открытому кванту Леоном Ледерманом, лауреатом Нобелевской премии, и звучало как «чертова частица». Однако оно не было пропущено в печатное издание труда редактором и было заменено на «частицу Бога» или «божью частицу».

Другие массовые названия бозона Хиггса

Несмотря на популярность ледермановских «прозвищ», данных им бозону Хиггса, подавляющее большинство ученых не одобряют их и чаще используют другое «простонародное» название. Оно переводится как «бозон бутылки с шампанским». Основой для появления такой терминологии в обозначении хиггсовского бозона послужило некое сходство его комплексного поля с дном стеклянной бутылки из-под шампанского. Не меньшее значение для ученых «озорников» имеет и аллегоричное сравнение, намекающее на обилие выпитого шампанского по поводу открытия важной частицы.

Стоит обратить внимание и на то, что имеют место быть, так называемые, бесхиггсовые физические модели, разработанные еще до открытия бозона. Они предполагают своеобразное расширение стандартности.

Современная наука не стоит на месте, а непрерывно и неуклонно развивается. Накопленные в сегодняшней физике и смежных с ней областях знания, позволили не только предсказать, но и, собственно говоря, совершить открытие бозона Хиггса. Но изучение его свойств и обозначение сфер применения добытых сведений находится лишь в начальной стадии. Поэтому современным физикам и астрономам еще предстоит много работы и экспериментов, связанных с исследованием этой основополагающей для Вселенной частицы.

Роль бозона Хиггса

Теория 1964-го года

Бозон

Какова масса бозона?

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

Столкновения на Большом Адронном Коллайдере могут порождать много чего интересного

Анонс

Но сперва давайте взглянем на предпосылки.

Фейерверк 4 июля

Бозон Хиггса распадается на другие частицы

Лучшими каналами распада для поиска бозона Хиггса являются каналы двух фотонов и двух Z-бозонов.*

Распад бозона Хиггса на Z + Z

Z-бозоны также имеют несколько режимов распада, включая Z → e+ + e- и Z → µ+ + µ-.

Как бозон Хиггса выглядел бы в детекторе ATLAS

Механизм, дающий массу частицам

А ведь все что он хотел – это добраться до бара!

Как бозон Хиггса получает собственную массу?

Поиск массы бозоны Хиггса

Как вы найдете массу бозона Хиггса, если он распадается на другие частицы до того, как мы его обнаружим?

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

Поиск массы бозона Хиггса из продуктов его распада

Мы можем вообразить, что это результаты распада бозона Хиггса, но это не так.

Данные о бозоне Хиггса из фона

Анимация эволюции данных для бозона Хиггса по мере накопления находится на оригинальном сайте .

Сигнал бозона Хиггса медленно растет над фоном.

Данные бозона Хиггса, распавшегося на два фотона

Распад на два фотона (H → γ+ γ) имеет еще более широкий фон, но тем не менее сигнал четко выделяется.

Недостатки первых данных

Является ли частица бозоном Хиггса?

Откуда во Вселенной появилась масса?

Протоны и нейтроны сделаны из трех кварков, которые приобретают свою массу, взаимодействуя с полем Хиггса.

Если бы не было поля Хиггса?

Если бы не было поля Хиггса, на что была бы похожа Вселенная?

Это не так очевидно.

Определенно, ничего бы не связывало электроны в атомах. Они бы разлетались со скоростью света.

Является ли бозон Хиггса бозоном из Стандартной Модели?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Предрассудки

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

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

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

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

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

Проблемы до-Хиггсовой эпохи

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

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

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

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

Что такое вакуум

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

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

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

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

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

Что такое масса

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

Как оно работает

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

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

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

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

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

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

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

О красоте

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

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

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

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

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

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

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

Для полноты удовольствия осталось навести ясность со степенями свободы.

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

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

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

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

Что было бы, если бы...

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Беседовала Е. Любченко , АНИ «ФИАН-информ»

___________________________________________

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

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