Что вообще такое бозон Хиггса?
Живший две с половиной тысячи лет назад грек Демокрит полагал, что все состоит из неделимых элементов — атомов. По-видимому, он был прав. Но то, что мы сегодня называем атомами, на самом деле имеет структуру: ядро и электроны вокруг него. В свою очередь, ядро состоит из протонов и нейтронов, а те — из кварков. У кварков же, насколько известно, структуры нет: они не состоят еще из чего-то.
Точно так же силы природы, например трения или выталкивания, можно вывести из фундаментальных взаимодействий. У трех из четырех этих взаимодействий есть частицы-переносчики (исключение — гравитация, но некоторые физики надеются, что просто плохо искали). Эти частицы, как кварки или электроны, тоже не получается разделить на составляющие, поэтому их называют элементарными.
Элементарные частицы в каком-то роде иллюзорны. Историк науки Дмитрий Баюк предлагает вообразить гребень волны: "Если вы летите на вертолете и смотрите на море, то вам может показаться, что нет разницы между гребешком волны и корабликом. Потом вы можете сделать вывод, что есть гребешки, а есть кораблики. В некий момент вы открываете для себя, что нет никаких корабликов — все это гребешки: просто вода в море есть в разных видах. Тем не менее это одна и та же вода. Когда в ней возникают гребешки, то они воспринимаются нашими органами чувств и ведут себя как что-то твердое. [Точно так же] то, что мы воспринимаем как материальную частицу, — это некое элементарное возбуждение поля". С этой точки зрения нет четкой границы между материей и полем, материей и энергией.
Для понимания устройства Вселенной нужно разобраться, какими свойствами обладают элементарные частицы (и соответствующие им поля) и как они влияют друг на друга. Всего есть 12 частиц материи, столько же античастиц и четыре переносчика взаимодействий: глюон — сильного, фотон — электромагнитного, W- и Z-бозоны — слабого. Вместе они входят в так называемую Стандартную модель и, расположенные рядом друг с другом, напоминают таблицу Менделеева для — насколько известно — самого глубокого уровня мироздания.
Стандартную модель закончили формулировать в 1970-х годах. В те времена были открыты еще не все входящие в нее частицы, но к началу XXI века осталась всего одна, существование которой не подтвердилось экспериментально, — стоящий особняком бозон Хиггса.
"На базовом уровне до эпохи Стандартной модели в теорию входили безмассовые частицы. Но нам известно, что у частиц масса есть. Чтобы "придать" им ее, можно записать в уравнения массивные члены, но, во-первых, это некрасиво и выглядит искусственно, во-вторых, приводит к внутренним проблемам теории. [Вместо этого] в Стандартной модели был предложен механизм динамического приобретения массы — дополнительное поле, которое взаимодействует с безмассовыми частицами", — объясняет Сергей Шматов из Объединенного института ядерных исследований в Дубне.
Бозон Хиггса — частица этого поля. Найти бозон Хиггса — значит подтвердить наличие постулированного поля и механизм нарушения симметрии между электромагнитными и слабыми взаимодействиями. Фактически с бозоном Хиггса можно описать два взаимодействия — электромагнитное и слабое — как одно, электрослабое. Иначе получилась бы нестыковка: у частицы электромагнитного взаимодействия, фотона, нет массы, у W- и Z-бозонов, переносчиков слабого, она есть. Такой подход — часть большого проекта в физике по объединению всех четырех сил природы, поиску более простой и совершенной теории.
Как открыли бозон Хиггса?
"Вы не можете увидеть бозон Хиггса. Строго говоря, вы даже не можете увидеть его трек в чем-нибудь типа камеры Вильсона. Вы видите вторичные эффекты. Как любят говорить популяризаторы, мы не видим кошку — мы, просыпаясь утром, видим опрокинутую миску с молоком и отпечатки мокрых лап на ковре. По отпечаткам мы можем определить вес кошки, по количеству выпитого молока — размер, ее аппетит, сколько она не ела", — объясняет Дмитрий Баюк.
Чтобы бозон Хиггса возник и его следы можно было засечь, нужно много энергии: это весьма массивная частица. Энергию "закачивают" в пучки других частиц, которые, сталкиваясь, разлетаются на "осколки", а те попадают в детекторы. Среди этих "осколков" могли быть и признаки бозона Хиггса, но десятилетиями об этом не получалось говорить с уверенностью.
Про ускоритель частиц, который позволил бы справиться с этой задачей, физики раздумывали с начала 1980-х годов, а в середине 1990-х Европейская организация по ядерным исследованиям (ЦЕРН) одобрила строительство Большого адронного коллайдера (БАК) — ускорителя, каких еще не было.
БАК представляет собой кольцевой тоннель длиной почти 27 км глубоко под землей на границе Швейцарии и Франции. Внутри установлены тысячи сверхпроводящих магнитов, система охлаждения с жидким гелием и несколько детекторов. Магниты направляют встречные пучки протонов, разогнанных до околосветовой скорости. Первое время на питание установок требовалось 600 ГВт·ч электроэнергии в год — всего в пять раз меньше, чем всей Женеве вместе с окрестностями. Далее энергопотребление выросло еще сильнее.
Первый пуск состоялся в сентябре 2008-го, а эксперименты начались в конце 2009 года. Данные о столкновениях протонов собирали и проверяли две коллаборации ученых примерно по 3 тыс. человек. В одной из них участвовал Сергей Шматов. "Мы знали, что открытие назревает. Но чтобы быть уверенными, что оно состоялось, сигнал должен значительно возвышаться над фоном. Требование заключалось в том, чтобы вероятность случайной флуктуации этого самого фона, которая может имитировать сигнал, была меньше 10-6. Подобная статистическая значимость достигается по мере накопления данных, и мы видели, что приближаемся к этой отметке", — вспоминает он.
По словам Сергея Шматова, сначала было непонятно, что за частицу нашли они с коллегами, — нужно было исследовать ее свойства. Это заняло около года. Об открытии объявили 4 июля 2012-го, а то, что это именно бозон Хиггса Стандартной модели, стало понятно только во второй половине 2013 года (спустя десять лет нет никаких указаний, что свойства новой частицы отличаются от предсказаний Стандартной модели). Даже в ЦЕРНе многие удивились, что это удалось сделать так быстро.
Почему физикам мало одного бозона Хиггса?
По оценке Forbes, на обнаружение бозона Хиггса потратили $13,25 млрд. Модернизация и эксплуатация БАК до середины 2030-х годов обойдется еще дороже. Ученые рассчитывали, что прежде неуловимая частица — это только начало. В книге "Уродливая Вселенная" физик-теоретик Сабина Хоссенфельдер писала: "Мои коллеги и я возлагали большие надежды на проект, стоивший миллиарды долларов, — рассчитывали, что он сделает нечто большее, чем просто подтвердит то, в чем никто и не сомневался. Мы обнаружили несколько многообещающих "трещин в фундаменте", убедивших нас, что Большой адронный коллайдер породит также другие, пока неизвестные частицы. Мы ошиблись. Большой адронный коллайдер не увидел ничего, что подкрепило бы наши новоизобретенные законы природы".
Законы, которые упоминает Хоссенфельдер, — надстройки к Стандартной модели. Проблема Стандартной модели заключается в том, что результаты большинства экспериментов с ней согласуются, но в ее рамках невозможно ответить на многие вопросы о мироздании. Что такое темная материя и темная энергия? Почему материи больше, чем антиматерии? Как связать гравитацию с остальными фундаментальными взаимодействиями? Почему частицы обладают разной массой? Стандартная модель одновременно хороша и плоха.
"Физики искали другие частицы, другие бозоны Хиггса, ведь в ряде теорий за рамками Стандартной модели бозонов Хиггса может быть несколько. Их искали в различных массовых диапазонах, различных каналах, в предположении их различных свойств и ничего не нашли. Также ряд теорий предсказывает существование новых явлений, которые могут быть обнаружены по сигналам, в которых участвует бозон Хиггса. Это могут быть дополнительные частицы, распадающиеся на стандартный бозон Хиггса, если их масса больше, чем масса самого бозона. Либо сам стандартный бозон Хиггса распадается на новые частицы, если масса этих частиц меньше. Постепенно он превратился из объекта изучения в инструмент для поиска новой физики и исследования свойств взаимодействия элементарных частиц", — говорит Сергей Шматов.
Те, кто все еще надеется найти новые частицы, предлагают строить ускорители еще больше и мощнее, чем БАК. Один такой проект — 100-километровый кольцевой коллайдер все под тем же ЦЕРНом. Критики на это говорят, что подобный проект займет десятилетия, обойдется в сумму, сравнимую с годовым ВВП маленькой страны, а главное — не позволит как следует проверить новые теории.
Физик Марвин Маршак, исследующий нейтрино, в комментарии для Science недавно сказал про ученых, которые работают на БАК: "Они приближаются к пустыне и не знают, насколько она велика". Сергей Шматов разделяет эти опасения, но напоминает, что физика частиц не ограничивается экспериментами на коллайдерах: "У нас есть великолепные данные с сигналами из космоса. Чего стоит только открытие гравитационных волн! Но проблема, безусловно, есть, и эту проблему надо будет как-то решать".
Марат Кузаев