«Бозон Хиггса открыт. Что дальше?»

Валерий Рубаков
Вале­рий Руба­ков

7 июня 2018 года в куль­тур­но-про­све­ти­тель­ском цен­тре «Архэ» состо­я­лась лек­ция ака­де­ми­ка РАН Вале­рия Руба­ко­ва о хигг­сов­ском бозоне и про­хо­дя­щих сей­час на БАКе иссле­до­ва­ни­ях. С любез­но­го согла­сия «Архэ» пуб­ли­ку­ем авто­ри­зо­ван­ное В. А. Руба­ко­вым изло­же­ние этой лек­ции, под­го­тов­лен­ное Бори­сом Штер­ном.

Об откры­тии бозо­на Хиггса было сооб­ще­но 4 июля 2012 года на семи­на­ре в ЦЕРНе. Было ска­за­но доволь­но осто­рож­но: откры­та новая части­ца и ее свой­ства согла­су­ют­ся с пред­ска­зан­ны­ми свой­ства­ми бозо­на Хиггса. И на про­тя­же­нии после­ду­ю­щих лет мы посте­пен­но всё боль­ше убеж­да­лись, что свой­ства точ­но такие, как пред­ска­зы­ва­ли тео­ре­ти­ки, при­чем в самой наив­ной моде­ли. Самое глав­ное, что это, как гово­рят тео­ре­ти­ки, не про­сто новая части­ца, а пред­ста­ви­тель ново­го сек­то­ра эле­мен­тар­ных частиц — хигг­сов­ско­го сек­то­ра.

Рис. 1. «Зоопарк» частиц Стандартной модели
Рис. 1. «Зоо­парк» частиц Стан­дарт­ной моде­ли

Давай­те я напом­ню вам основ­ные поло­же­ния Стан­дарт­ной моде­ли. Весь «зоо­парк» ее частиц уме­ща­ет­ся на один слайд. Про­то­ны, ней­тро­ны, π-мезо­ны — всё это состав­ные части­цы. Эле­мен­тар­ных частиц не так мно­го. Это семей­ство леп­то­нов, семей­ство квар­ков, состав­ля­ю­щие сек­тор фер­ми­о­нов. Вто­рой сек­тор — части­цы, ответ­ствен­ные за их вза­и­мо­дей­ствия: фото­ны, W- и Z-бозо­ны, глю­о­ны и гра­ви­то­ны. Бозо­ны вза­и­мо­дей­ству­ют не толь­ко с фер­ми­о­на­ми, но и меж­ду собой. Самая извест­ная из пере­чис­лен­ных частиц — фотон.

Самые инте­рес­ные по сво­им про­яв­ле­ни­ям — глю­о­ны, имен­но они свя­зы­ва­ют квар­ки в про­тоне так, что невоз­мож­но рас­та­щить. W- и Z-бозо­ны по сво­ей роли похо­жи на фотон, но они мас­сив­ны и отве­ча­ют за сла­бые вза­и­мо­дей­ствия, кото­рые род­ствен­ны элек­тро­маг­нит­ным, хотя и выгля­дят по-дру­го­му. Еще долж­на быть части­ца гра­ви­тон. Ведь гра­ви­та­ци­он­ные вол­ны уже откры­ты, а там, где есть вол­ны, долж­ны быть и части­цы. Дру­гое дело, что мы нико­гда, види­мо, не смо­жем полу­чать и реги­стри­ро­вать гра­ви­то­ны пооди­ноч­ке.

И нако­нец, бозон Хиггса, кото­рый пред­став­ля­ет собой отдель­ный сек­тор на нашем слай­де. Это еще одна части­ца, кото­рая сто­ит особ­ня­ком во всем «зоо­пар­ке», состо­я­щем из неболь­шо­го коли­че­ства раз­ных видов.

Что такое бозон Хиггса?

Для нача­ла: что же такое бозон? Каж­дая части­ца, как вол­чок, име­ет как бы внут­рен­ний момент вра­ще­ния, или спин (это кван­то­во­ме­ха­ни­че­ское явле­ние). Быва­ет целый и полу­це­лый спин в еди­ни­цах посто­ян­ной План­ка. Части­цы со спи­ном 12 или 32 (любой полу­це­лый спин) назы­ва­ют­ся фер­ми­о­на­ми. У бозо­нов спин целый, что при­во­дит к фун­да­мен­таль­ным отли­чи­ям в свой­ствах этих частиц (бозо­ны любят накап­ли­вать­ся в одном кван­то­во-меха­ни­че­ском состо­я­нии, как фото­ны в радио­вол­нах; фер­ми­о­ны, наобо­рот, это­го избе­га­ют, из-за чего элек­тро­ны засе­ля­ют раз­ные атом­ные обо­лоч­ки. — Ред.). Так вот, у бозо­на Хиггса спин равен 0 (а это тоже целое чис­ло).

Бозон Хиггса — тяже­лая части­ца. Его мас­са — 125 ГэВ (для срав­не­ния: мас­са про­то­на — поряд­ка 1 ГэВ, мас­са самой тяже­лой части­цы, t-квар­ка, — 172 ГэВ). Бозон Хиггса элек­три­че­ски ней­тра­лен.

Новые части­цы откры­ва­ют на уско­ри­те­лях, они рож­да­ют­ся в столк­но­ве­ни­ях частиц, в дан­ном слу­чае — в столк­но­ве­ни­ях про­то­нов. После чего реги­стри­ру­ют про­дук­ты рас­па­да иско­мой части­цы. Бозон Хиггса рас­па­да­ет­ся в сред­нем за 1022 с. Для тяже­лой части­цы это не столь малень­кий срок — топ-кварк, напри­мер, живет в 500 раз мень­ше.

И у бозо­на Хиггса мно­го раз­ных спо­со­бов рас­пасть­ся. Один из «золо­тых кана­лов» рас­па­да — рас­пад на два фото­на — доволь­но ред­кий: так хигг­сов­ский бозон рас­па­да­ет­ся в двух слу­ча­ях из тыся­чи. Но этот путь заме­ча­те­лен тем, что оба фото­на высо­ко­энер­гич­ны. В систе­ме покоя хигг­сов­ско­го бозо­на каж­дый фотон име­ет энер­гию 62,5 ГэВ, это боль­шая энер­гия. Эти фото­ны хоро­шо вид­ны, мож­но изме­рить направ­ле­ния их дви­же­ния, энер­гию. Еще более чистый канал рас­па­да — рас­пад на четы­ре леп­то­на: на две пары e+ и e, на e+, e и µ+, µ или на четы­ре мюо­на. Полу­ча­ют­ся четы­ре высо­ко­энер­гич­ные заря­жен­ные части­цы, кото­рые тоже хоро­шо вид­ны, у них мож­но изме­рить энер­гию и направ­ле­ние выле­та.

Как узнать, что мы видим имен­но рас­пад бозо­на Хиггса? Допу­стим, мы заре­ги­стри­ро­ва­ли два фото­на. При этом есть мно­го дру­гих про­цес­сов, при­во­дя­щих к рож­де­нию двух фото­нов. Но если фото­ны про­изо­шли от рас­па­да некой части­цы, то по ним мож­но опре­де­лить ее мас­су. Для это­го надо вычис­лить энер­гию двух фото­нов в систе­ме отсче­та, где они летят в про­ти­во­по­лож­ных направ­ле­ни­ях с оди­на­ко­вой энер­ги­ей — в систе­ме цен­тра масс. В нашей систе­ме отсче­та это вполне опре­де­лен­ная ком­би­на­ция энер­гий фото­нов и угла раз­ле­та меж­ду ними. Она назы­ва­ет­ся инва­ри­ант­ной мас­сой систе­мы частиц. Если фото­ны — про­дук­ты рас­па­да бозо­на Хиггса, их инва­ри­ант­ная мас­са долж­на рав­нять­ся мас­се бозо­на с точ­но­стью до оши­бок изме­ре­ния. То же самое, если бозон рас­пал­ся на четы­ре части­цы.

Рис. 2. Распределение событий по инвариантной массе двух фотонов, зарегистрированных установкой CMS. Бугорок на плавной кривой и есть бозон Хиггса
Рис. 2. Рас­пре­де­ле­ние собы­тий по инва­ри­ант­ной мас­се двух фото­нов, заре­ги­стри­ро­ван­ных уста­нов­кой CMS. Буго­рок на плав­ной кри­вой и есть бозон Хиггса

На рис. 2 пока­за­но рас­пре­де­ле­ние собы­тий по инва­ри­ант­ной мас­се двух фото­нов. Послед­няя отло­же­на по гори­зон­таль­ной оси, а по вер­ти­каль­ной отло­же­но чис­ло собы­тий. Есть непре­рыв­ный фон, и есть «нашлеп­ка» в рай­оне инва­ри­ант­ной мас­сы 125 ГэВ. Воз­мож­но, вы буде­те сме­ять­ся, но эта «нашлеп­ка» и есть бозон Хиггса. Подоб­ный пик выри­со­вы­ва­ет­ся и в инва­ри­ант­ной мас­се четы­рех леп­то­нов (e+, e , µ +, µ ), на кото­рые он тоже рас­па­да­ет­ся. Толь­ко это про­ис­хо­дит в одном из деся­ти тысяч рас­па­дов. То есть надо поро­дить мил­ли­он бозо­нов Хиггса, что­бы нако­пить сто рас­па­дов на две леп­тон­ные пары. И это было сде­ла­но.

Изме­рить энер­гию и направ­ле­ние выле­та (ста­ло быть, импульс) заря­жен­но­го элек­тро­на или мюо­на мож­но с гораз­до более высо­кой точ­но­стью, чем в слу­чае фото­на. Имен­но для это­го детек­тор обла­да­ет силь­ным маг­нит­ным полем: искрив­ле­ние тра­ек­то­рии заря­жен­ной части­цы в маг­нит­ном поле поз­во­ля­ет опре­де­лить ее импульс (а так­же знак заря­да). Кро­ме того, изо­ли­ро­ван­ных леп­то­нов высо­ких энер­гий рож­да­ет­ся мало, а уж тем более неве­ли­ко чис­ло чет­ве­рок изо­ли­ро­ван­ных леп­то-нов (изо­ли­ро­ван­ных, т. е. вне адрон­ной струи). Поэто­му фон для рас­па­да на четы­ре леп­то­на мал.

Нако­нец, иссле­до­ва­те­ля­ми на БАКе отби­ра­лись собы­тия, в кото­рых инва­ри­ант­ная мас­са одной пары леп­то­нов про­ти­во­по­лож­но­го зна­ка рав­на мас­се Z-бозо­на (хиггс рас­па­да­ет­ся на реаль­ный Z и вир­ту­аль­ный Z), что еще силь­нее давит фон. Но рас­пад на четы­ре леп­то­на на самом деле не луч­ше рас­па­да на два фото­на, посколь­ку веро­ят­ность рас­па­да на два фото­на гораз­до выше, погреш­но­сти в его изме­ре­нии ком­пен­си­ру­ют­ся боль­шей ста­ти­сти­кой.

Почему бозон Хиггса открыли лишь недавно

Тут два обсто­я­тель­ства. Во-пер­вых, иско­мая части­ца тяже­лая. Зна­чит, нужен уско­ри­тель на боль­шую энер­гию. Во-вто­рых, надо иметь боль­шую интен­сив­ность пуч­ков, что­бы чис­ло столк­но­ве­ний было доста­точ­ным. Физи­ки исполь­зу­ют сло­во «све­ти­мость», отра­жа­ю­щее коли­че­ство столк­но­ве­ний в еди­ни­цу вре­ме­ни. У вас долж­но быть очень мно­го столк­но­ве­ний.

С энер­ги­ей вро­де бы всё было нор­маль­но, ведь до Боль­шо­го адрон­но­го кол­лай­де­ра рабо­тал Тэва­трон — кол­лай­дер в США. Пол­ная энер­гия у него была 2 ТэВ. Вро­де непло­хо, ведь бозон Хиггса — 125 ГэВ. В прин­ци­пе, по энер­гии Тэва­трон мог рож­дать бозо­ны Хиггса. Но у него была недо­ста­точ­ная све­ти­мость. Ему не хва­ти­ло рож­ден­ных бозо­нов Хиггса.

Несколько слов про БАК

Боль­шой адрон­ный кол­лай­дер — соору­же­ние, при­ме­ча­тель­ное во всех отно­ше­ни­ях. Это сверх­про­во­дя­щий уско­ри­тель-нако­пи­тель, нахо­дя­щий­ся под зем­лей. Дли­на его коль­ца — 27 км, и всё это коль­цо состо­ит из маг­ни­тов, кото­рые удер­жи­ва­ют про­то­ны в этом коль­це, сверх­про­во­дя­щих маг­ни­тов. На тот момент, когда БАК стро­ил­ся, это было послед­нее тех­но­ло­ги­че­ское дости­же­ние. Сей­час есть доволь­но успеш­ные попыт­ки полу­чать более мощ­ное маг­нит­ное поле в маг­ни­тах. Но в то вре­мя это было самое-самое. Вооб­ще, всё, что там дела­ет­ся, — это пик совре­мен­ных тех­но­ло­гий, на самом краю чело­ве­че­ских воз­мож­но­стей.

Сна­ча­ла БАК уско­рял про­то­ны до сум­мар­ной энер­гии 7 ТэВ, потом — 8 ТэВ. Каж­дый про­тон, стал­ки­ва­ясь, имел энер­гию 4 ТэВ. Начав ста­биль­но рабо­тать в 2010 году на энер­гии в 7 ТэВ, в 2011 году БАК пере­шел на энер­гию 8 ТэВ, а про­ект­ная энер­гия у него — 14 ТэВ. Сей­час по хит­рым тех­ни­че­ским при­чи­нам до 14 ТэВ до сих пор не добра­лись; с 2015 года уско­ри­тель рабо­та­ет на сум­мар­ной энер­гии 13 ТэВ. Све­ти­мость у него очень высо­кая по всем мер­кам, спе­ци­а­ли­сты в ЦЕРНе, конеч­но, боль­шие масте­ра. А соб­ствен­но столк­но­ве­ния частиц про­ис­хо­дят в четы­рех местах, нас инте­ре­су­ют два из них, где сто­ят детек­то­ры ATLAS и CMS. При­мер­но вот так выгля­дит CMS — ком­пакт­ный мюон­ный соле­но­ид (рис. 4).

Рис. 3. АTLAS (фото с сайта cds.cern.ch)
Рис. 3. АTLAS (фото с сай­та cds.cern.ch)
Рис. 4. Компактный мюонный соленоид (CMS от англ. Compact Muon Solenoid)
Рис. 4. Ком­пакт­ный мюон­ный соле­но­ид (CMS от англ. Compact Muon Solenoid)

Самая край­няя — мюон­ная каме­ра, поз­во­ля­ю­щая реги­стри­ро­вать и изме­рять пара­мет­ры мюо­нов, кото­рые летят через весь детек­тор, про­ши­вая его насквозь. Всё это заклю­че­но в маг­нит­ное поле, с тем что­бы по искрив­ле­нию дви­же­ния части­цы изме­рить ее импульс.

АTLAS — еще боль­ше. Это такой мно­го­этаж­ный дом, цели­ком заби­тый аппа­ра­ту­рой.

Эти детек­то­ры изме­ря­ют энер­гии, импуль­сы, направ­ле­ния дви­же­ния частиц, опре­де­ля­ют, что это было — элек­трон, фотон, мюон или силь­но вза­и­мо­дей­ству­ю­щая части­ца типа про­то­на или ней­тро­на, — все они име­ют свои сиг­на­ту­ры.

Отдель­ная инте­рес­ная исто­рия свя­за­на с тем, как устро­е­ны груп­пы физи­ков — кол­ла­бо­ра­ции, кото­рые зани­ма­ют­ся этим делом. Понят­но, что­бы такую гигант­скую маши­ну раз­ра­бо­тать, создать и обслу­жи­вать, сни­мать и обра­ба­ты­вать дан­ные, сле­дить за тем, что­бы ниче­го не пор­ти­лось, искать раз­но­об­раз­ные собы­тия и инте­рес­ные явле­ния, нуж­ны боль­шие коман­ды. Они соби­ра­ют­ся по все­му миру. Харак­тер­ная циф­ра — 3,5 тыс. физи­ков в каж­дой кол­ла­бо­ра­ции, в ATLAS и CMS. Эти груп­пы меж­ду­на­род­ные: поми­мо евро­пей­ских там спе­ци­а­ли­сты из Аме­ри­ки, Япо­нии, Китая, Рос­сии и т. д. Общее коли­че­ство инсти­ту­тов — поряд­ка 200; 150–200 в каж­дой из кол­ла­бо­ра­ций. Заме­ча­тель­но, что это само­ор­га­ни­зу­ю­ща­я­ся систе­ма. Это систе­ма, кото­рая орга­ни­зо­ва­лась «сни­зу», там были свои «отцы-осно­ва­те­ли», поти­хонь­ку обрас­тав­шие в 1990-е годы заин­те­ре­со­ван­ны­ми физи­ка­ми. Собра­лось боль­шое коли­че­ство наро­ду, но ника­ких началь­ни­ков, кро­ме выбор­ных, там нет, все раз­би­ты на груп­пы, под­груп­пы, отве­ча­ю­щие каж­дая за свое, так это всё устро­е­но. Несмот­ря на то что это люди самых раз­ных куль­тур, всё это рабо­та­ет. Не пере­ру­га­лись, не пере­грыз­лись меж­ду собой.

Надо ска­зать, что Рос­сия может гор­дить­ся и гор­дит­ся тем, что мы участ­ву­ем в этой всей дея­тель­но­сти. В ЦЕРНе и вокруг него все пре­крас­но пони­ма­ют и под­чер­ки­ва­ют: вклад Рос­сии вполне весо­мый и серьез­ный. Замет­ная часть уско­ри­те­ля дела­лась в Ново­си­бир­ске. Зна­чи­тель­ная часть эле­мен­тов детек­то­ров тоже дела­лась у нас. И наших участ­ни­ков мно­го, из раз­ных горо­дов, раз­ных инсти­ту­тов. При­бли­зи­тель­но по день­гам, ресур­сам и людям на Рос­сию при­хо­дит­ся 5–7% от цер­нов­ских детек­то­ров (зави­сит от кон­крет­но­го детек­то­ра). Что вполне нор­маль­но для нашей стра­ны.

Зачем нужен бозон Хиггса

Перей­дем к тео­ре­ти­че­ской части, может быть, немно­го зануд­ной и мутор­ной, но мне кажет­ся, что полез­но понять и объ­яс­нить, хотя бы каче­ствен­но, поче­му это Энглер, Бра­ут и Хиггс вдруг реши­ли, что долж­на быть новая части­ца. Точ­нее, Хиггс решил, что долж­на быть новая части­ца, а Энглер и Бра­ут при­ду­ма­ли поле бозо­на.

Преж­де все­го надо вспом­нить, что вся­кая части­ца свя­за­на с полем. Части­ца — это все­гда квант неко­е­го поля. Суще­ству­ют элек­тро­маг­нит­ное поле, элек­тро­маг­нит­ные вол­ны, и с ними свя­зан фотон — квант элек­тро­маг­нит­но­го поля. Так­же и здесь: бозон Хиггса — это квант неко­е­го поля. Мож­но спро­сить: зачем нуж­но новое поле? Энглер и Бра­ут сооб­ра­зи­ли это пер­вы­ми.

Тут надо уйти немно­го в сто­ро­ну. Миром пра­вят все­воз­мож­ные сим­мет­рии. Напри­мер, про­стран­ствен­но-вре­мен­ные, свя­зан­ные со сдви­га­ми во вре­ме­ни и в про­стран­стве: физи­ка зав­тра такая же, как вче­ра, физи­ка здесь такая же, как в Китае. С эти­ми сим­мет­ри­я­ми свя­за­ны зако­ны сохра­не­ния энер­гии и импуль­са. Есть и менее оче­вид­ные, с точ­ки зре­ния наше­го повсе­днев­но­го опы­та, сим­мет­рии — внут­рен­ние. Напри­мер, в элек­тро­ди­на­ми­ке есть сим­мет­рия, кото­рая при­во­дит к зако­ну сохра­не­ния элек­три­че­ско­го заря­да. Ее не вид­но, кро­ме как на фор­му­лах, но она есть. Вме­сте с зако­ном сохра­не­ния энер­гии эта сим­мет­рия запре­ща­ет элек­тро­ну рас­па­дать­ся. Заме­ча­тель­но, что та же сим­мет­рия запре­ща­ет фото­ну иметь мас­су, и он ее дей­стви­тель­но не име­ет. Глю­о­ны тоже без­мас­со­вые по той же при­чине — им запре­ща­ет иметь мас­су сим­мет­рия, свя­зан­ная с «цве­том». «Цве­том» заря­же­ны квар­ки, и глю­о­ны при­вя­за­ны к «цве­ту», как фото­ны к заря­ду.

А вот части­цы, кото­рые отве­ча­ют за сла­бые вза­и­мо­дей­ствия, — W- и Z-бозо­ны — мас­сив­ные. Непри­ят­ность заклю­ча­ет­ся в том, что они очень похо­жи на фото­ны: элек­трон может рас­се­ять­ся на элек­троне, обме­няв­шись фото­ном, а может — Z-бозо­ном. Про­цес­сы очень похо­жи, хочет­ся при­пи­сать сла­бым вза­и­мо­дей­стви­ям сим­мет­рию того же типа, что име­ют элек­тро­маг­нит­ные (она назы­ва­ет­ся калиб­ро­воч­ной сим­мет­ри­ей), но мас­са W и Z — пере­нос­чи­ков сла­бо­го вза­и­мо­дей­ствия — не поз­во­ля­ет это­го сде­лать, она нару­ша­ет калиб­ро­воч­ную сим­мет­рию.

Поче­му же эта кра­си­вая сим­мет­рия ока­за­лась нару­шен­ной? Ока­зы­ва­ет­ся, это доволь­но уни­вер­саль­ное явле­ние в при­ро­де: мно­гие сим­мет­рии суще­ству­ют в пер­вич­ных зако­нах при­ро­ды, но ока­за­лись нару­шен­ны­ми в реаль­ной Все­лен­ной. Это явле­ние назы­ва­ет­ся «спон­тан­ным нару­ше­ни­ем сим­мет­рии».

Пред­ста­вим себе, что мы с вами — малень­кие чело­веч­ки, кото­рые живут в посто­ян­ном маг­ни­те, в намаг­ни­чен­ном кус­ке желе­за. Про­во­дим экс­пе­ри­мент с элек­тро­на­ми: полу­ча­ем элек­трон-пози­трон­ные пары (у нас там есть малень­кий уско­ри­тель, излу­ча­ем элек­тро­ны). Так вот, эти элек­тро­ны летят в маг­ни­те не по пря­мой. Из-за того что есть маг­нит­ное поле, они на него «нави­ва­ют­ся» и летят по спи­ра­ли. Мы с вами изме­ря­ем их и гово­рим: ребя­та, у нас есть выде­лен­ное направ­ле­ние, у нас мир не изо­тро­пен, у нас есть выде­лен­ная ось, на кото­рую нама­ты­ва­ют­ся элек­тро­ны.

Но если мы с вами умные тео­ре­ти­ки, то дога­да­ем­ся, что дело не в том, что про­стран­ство име­ет выде­лен­ное направ­ле­ние, а в том, что в этом про­стран­стве есть маг­нит­ное поле. Мы пой­мем: если бы нам уда­лось убрать это маг­нит­ное поле, то в про­стран­стве все направ­ле­ния были бы рав­но­прав­ны­ми. Мы решим, что сим­мет­рия по отно­ше­нию к вра­ще­нию есть, но она нару­ше­на тем, что в про­стран­стве есть маг­нит­ное поле. А если бы мы были еще более умны­ми тео­ре­ти­ка­ми, то, поняв, что есть такое новое поле, обес­пе­чи­ва­ю­щее нару­ше­ние сим­мет­рии, ска­за­ли, что дол­жен быть и его квант. И пред­ска­за­ли бы фотон. И пра­виль­но бы пред­ска­за­ли! Сим­мет­рия может быть нару­ше­на, если есть раз­ли­тое в про­стран­стве поле, кото­рое эту сим­мет­рию нару­ша­ет.

И вот в физи­ке мик­ро­ми­ра ров­но это и про­ис­хо­дит. С неко­то­ры­ми отли­чи­я­ми. Отли­чия в том, что сим­мет­рия не про­стран­ствен­ная, не отно­си­тель­но про­стран­ствен­ных вра­ще­ний, как в маг­ни­те, а внут­рен­няя. И ника­ко­го желе­за тут у нас нет, эта сим­мет­рия нару­ше­на пря­мо в ваку­у­ме. Нако­нец, в отли­чие от маг­нит­но­го поля, здесь нуж­но новое поле. Это и есть поле Энгле­ра, Бра­у­та и Хиггса, кото­рое обес­пе­чи­ва­ет это нару­ше­ние. И тон­кость еще в том, что маг­нит­ное поле — это век­тор, у него есть направ­ле­ние, а вот это поле долж­но быть ска­ля­ром, что­бы не нару­шить сим­мет­рию отно­си­тель­но про­стран­ствен­ных вра­ще­ний. Оно не долж­но быть нику­да направ­ле­но. Части­ца это­го поля долж­на иметь спин, рав­ный нулю.

Такая кар­тин­ка была пред­ло­же­на и обле­че­на в фор­му­лы Энгле­ром и Бра­у­том, затем Хигг­сом. Но Энглер и Бра­ут как-то не обра­ти­ли вни­ма­ния на то, что их тео­рия пред­ска­зы­ва­ет новую части­цу. А Хиггс, кото­рый опуб­ли­ко­вал свою рабо­ту немно­го поз­же, на это вни­ма­ние обра­тил, при­чем с пода­чи рецен­зен­та, кото­рый спро­сил, есть ли у Хиггса в ста­тье какие-то новые вещи, про кото­рые Энглер и Бра­ут не ска­за­ли. Хиггс поду­мал-поду­мал и заявил, что долж­на быть новая части­ца. Поэто­му ее и назва­ли «бозо­ном Хиггса».

Что дальше?

Пока что всё было «во здра­вие». Но оста­ют­ся вопро­сы. С одной сто­ро­ны, кар­ти­на с бозо­ном Хиггса непро­ти­во­ре­чи­ва. Фор­маль­но всё мож­но посчи­тать, всё мож­но вычис­лить, имея извест­ные пара­мет­ры этой тео­рии — кон­стан­ты свя­зи, мас­сы. Но окон­ча­тель­но­го удо­вле­тво­ре­ния эта кар­ти­на не при­но­сит. И одно из самых глав­ных мест, не даю­щих спо­кой­но спать физи­кам, — это то, что в при­ро­де есть очень раз­ные энер­ге­ти­че­ские мас­шта­бы вза­и­мо­дей­ствий.

У силь­ных вза­и­мо­дей­ствий меж­ду квар­ка­ми и глю­о­на­ми свой харак­тер­ный мас­штаб. Это, гру­бо гово­ря, мас­са про­то­на — 1 ГэВ. Есть мас­штаб сла­бых вза­и­мо­дей­ствий, 100 ГэВ (мас­сы W, Z, хигг­сов­ско­го бозо­на). И этот мас­штаб как раз и есть мас­штаб хигг­сов­ско­го поля — при­мер­но 100 ГэВ. И это бы еще ниче­го, но есть еще мас­са План­ка — гра­ви­та­ци­он­ный мас­штаб. Кото­рый аж 1019 ГэВ. И, конеч­но, уже стран­но: что за исто­рия такая, поче­му эти мас­шта­бы такие все раз­ные?

С мас­шта­ба­ми силь­ных вза­и­мо­дей­ствий такой про­бле­мы нет: есть меха­низм, поз­во­ля­ю­щий понять отли­чие это­го мас­шта­ба от гра­ви­та­ци­он­но­го (ну, по край­ней мере, заме­сти наше недо­уме­ние под ковер). А вот с мас­шта­бом бозо­на Хиггса дело пло­хо. Поче­му? Пото­му что, вооб­ще-то, в при­ро­де есть ваку­ум — состо­я­ние без частиц. И это вовсе не абсо­лют­ная пусто­та — в том смыс­ле, что в ваку­у­ме всё вре­мя про­те­ка­ют вир­ту­аль­ные про­цес­сы: рож­де­ние-уни­что­же­ние пар частиц и флук­ту­а­ции полей. Всё вре­мя там идет жизнь. Одна­ко посколь­ку это ваку­ум и в нем нет ника­ких частиц, нам это­го напря­мую не вид­но. А кос­вен­но — очень даже вид­но. Напри­мер, про­цес­сы рож­де­ния вир­ту­аль­ных пар вли­я­ют на свой­ства ато­мов, меня­ют их энер­ге­ти­че­ские уров­ни. Это дав­но извест­ный лэм­бов­ский сдвиг, вычис­лен­ный в 1930-х и изме­рен­ный в 1940-х. Вли­я­ют, как пра­ви­ло, не очень силь­но. Вот этот лэм­бов­ский сдвиг атом­ных уров­ней — все­го лишь доли про­цен­та.

Но есть одно место, где ваку­ум «стре­ля­ет» на 100%. Это как раз мас­са бозо­на Хиггса. Выяс­ня­ет­ся, что если вы нач­не­те учи­ты­вать рож­де­ние и уни­что­же­ние вир­ту­аль­ных частиц и наив­но попы­та­е­тесь про­ве­сти вычис­ле­ние — сколь­ко же эти про­цес­сы вкла­ды­ва­ют в мас­су бозо­на Хиггса, — то убе­ди­тесь, что эти явле­ния стре­мят­ся под­тя­нуть мас­су бозо­на Хиггса к план­ков­ской мас­се. Они не дают бозо­ну Хиггса быть лег­ким.

И это, дей­стви­тель­но, страш­ное дело. Очень хочет­ся понять, поче­му реаль­но в при­ро­де элек­тро­сла­бый мас­штаб такой малень­кий по срав­не­нию с гра­ви­та­ци­он­ным мас­шта­бом 1019 ГэВ. Это объ­яс­ня­ет­ся, может быть, тем, что мы пло­хо зна­ем физи­ку при не очень высо­ких энер­ги­ях, при энер­ги­ях мас­шта­ба 1 ТэВ. Дело в том, что если физи­ка меня­ет­ся на мас­шта­бе тера­элек­трон­вольт, то, может быть, там и про­ис­хо­дят чуде­са: вли­я­ние ваку­у­ма поче­му-то ока­зы­ва­ет­ся малень­ким, несу­ще­ствен­ным. Такая идея. Воз­мож­но, БАК еще не всё открыл, и долж­ны быть новые явле­ния, кото­рые ему доступ­ны. Его энер­гия, напо­ми­наю, — 14 ТэВ. Прав­да, это столк­но­ве­ния про­то­на с про­то­ном. Кварк с квар­ком име­ют энер­гию столк­но­ве­ния при­мер­но в шесть раз мень­ше. Поэто­му реаль­ный мас­штаб энер­гии, кото­рый изу­ча­ет­ся БАКом, — это 2–3 ТэВ. Но все-таки это тот самый мас­штаб, на кото­ром (как нам хоте­лось бы) может появить­ся новая физи­ка, совер­шен­но новые физи­че­ские явле­ния.

И я вам дол­жен ска­зать, что на самом деле сей­час ситу­а­ция очень стрем­ная. Пото­му что БАК уже пора­бо­тал почти на сво­ей про­ект­ной энер­гии — 13 ТэВ, он отлич­но на ней отра­бо­тал 2017 год, и сей­час эта рабо­та про­дол­жа­ет­ся. И нет пока ника­ких — ника­ких! — ука­за­ний на эту новую физи­ку, на кото­рую мы всё наде­ем­ся. Все эти сооб­ра­же­ния, про кото­рые я вам гово­рю, не под­твер­жда­ют­ся. То ли еще све­ти­мо­сти не хва­ти­ло, столк­но­ве­ний мало­ва­то, ста­ти­сти­ки мало­ва­то. То ли что-то тут совсем не то, и все эти доста­точ­но убе­ди­тель­ные, но не сто­про­цент­но желез­ные аргу­мен­ты, может быть, непра­виль­ны.

Какая может быть новая физи­ка? Очень боль­шие надеж­ды были на супер­сим­мет­рию. Она заме­ча­тель­на тем, что это тео­рия, в кото­рой есть допол­ни­тель­ная сим­мет­рия по срав­не­нию со все­ми извест­ны­ми. Кото­рая свя­зы­ва­ет части­цы с целым и полу­це­лым спи­ном — бозо­ны и фер­ми­о­ны. Кста­ти ска­зать, эта сим­мет­рия была пред­ло­же­на тео­ре­ти­ка­ми здесь в Москве, в ФИАНе, в 1970-х годах.

В кон­тек­сте физи­ки эле­мен­тар­ных частиц это зна­чит сле­ду­ю­щее: если у вас есть кварк со спи­ном 12, то у него дол­жен быть парт­нер, кото­ро­го недол­го думая назва­ли ска­ляр­ный кварк, — «скварк» со спи­ном 0. У элек­тро­на дол­жен быть парт­нер — ска­ляр­ный элек­трон, у фото­на парт­не­ром долж­но быть фоти­но со спи­ном 12, у глю­о­на — глю­и­но, у гра­ви­то­на — гра­ви­ти­но.

Кро­ме гра­ви­ти­но, все эти части­цы, если они лег­кие, долж­ны рож­дать­ся на Боль­шом адрон­ном кол­лай­де­ре. Вооб­ще, горя­чие голо­вы гово­ри­ли так: вклю­чит­ся БАК — и пер­вым делом най­дут отнюдь не бозон Хиггса, а супер­сим­мет­рию. И это мне­ние раз­де­ля­лось не толь­ко мно­ги­ми тео­ре­ти­ка­ми, но и бед­ны­ми экс­пе­ри­мен­та­то­ра­ми, кото­рым тео­ре­ти­ки запуд­ри­ли моз­ги. Одна­ко супер­сим­мет­рия до сих пор не откры­та, толь­ко есть огра­ни­че­ния на мас­сы выше­пе­ре­чис­лен­ных частиц. Вооб­ще, уже не похо­же, что супер­сим­мет­рия есть в при­ро­де при не очень высо­ких энер­ги­ях.

Рис. 5. Схема Большого адронного коллайдера (фото с сайта cds.cern.ch)
Рис. 5. Схе­ма Боль­шо­го адрон­но­го кол­лай­де­ра (фото с сай­та cds.cern.ch)

Поче­му супер­сим­мет­рия хоро­ша? Ока­зы­ва­ет­ся, вкла­ды вир­ту­аль­ных частиц в мас­су бозо­на Хиггса име­ют раз­ные зна­ки для раз­ных спи­нов. При супер­сим­мет­рии бозон­ный и фер­ми­он­ный вкла­ды сокра­ща­ют­ся до нуля, и если у вас есть фото­ны и фоти­но или W-бозо­ны и ви́но, то их вкла­ды тоже сокра­ща­ют­ся до нуля. Если мас­сы частиц и их супер­парт­не­ров раз­ные — а это так и есть, нет ска­ляр­но­го элек­тро­на с такой же мас­сой, как у элек­тро­на, это мы точ­но зна­ем, — то это сокра­ще­ние про­ис­хо­дит не до нуля. Но если мас­сы супер­парт­не­ров — в рай­оне тера­элек­трон­вольт, то как раз полу­ча­ет­ся, что эти вкла­ды име­ют мас­штаб сот­ни гига­элек­трон­вольт, и тогда всё хоро­шо. Но это уже не рабо­та­ет. Уже сей­час огра­ни­че­ния на эти мас­сы такие силь­ные, что дан­ный меха­низм сокра­ще­ния пол­но­стью не рабо­та­ет, 100 ГэВ не полу­чить. Если наив­но вычис­лять, то долж­но полу­чить­ся что-то вро­де 500–700 ГэВ для мас­сы бозо­на Хиггса. Так что сей­час ситу­а­ция с поис­ком супер­сим­мет­рии очень напря­жен­ная.

Есть еще сце­на­рии: напри­мер, бозон Хиггса может быть состав­ным, не обя­за­тель­но эле­мен­тар­ным. И вооб­ще, в физи­ке кон­ден­си­ро­ван­ных сред извест­ны ана­ло­ги меха­низ­ма Хиггса, и там ана­лог бозо­на Хиггса или хигг­сов­ско­го поля не эле­мен­тар­ный, а состав­ной. Самый извест­ный при­мер — это сверх­про­во­ди­мость. В сверх­про­вод­ни­ке фотон как бы име­ет мас­су, это так назы­ва­е­мый эффект Мейс­не­ра. Тео­рия Энгле­ра — Бра­у­та — Хиггса — это почти один в один тео­рия Гин­збур­га — Лан­дау, кото­рая была пред­ло­же­на лет за десять до Энгле­ра — Бра­у­та — Хиггса.

Если бозон Хиггса — состав­ной, тогда всё меня­ет­ся, и огром­ные вкла­ды от вза­и­мо­дей­ствия с ваку­у­мом исче­за­ют, появ­ля­ет­ся раз­мер состав­ной систе­мы, как у про­то­на. Если этот раз­мер состав­ля­ет 1018 см, то соот­вет­ству­ю­щая энер­гия систе­мы ока­зы­ва­ет­ся разум­ной, при этом внут­рен­няя струк­ту­ра пока оста­ет­ся нераз­ли­чи­мой. У таких моде­лей есть свои пред­ска­за­ния, но опять-таки до сих пор ниче­го похо­же­го на уско­ри­те­ле не вид­но.

Может быть, мы чего-то силь­но не пони­ма­ем, тео­ре­ти­ки чего-то силь­но не доду­ма­ли, не откры­ли в сво­их голо­вах. Конеч­но, на Боль­шом адрон­ном кол­лай­де­ре есть про­грам­ма поис­ка новых явле­ний, не опи­ра­ю­ща­я­ся на тео­ре­ти­че­ские пред­ска­за­ния. Будем искать, где можем, «где есть фона­ри» — под ними и будем искать. И будем пытать­ся най­ти отли­чия от Стан­дарт­ной моде­ли вез­де, где толь­ко это мож­но сде­лать. До сих пор ниче­го это­го нет, и Стан­дарт­ная модель пре­крас­но рабо­та­ет.

В заклю­че­ние ска­жу: сей­час мы нахо­дим­ся на очень инте­рес­ном эта­пе раз­ви­тия физи­ки эле­мен­тар­ных частиц. С одной сто­ро­ны, есть уве­рен­ность, что Стан­дарт­ная модель — это еще не вся исто­рия. Есть еще при­шед­шие из кос­мо­ло­гии жест­кие, одно­знач­ные сви­де­тель­ства того, что Стан­дарт­ная модель непол­на, — в первую оче­редь это тем­ная мате­рия: во Все­лен­ной есть мас­сив­ные части­цы, кото­рые состав­ля­ют тем­ную мате­рию, их по мас­се при­мер­но в пять раз боль­ше, чем обыч­но­го веще­ства.

Сей­час такая ситу­а­ция, что физи­ка эле­мен­тар­ных частиц сно­ва ста­ла экс­пе­ри­мен­таль­ной нау­кой. В 1950–1960-е годы эта область физи­ки была экс­пе­ри­мен­таль­ной нау­кой, когда шли экс­пе­ри­мен­ты, их резуль­та­ты осмыс­ли­ва­лись и созда­ва­лись тео­рии. Одна­ко на про­тя­же­нии всей моей созна­тель­ной жиз­ни всё было наобо­рот: тео­ре­ти­ки дела­ли пред­ска­за­ния, а экс­пе­ри­мен­та­то­ры их под­твер­жда­ли. Сей­час мы опять при­шли к ситу­а­ции, когда мы пол­но­стью завя­за­ны на экс­пе­ри­мент, не зная, что он нам пока­жет. Ждем, дер­жим паль­цы кре­сти­ком, но пока ниче­го инте­рес­но­го БАК нам не гово­рит. Кро­ме того, что есть бозон Хиггса…

Какая новая физи­ка появит­ся в кон­це кон­цов, мы тоже не зна­ем. Так что ситу­а­ция инте­рес­ная, важ­ное откры­тие сде­ла­но, но каким будет сле­ду­ю­щее откры­тие, никто сего­дня ска­зать не может. Может быть, это и хоро­шо, это застав­ля­ет нас напря­гать­ся и думать, а экс­пе­ри­мен­та­то­ров — искать новые явле­ния. Наде­юсь, что эти поис­ки завер­шат­ся успе­хом.

Рас­шиф­ров­ку лек­ции В. А. Руба­ко­ва см. на сай­те газе­ты.
Видео­за­пись лек­ции см. youtube.com/watch?v=yi87VJobUFQ

Если вы нашли ошиб­ку, пожа­луй­ста, выде­ли­те фраг­мент тек­ста и нажми­те Ctrl+Enter.

Связанные статьи

avatar
5 Цепочка комментария
1 Ответы по цепочке
6 Подписки
 
Популярнейший комментарий
Цепочка актуального комментария
6 Авторы комментариев
AndrewAlexПал палычwandarerВладимир Аксайский Авторы недавних комментариев
  Подписаться  
Уведомление о
Александр Кауров
Александр Кауров

Спа­си­бо, очень инте­рес­но.

Владимир Аксайский
Владимир Аксайский

Ста­тья понра­ви­лась – живая, попу­ляр­ная. Воз­ни­ка­ет отчет­ли­вое ощу­ще­ние – бозон Хиггса спо­со­бен надол­го обес­пе­чить инте­рес­ной, мно­го­обе­ща­ю­щей рабо­той экс­пе­ри­мен­та­то­ров и тео­ре­ти­ков. Мне нра­вит­ся идея состав­но­го бозо­на – порож­да­ет мно­же­ство ассо­ци­а­ций и ана­ло­гий. Про­стей­шие, почти на быто­вом уровне – ней­трон вне ядра, глу­бо­ко­вод­ная рыба на бере­гу и т.д. и т.п., – в общем, любая дис­крет­ность вне есте­ствен­ной сре­ды оби­та­ния. Мы посте­пен­но рас­ши­ря­ем доступ­ную нам энер­ге­ти­че­скую шка­лу бозо­нов в обе сто­ро­ны от стар­то­вой види­мой обла­сти, прав­да, немно­го асим­мет­рич­но. Инте­рес­но, что такое «наив­ные вычис­ле­ния» – это, напри­мер, оцен­ки по моде­ли чер­но­го тела? – пер­вый раз встре­тил такое выра­же­ние. :)

Andrew
Andrew

Если бы хигг­со­на не было, то его сто­и­ло бы выду­мать!

wandarer
wandarer

Супер­сим­мет­рия это по суще­ству пере­ход меж­ду бозо­на­ми и фер­ми­о­на­ми. И этот пере­ход осу­ществ­ля­ет­ся при энер­ги­ях доста­точ­ных для тако­го пере­хо­да, напри­мер, для фото­на это две энер­гии мас­сы покоя элек­тро­на, что­бы мог появить­ся пози­тро­ний. Поэто­му ника­ких супер­сим­мет­рич­ных частиц обна­ру­жить не удаст­ся, так как усло­вие супер­сим­мет­рии – вза­и­мо­пе­ре­хо­ды меж­ду бозо­на­ми и фер­ми­о­на­ми выпол­ня­ют­ся при энер­ги­ях зна­чи­тель­но ниже тео­ре­ти­че­ски ожи­да­е­мых.

Пал палыч
Пал палыч

думать – это хоро­шо. вот думай­те.
а денеж­ки пока поте­кут в дру­гие обла­сти нау­ки, где уже при­ду­ма­ли. напри­мер – в аст­ро­фи­зи­ку и гра­ви­та­ци­он­ные вол­ны.
а вот ILC подо­ждёт.

Alex
Alex

Если про­дол­жить ана­ло­гию с чело­веч­ка­ми в маг­ни­те – есть ведь и места, где маг­ни­та нет или он совсем дру­гой. Не явля­ет­ся ли «поле Хиггса» оче­ред­ным намё­ком на то, что наша все­лен­ная не исчер­пы­ва­ет «все­го, что есть»? А в таком слу­чае как отли­чать (воз­мож­но ли это, име­ет ли смысл?) фун­да­мен­таль­ные свой­ства «все­го» от слу­чай­ных свойств нашей Все­лен­ной?

» Это объ­яс­ня­ет­ся, может быть, тем, что мы пло­хо зна­ем физи­ку при не очень высо­ких энер­ги­ях, при энер­ги­ях мас­шта­ба 1 ТэВ.» – Опе­чат­ка? Веро­ят­но, «при очень высо­ких».

Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (9 оценок, среднее: 5,00 из 5)
Загрузка...
 
 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: