Ученые, работающие на Большом адронном коллайдере, после анализа собранных данных пришли к выводу, что открытая ими в июле 2012 года частица действительно является бозоном Хиггса. Такое объявление сделала недавно пресс-служба Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН). Что из этого следует?
Эта и есть «частица Бога»?
«Предварительные результаты обработки всех данных, полученных в 2012 году, делают очевидным, что мы имеем дело с бозоном Хиггса. Однако нам предстоит еще долгий путь, чтобы выяснить, какой это тип бозона Хиггса», — заявил Джон Инкандела, руководитель одной из групп исследователей.
А суть дела тут такова. Летом прошлого года физики ЦЕРНа объявили, что им удалось обнаружить частицу, которая по всем параметрам очень похожа на предсказанную британским физиком-теоретиком Питером Хиггсом еще в 60-е годы XX века. Эта частица понадобилась ему для того, чтобы хоть как-то объяснить, почему другие элементарные частицы имеют массу.
До поры до времени никто не утверждал, что бозон Хиггса обнаружен, и лишь в марте 2013 года впервые решились это сделать.
Событие было тут же объявлено самым выдающимся открытием последних лет. Ведь бозон Хиггса, по идее, — последний недостающий элемент современной теории элементарных частиц, так называемой Стандартной модели, объединяющей все виды взаимодействий, кроме гравитационного, — сильное (связывающее кварки в протонах и нейтронах), слабое (взаимодействие между электронами и нейтрино) и электромагнитное.
Роль этой частицы так важна, что ее иногда даже называют «частицей Бога». Ведь согласно принципам Стандартной модели, в момент рождения Вселенной после Большого взрыва частицы приобрели массу под действием хиггсовского поля, сформированного именно бозонами Хиггса. А без этого поля не могло бы произойти образование атомов и молекул, поскольку частицы, не имеющие массы, просто разлетелись бы в космическом пространстве.
Косвенные улики
Согласно теории, неуловимые бозоны Хиггса существуют всюду. Через поле Хиггса, заполняющее пространство Вселенной, проходят абсолютно все частицы, из которых строятся атомы и молекулы, ткани и целые живые организмы. Тем не менее, долгое время экспериментаторам не удавалось обнаружить что-то похожее на бозон Хиггса.
Положение осложнялось тем, что теория не позволяет точно установить массу бозона Хиггса, поэтому для его обнаружения ученые прибегли к экспериментам. Упрощенно их можно представить так. По некой мишени в гигантском ускорителе ударяют потоком частиц высокой энергии, разгоняя их электромагнитными полями в кольцевом тоннеле ускорителя.
При соударении одни частицы преобразуются в другие. В том числе, согласно теории, рождается и бозон Хиггса, который тут же распадается на разные частицы. Одним из вариантов может быть распад на два Z-бозона, четыре лептона (электрона или мюона) и на два гамма-кванта.
Поэтому, если в экспериментах регистрируются перечисленные частицы — продукты возможного распада бозона Хиггса, физики говорят: «Вот следы частицы Бога…»
Однако, как ехидно заметил один из экспертов, такой способ изучения мира элементарных частиц смахивает на анекдот. Дескать, некие чудаки, чтобы узнать, что находится в закупоренной бочке, не нашли лучшего способа, как подложить эту бочку под тяжелый каток. А потом, попробовав на вкус сок из натекшей лужи, оставшейся от раздавленной бочки, отважно заявили: «В ней скорее всего были соленые огурцы, а не квашеная капуста…»
Ну, а если серьезно, то первые существенные попытки отловить бозон Хиггса были предприняты на рубеже XX и XXI веков с помощью Большого электронно-позитронного коллайдера (БАК) или Large Electron-Positron Collider (LEP), находящихся в Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) неподалеку от Женевы.
В результате многочисленных опытов на ускорителе был установлен нижний порог массы бозона Хиггса — 114,4 гигаэлектронвольта. Первый цикл экспериментов на БАКе был завершен в 2001 году.
Следующие циклы экспериментов проводили на коллайдере Теватрон (Tevatron), построенном в 1983 г. в Лаборатории имени Ферми (Fermilab), штат Иллинойс, США. Энергия столкновений в нем составляла около 2 тераэлектронвольт. В 2004 г. на Теватроне была установлена верхняя граница массы частицы Хиггса — 251 гигаэлектронвольт, а нижняя — 114 гигаэлектронвольт.
В ноябре 2011 г. цифры были скорректированы — 141 и 115 гигаэлектронвольт соответственно. Окончательные результаты Теватрон а, завершившего свою работу осенью 2011 г., показали, что масса бозона Хиггса находится в интервале от 115 до 135 гигаэлектронвольт.
Затем за дело снова взялся БАК, модернизированный за это время. На этом ускорителе ученые сталкивали разогнанные во встречных пучках до околосветовой скорости протоны, а затем фиксировали частицы и излучения, получившиеся в результате очередного столкновения, с помощью 4 специализированных детекторов — двух крупных (ATLAS и CMS) и двух средних (ALICE и LHCb). Анализом полученных данных занимались две группы ученых, работавших независимо друг от друга.
В 2010 г. первыми положительными результатами работы коллайдера стало рождение четырех неустойчивых элементарных частиц — мюонов, образовавшихся в результате столкновения протонов. Физики предположили, что в цепочке превращений от протонов до мюонов промежуточным звеном мог быть неуловимый бозон Хиггса.
Далее физики стали накапливать статистику данных о столкновениях частиц в ускорителе, все повышая энергетику столкновений. Они заявляли, что порог, за которым коллайдер начнет «чувствовать» бозон Хиггса, находится на уровне пяти обратных фемтобарн. В «переводе» на наш обыденный язык, 5 обратных фемтобарн соответствуют примерно 350 квадриллионам столкновений протонов за сеанс.
Этот порог был перейден в октябре 2011 г. И тогда же было сообщено, что согласно завершившимся исследованиям ученых Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, Института теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН и Кельнского университета «спектральный индекс космологических возмущений согласуется с наблюдениями, если хиггсовская масса лежит в интервале от 136 до 185 гигаэлектронвольт».
В переводе на более понятный язык, это значило, что и в материалах, полученных в результате работы ВАКа, и в данных, полученных со специализированного спутника WMAP, были обнаружены некие следы частицы, похожей на бозон Хиггса.
В декабре 2011 г. ученые подтвердили, что опять-таки видели некоторые «намеки» на бозон Хиггса.
В июне 2012 г. количество столкновений и плотность потока протонов в Большом адронном коллайдере были доведены до уровня, при котором в ускорителе должен рождаться и распадаться на другие частицы один бозон Хиггса в час — если, конечно, он существует.
В конце июня 2012 г. математик Питер Войт из Колумбийского университета в Нью-Йорке (США) проговорился, что с помощью ATLAS и CMS получена информация о параметрах бозона Хиггса с массой 124–125 гигаэлектронвольт.
Продолжение следует
Впрочем, многие ученые пока еще сомневаются, является ли открытый тип бозона частью Стандартной модели или же это другой вариант частицы, о котором говорят некоторые другие теории.
Во всяком случае, новый бозон, который по ряду свойств соответствует бозону Хиггса, может оказаться лишь первым из ряда таких частиц. «Такая возможность предсказана теорией суперсимметрии, — заявил лауреат Нобелевской премии 1984 г. по физике, экс-гендиректор Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) Карло Руббиа.
Однако профессор Руббиа все же осторожен в своих оценках. «Теория суперсимметрии, если она верна, предсказывает существование пяти бозонов Хиггса, поэтому то, что мы обнаружили, может быть всего лишь первым из них», — сказал он.
Дело в том, что теория суперсимметрии (SUSY) предполагает, что у всех известных элементарных частиц существуют «двойники» — суперсимметричные частицы, которые родились вместе с «обычными» частицами в момент Большого взрыва. Затем суперсимметричные частицы стали намного тяжелее обычного вещества и распались, а их остатки образовали темную материю, из которой, как предполагают, почти на четверть состоит Вселенная.
Таким образом, даже если исследователи и в самом деле обнаружили бозон Хиггса — это вовсе не конец истории. Нужны новые исследования.
Дальнейшее изучение суперсимметричных частиц, как считают эксперты, возможно на ускорителях нового типа — линейных. И они уже заговорили о двух новых проектах. Во-первых, это Международный электрон-позитронный линейный коллайдер (ILC, International Linear Collider), в создании которого уже сейчас участвуют почти 300 лабораторий и университетов по всему миру.
ILC должен будет детально исследовать свойства бозона Хиггса, если последний будет в самом деле открыт с помощью ВАКа. Стоимость проекта — 10 млрд. евро.
Конкурент ILC — проект Компактного линейного коллайдера (CLIC, Compact Linear Collider). При тех же линейных размерах он обещает дать в шесть раз большую энергию частиц (3 тераэлектронвольта против 500 гигаэлектронвольт).
Пока же и сам БАК остановили на два года для модернизации с целью получения дополнительных сведений о загадочной частице. Занимаются этим в основном русские и китайские физики. После модернизации суммарную энергию столкновений протонов увеличат с нынешних 8 тераэлектровольт до 14.
Пригласим агента 007?
Пройдет еще несколько лет, будут проведены новые исследования и эксперименты, и лишь после этого будет подписан окончательный вердикт относительно бозона Хиггса, говорят многие ученые.
Ныне же физики Гордон Фрейзер и Майкл Райордан предлагают отказаться от длинного названия «бозон Хиггса» и назвать обнаруженную частицу «хиггсоном».
Такое название, по их мнению, не только органично дополнит ряд названий других «родственников» бозона по Стандартной модели, — электронов, протонов, нейтронов, но и пригодится на случай, если бозонов Хиггса окажется несколько.
Однако другие исследователи указывают, что «хиггсон» — это еще и фамилия британского писателя и актера Чарли Хигсона, автора нескольких книг «юношеской» серии о Джеймсе Бонде, написанных уже после кончины Йэна Флеминга.
Так что и тут нет единодушия. Дело пока запуталось настолько, что для выяснения истины впору приглашать знаменитого агента 007. Легендарный Джеймс Бонд, быть может, понадобится еще и для того, чтобы в очередной раз спасти мир, шутят физики. Дело в том, что само существование бозона Хиггса, по мнению некоторых теоретиков, означает, что конец света действительно когда-то наступит.
Это следует из расчетов, результаты которых удалось уточнить после определения массы бозона Хиггса. По результатам последних экспериментов, она составляет порядка 126 гигаэлектронвольт. Это значение было подставлено в теоретические формулы, которые описывают расширение нашей Вселенной. В итоге, как сообщил американский физик-теоретик Джозеф Ликкен из лаборатории имени Энрико Ферми в Иллинойсе, получается, что наша Вселенная нестабильна. И, по словам ученого, через несколько десятков миллиардов лет ее может ожидать катастрофа. Причем, если бы масса бозона Хиггса была другой всего на несколько процентов, то Вселенная не оказалась бы под угрозой уничтожения.
Пока же, учитывая, что к 2013 г. возраст Вселенной составляет уже 13,7 миллиарда лет, Ликкен рассчитал, что она может погибнуть примерно через 10 млрд. лет.
Охота за темной материей
Впрочем, сегодня физиков занимают совсем другие проблемы. «Если бозон Хиггса существует, значит, мы правильно понимаем, в каких-то пределах Стандартной модели, как устроена Вселенная. А если его нет, значит, мы что-то не так понимаем и надо начинать все сначала», — говорит Сергей Малюков, ведущий сотрудник Объединенного института ядерных исследований.
«Тут можно говорить о разных сценариях развития Вселенной, — поддерживает коллегу Алексей Мягков, ведущий научный сотрудник Института физики высоких энергий. — Многое еще зависит от того, удастся ли нам понять, что представляют собой скрытая масса и темная энергия, на которые приходится свыше 90 % материи нашей Галактики. А эта задачка посложнее поимки бозона Хиггса…»
Условия, которые некогда существовали в ранней Вселенной, когда зарождалась и темная материя, и бозон Хиггса, и многие другие частицы, в принципе можно воссоздать на модернизированном ВАКе, полагают ученые. Но есть и иной путь. В космос, на МКС, уже отправлен конкурент коллайдера — магнитный альфаспектрометр. Он будет фиксировать частицы, которые идут к нам издалека, с самых окраин Вселенной.
Они-то и родились на заре ее возникновения.
В данных, полученных со специализированного спутника WMAP, были обнаружены некие следы частицы, похожей на бозон Хиггса.
Данные из космоса покажут существование темной субстанции без подземных столкновений и высокотемпературных взрывов. А 600 специальных компьютеров, разработанных российскими учеными, которые автономно работают в условиях повышенной космической радиации, обрабатывают весь массив поступающей информации.
«Темная материя сюда сама не летит, так как с ней что-то происходит, от чего и возникают другие частицы, которые мы регистрируем, например, позитроны, — полагает Алексей Лебедев, профессор Массачусетского технологического института. — И неплохо было бы во всем этом разобраться…»
Проект рассчитан на 16 лет — таков срок запрограммированного износа электроники, которая сейчас работает на орбите. Обработанная орбитальными компьютерами информация уже начала стекаться в Хьюстон.
Если темную материю, которая теоретически связывает собой Вселенную, не обнаружат, физические законы придется пересмотреть. Если существование субстанции подтвердят, человечество может получить неиссякаемый источник энергии и возможность путешествия по всей Вселенной.
С. НИКОЛАЕВ