Физики Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН), ведущие исследования на Большом адронном коллайдере (БАК), объявили недавно, что с точностью в 99,99995 процента (или 5 «сигма») обнаружили наконец загадочный бозон Хиггса, охота за которым велась около полувека. Если это подтвердится, можно будет считать, что сделано, пожалуй, самое значительное открытие физики XXI века, заявили участники исследований.

Что же так взбудоражило научную общественность мира?

Откуда «Частица Бога»?

В истории ядерной физики уже бывали случаи, когда открытие, сделанное «на кончике пера» теоретиком, затем блестяще подтверждалось на практике. Классическим считается случай с открытием позитрона. Сначала существование этой частицы было теоретически предсказано английским физиком-теоретиком Полем Дираком в 1931 году. А год спустя американский физик К.Д. Андресон обнаружил эту частицу — «двойника электрона», или античастицу с положительным зарядом, — в космических лучах.

Существование же бозона Хиггса было предсказано британским профессором Питером Хиггсом в 1966 году как последний недостающий элемент современной теории элементарных частиц, которую еще называют Стандартной моделью.

По мнению Хиггса, эта гипотетическая частица должна отвечать за массы всех других элементарных частиц.

Так называемый хиггсовский механизм, который объясняет происхождение массы, был предложен в 1962 году американским физиком Филиппом Андерсоном, а двумя годами позже детально проработан тремя независимыми группами ученых — Франсуа Англером и Робертом Браутом, Питером Хиггсом и Джеральдом Гуральником, Карлом Хагеном и Томом Кибблом.

Почти два десятилетия назад физик Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми, нобелевский лауреат Леон Ледерман в своей статье как бы в шутку назвал бозон Хиггса «проклятой частицей» (goddamn particle), поскольку она никак не поддавалась идентификации. Однако редактору статьи название не понравилось, и он переименовал ее в «божественную частицу» (God Particle). Так с легкой руки редактора название «частица Бога» и закрепилось в литературе.

Чем же важна эта частица для физиков? В самом упрощенном виде суть рассуждений здесь такова. Когда Вселенная начала остывать после Большого взрыва, сформировалась некая гипотетическая сила, известная как поле Хиггса. Материальными носителями этой силы, ее квантами, и должны быть, по идее, бозоны Хиггса.

Именно это поле (а не сам бозон) объясняет появление массы у частиц, сформировавших атомы. Без его существования частицы просто пронизали бы космос со световой скоростью. А согласно теории Эйнштейна, частицы, имеющие массу, разгоняться до скорости света не могут.

То, как работает поле Хиггса, ученые попытались рассказать журналистам в ЦЕРНе на пресс-конференции, созванной по этому поводу. «Вот вас здесь целая толпа, — пояснил «на пальцах» суть дела один из выступавших. — Представьте, что в эту комнату вошел сам Питер Хиггс. Пока вы не знаете, кто он такой, профессор может спокойно передвигаться по комнате. Но как только кто-то из вас его узнает, тотчас вокруг профессора образуется плотная толпа, пробиться через которую ученый сможет с большим трудом. Точно так же наличие поля Хиггса мы можем обнаружить только по пролету бозона Хиггса…»

Специальные ловушки

Все охотники прекрасно знают: на каждого зверя нужны свои ловушки. Та, что предназначена, например, для поимки бобров, не годится для ловли зайцев. А потому исследователи потратили немало усилий, чтобы создать такие ловушки.

Сегодня их в мире две. Это теватрон в лаборатории имени Энрико Ферми (Фермилаб) в США и БАК в ЦЕРНе близ Женевы. Американские физики из Фермилаба помогли европейским коллегам, предоставив им результаты более чем десятилетних поисков бозона Хиггса. По их данным, если частица существует, то ее масса должна находиться в интервале от 115 до 135 гигаэлектронвольт.

Схема детектора ATLAS, с помощью которого был детектирован бозон Хиггса.

Один из участников этой работы, наш соотечественник Дмитрий Денисов, сказал так: «Мы на Тэватроне знаем, как открывать частицы. Мы открыли топ-кварк, шесть новых барионов (частиц, состоящих из новых комбинаций кварков. — Ред.), процесс самых быстрых переходов между материей и антиматерией и много других новых процессов. То, что мы видим в наших данных по Хиггсу, указывает на то, что бозон Хиггса существует»…

Денисов также добавил, что большой вклад в этот результат внесли и российские ученые — в одном из экспериментов было задействовано 100 представителей Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне, Института физики высоких энергий (ИФВЭ) в Протвино, МГУ имени Ломоносова, Института теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ) и Петербургского института ядерной физики имени Константинова (ПИЯФ).

Все эти работы помогли европейским физикам настроить Большой адронный коллайдер — ускоритель элементарных частиц с окружностью тоннеля в 26,7 км, который залегает под землей на глубине от 50 до 175 м на границе Швейцарии и Франции.

Продолжение следует

И вот спустя 12 лет после начала работы над БАКом появились первые значительные результаты. Сразу две группы ученых, работающих на детекторах «CMS» и «Atlas» в конце 2011 года, заявляли о нахождении неких, похожих на бозон Хигса частиц. Всего таких частиц было обнаружено около 300. Но ученые полагали, что этого мало, чтобы уверенно заявить: «Охота закончена. Мы поймали то, что хотели!»

Для полной уверенности ученым необходимо было добиться степени достоверности результатов в 99,99995 процента (или 5 «сигма», что соответствует статусу научного открытия). И эксперименты были продолжены.

«Мы достигли уровня вероятности почти в 5 «сигма», — сказал 4 июля 2012 года на семинаре представитель эксперимента «CMS» Джо Инкандела.

Итак, бозон Хиггс существует. Пока исследователи знают о нем не очень много, в частности только то, что его вес составляет в среднем 125 гигаэлектронвольт (эксперимент «Atlas» дал результат 126,5 ГэВ, a «CMS» — 125,З ГэВ). Теперь им предстоит большая работа по перепроверке полученных результатов, уточнению «портрета» частицы, описанию ee свойств.

Кроме того, во Вселенной осталось еще немало загадок. Например, науке пока неизвестно, почему наш мир в основном состоит из вещества, а антивещества ничтожно мало? Почему то, что мы видим вокруг, как показывают опять-так и теоретические расчеты, — всего лишь 4 процента от существующей материи во Вселенной? Остальное приходится на «темную материю» и «темную энергию», но что это такое, как обнаружить это «неизвестно что» экспериментально, физики пока не знают. Так что продолжение еще обязательно последует.

Г. МАЛЬЦЕВ , научный обозреватель «ЮТ»