частица бозона хиггса что это
Что такое бозон Хиггса и почему ученые хотели его открыть
Многие что-то где-то слышали про бозон Хиггса, а некоторые даже пробовали разобраться в вопросе того, что это такое. В итоге, объяснение данного процесса такое сложное, что понять все это не так легко. Мы просто знаем, что это важно, и все. Хотя иногда даже складывается ощущение, что ученые от нас что-то скрывают, и на самом деле аппаратура на миллиарды долларов, включая Большой адронный коллайдер, просто не нужна. Конечно, это не так, и физики сделали большое открытие (и продолжают делать новые), вот только надо понимать, даст ли это что-то нам с вами. Я имею в виду простых людей, которым интересно прочитать и удивиться, сколько денег потратили на новую лабораторию, но куда интереснее получить от этого какие-то преимущества. Давайте попробуем понять, светит ли нам мир во всем мире и будет в наших домах теплей от обнаружения бозона Хиггса. Да и вообще, что это такое.
В основе основ всегда есть что-то. Вопрос в том, как это найти.
Что такое бозон Хиггса
Прежде, чем рассказывать, чем является одно из самых важных открытий современной физики, надо дать этому определение. Желательно сделать это простым языком, а не так, чтобы его поняли только дипломированные физики. Этим и займемся.
Сделать это совсем просто — не просто. Еще в начале девяностых годов прошлого века в разных научных сообществах даже учреждались премии, которые должны были стимулировать ученых придумывать простые объяснения главной частицы всех теорий. Получалось так себе, но версии были очень разные.
Например, одна из версий абстрактно сравнивала ситуацию с вечеринкой. Приводилась в пример группа людей, которая присутствует на каком-либо мероприятии, куда в какой-то момент заходит известный человек. Для наглядности можно даже сказать знаменитый. В итоге, некоторые люди в помещении начинают перемещаться в его сторону и идут за ним, так как хотят с ним пообщаться.
Во время такого следования толпа может разбиваться на небольшие группы, которые, допустим, будут обсуждать какие-то новости или сплетни. Постепенно они начнут передавать сплетню друг другу и начнут образовывать уплотнения.
В этом объяснении помещение является полем Хиггса, знаменитость является частицей, движущейся в поле, а группы людей будут представлять из себя возмущения этого поля. Ничего не понятно? Согласен! Но ведь это одно из самых простых объяснений. Если вы можете более просто объяснить, что такое бозон Хиггса, расскажите об этом в нашем Telegram-чате. Может у вас получится.
Где-то тут должна ходить знаменитость и тогда мы поймем, что такое бозон Хиггса. Или нет…
Существует ли бозон Хиггса
Бозон Хиггса является фундаментальной частицей Стандартной модели. До недавнего времени найти ее было невозможно. При этом существование такой частицы физики предсказывали еще в шестидесятые годы прошлого века. У них не было оборудования, которое позволяло бы доказать существование таких частиц, и им нужен был инструмент, который создали только существенно позже. Произошло это в 2008 году, когда в ЦЕРНе (Европейский совет ядерных исследований) появился Большой адронный коллайдер.
Стандартная модель является теоретической конструкцией, применяемой в физике элементарных частиц. Она описывает электромагнитное взаимодействие всех элементарных частиц (слабое и сильное). Стандартная модель не описывает некоторые стороны физики, например, темную материю. Именно поэтому ее нельзя называть теорией всего. Картинка стандартной модели ”полностью сложилась”, когда открыли бозон Хиггса.
Почему бозон Хиггса называют ”частицей Бога”
С 2008 год ученые подкованы поисках ”Частицы Бога” (одно из названий бозона Хиггса). Так ее называют по предложению Леона Ледермана, который был нобелевским лауреатом и выпустил книгу с заголовком, начинающимся с этих слов. Хотя самому ученому больше по душе было название ”Проклятая частица”, но оно как-то не прижилось.
Благодаря этому американскому ученому бозон Хиггса стали называть именно так.
Как говорится, ”хоть чертом лысым назови”, но частицу в итоге нашли и произошло это в 2012 году. Помог в обнаружении как раз тот самый Большой адронный коллайдер. При этом после обнаружения ученые сообщили об этом, но не торопились делать поспешных выводов и выступали очень осторожно. В первые дни после эксперимента ученые говорили, что они только нашли элементарную частицу, похожую на бозон Хиггса.
Что даст обнаружение частицы Бога
Немного абсурдный пример. Какое-нибудь насекомое живет под землей и никогда не вылезает на поверхность, но догадывается, что небо синее (вот такое умное насекомое). Потом оно видит синий цвет и понимает, какое на самом деле небо, и что оно было право. Вот только изменит ли это что-то с точки зрения самого неба? Конечно, нет. Оно как было синим, так и осталось, а насекомое, как жило под землей, так и продолжило там жить.
Почему наша Вселенная такая странная и существуют ли законы физики?
Примерно так же дела обстоят и с бозоном Хиггса. Он не позволит начать нам путешествовать во времени, не поспособствует созданию вечного двигателя и не станет основной лекарства от всех болезней. По сути его обнаружение просто подтвердило предполагаемые принципы взаимодействия частиц и свело воедино все утверждения Стандартной теории. Возможно, из-за его появления вопросов в других областях физики, наоборот, станет только больше.
Визуализаций поиска бозона Хиггса очень много.
Где можно применить бозон Хиггса
На практике применение бозона Хиггса пока невозможно, да и не понятно, где его применять. Зато он важен для фундаментальной физики. Ну, хотя бы он не привел к концу света, о котором говорили многие скептики. Были даже теории о том, что столкновение частиц в Большом адронном коллайдера может породить черную дыру, которая поглотит всю нашу Солнечную систему. А Дэн Браун в своей известной книге ”Ангелы и демоны” сделал основной сюжета охоту за антивеществом, которое злоумышленники похитили в ЦЕРН.
В итоге у нас (у человечества) есть бозон Хиггса и Большой адронный коллайдер в центре Европы, стоимость строительства которого превысила 10 миллиардов долларов. Практической пользы для простых людей чуть меньше, чем нет совсем, но звучит вся эта история интересно. Ну, хоть физики довольны — может найдут применение своей находке.
Бозон Хиггса (перевод)
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
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).
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?
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.
«Бозон Хиггса открыт. Что дальше?»
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.
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 1/2 или 3/2 (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.
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.
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 лептонов (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).
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 10 19 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 10 19 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 1/2, 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 1/2, 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.
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.
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.