Что бозон хиггса простым языком. Что такое бозон Хиггса, и почему его так искали? Как бозон Хиггса получает собственную массу

Недавно «отгремели фанфары» по случаю большого научного события – открытия бозона Хиггса. Вручили награды, порадовались вместе с учеными, но… Так до сих пор и осталось неясно одно: а зачем нам нужен этот самый бозон? Зачем физики так долго и упорно его разыскивали? С этими вопросами мы обратились к ведущему научному сотруднику Лаборатории электронов высоких энергий ФИАН Сергею Павловичу Баранову.

Со дня, когда об открытии новой частицы было объявлено на семинаре в ЦЕРНе (4 июля 2012 года) прошло уже немало времени. Свидетельства в пользу открытия знаменитого бозона с тех пор окрепли и приобрели большую полноту.

Независимых экспериментальных установок, разумеется, по-прежнему две (ATLAS и CMS), – ввиду уникальности их обеих, равно как и всего ускорителя LHC, – но внутри каждой из коллабораций все это время продолжались накопление новых и обработка ранее накопленных данных. К настоящему моменту итоги этой работы вылились в следующее.

Новая частица H наблюдается в шести каналах распада: на два Z-бозона, из которых один виртуальный (H → ZZ*); на два W-бозона, из которых один виртуальный (H → WW*); на два фотона (H → γγ); на прелестные (они же красивые) кварки (H → ); на тау-лептоны (H → τ+τ –); на Z-бозон и фотон (H → Zγ).

Соотношение между вероятностями различных распадов хорошо соответствует теоретическим ожиданиям. Бозон на уровне достоверности 97,8 % имеет правильные квантовые числа: нулевой спин и положительную четность. Наличие распада на два фотона исключает возможность спина, равного единице, а по угловым распределениям продуктов распада в остальных модах исключается и спин, равный двум.

Придраться, по большому счету, не к чему, и остается только понять, что этот бозон значит в нашей жизни. Понять – это к нам с вами относится, физики уже поняли.

Зона столкновения пучков на Большом адронном коллайдере и расположенный в ней детектор ATLAS ()

– Сергей Павлович, складывается впечатление, что бозон Хиггса – весьма «важная особа», за которой так долго и весьма настойчиво гонялись физики. Но для чего он так понадобился?

– Действительно, к открытию бозона Хиггса подбирались долго. Истощивший свое терпение Леон Ледерман даже назвал бозон в одной из своих статей «Goddamned particle », т.е. «проклятая частица», – имея в виду неуловимость бозона. Журнальный редактор отбросил «damned», оставив «God» – получилось «частица Бога». Броский эпитет был подхвачен журналистами и прижился. Мне же больше всего в этой истории кажется удивительным то, что бозон Хиггса нужен не природе, а математикам. Но обо всем по порядку.

Предрассудки

Бытует мнение, что открытие бозона Хиггса что-то прояснило в ранней истории Вселенной и даже пролило свет на ее происхождение. Это не совсем так. По современным представлениям бозон (или поле) Хиггса действительно отвечает за быстрое расширение Вселенной в эпоху до Большого взрыва (так называемую «инфляцию», или «раздувание»), но ниоткуда не следует, что бозон, открытый недавно в ЦЕРНе, и есть тот самый бозон. Это вполне может быть другой бозон. Название бозонов Хиггса – это собирательное название для целого класса частиц (полей), обладающих определенными свойствами, при этом роль разных бозонов в природе может быть совершенно различна. Во всяком случае требования, которые мы предъявляем к тому «космологическому» бозону и к нынешнему «ЦЕРНовскому», имеют друг с другом довольно мало общего.

Схема столкновений пучков в туннеле Большого адронного коллайдера,
в результате которых был обнаружен бозон Хиггса

Есть еще одно расхожее мнение, будто бы бозон Хиггса объяснил, откуда у частиц берутся массы, и что в этом и заключается главная его ценность для теории. Тоже нужно уточнить. Объяснить-то объяснил, но количество необъяснимых величин в теории от этого меньше не стало. Произошло что-то вроде переклеивания ярлыков. Раньше, в до-Хиггсову эпоху, мы знали, что у элементарных частиц есть масса (у каждого сорта частиц своя), но не знали, почему величина этой массы именно такова, какова есть. В нынешней «хиггсовской» терминологии мы говорим, что наблюдаемые массы частиц есть результат их взаимодействия с Хиггсовым полем; сила этого взаимодействия определяется величиной соответствующей константы связи (константа строго пропорциональна массе), но почему эти константы именно таковы, мы по-прежнему не знаем. Сколько масс – столько констант.

Более того, у таких употребительных частиц как протон и нейтрон, из которых построены атомы, – а значит и все, что мы называем веществом, – масса на 99 % обусловлена так называемым кварк-глюонным конденсатом, а вовсе не бозоном Хиггса. На этот счет мнение науки не изменилось: так было до открытия бозона, так осталось и теперь. Строго говоря, механизм Хиггса отвечает только за массы частиц, являющихся квантами слабого взаимодействия (W + , W – и Z 0 бозонов), за массы лептонов (в том числе электрона) и за так называемую токовую составляющую массы кварков. Доля этой токовой массы в общей массе (называемой «конституентной») у разных кварков различна. Из кварков складываются уже другие частицы, адроны; их превеликое множество (в их числе протон и нейтрон), но заниматься устройством составных частиц – это отдельная история, в одной статье мы все не успеем.

Вернемся к «истинно элементарным» частицам – W ± и Z бозонам, лептонам, кваркам. Вся их совокупность после изобретения механизма Хиггса стала вести себя по-другому, иначе, чем мы думали раньше, и это позволило нам построить математически непротиворечивую теорию слабых взаимодействий. Вот здесь-то и есть заслуга Хиггса.

Проблемы до-Хиггсовой эпохи

Но чтобы понять, какие перед теорией стояли проблемы и как бозон Хиггса помог их преодолеть, поговорим сначала о той теории, где эти проблемы решались без помощи бозона Хиггса – о более или менее нам знакомой теории электричества (электродинамике). Те, кто учился в школе, могут помнить закон Кулона: напряженность электрического поля, создаваемого точечным зарядом, ведет себя как обратный квадрат расстояния до заряда (E ~ r –2). Электрическое поле – материальный объект, и с ним связана объемная плотность энергии, которая пропорциональна квадрату напряженности поля. Если же мы хотим сосчитать полную энергию поля, то эту плотность энергии надо проинтегрировать по всему пространству – по всем расстояниям от нуля до бесконечности, – и тогда мы увидим, что интеграл расходится (причем на малых расстояниях, что есть синоним больших энергий). Это значит, что полная энергия поля, создаваемого точечным зарядом, обращается в бесконечность, а, по соотношению Эйнштейна, где энергия – там и масса, и значит масса любой точечной заряженной частицы (например электрона) должна быть бесконечной – в противоречии с фактами! Строго говоря, мы не можем поручиться, что электрон истинно точечный, но, во всяком случае, его радиус (если он и есть) согласно известным измерениям на много порядков меньше той величины, которую он должен был бы иметь, если бы вся масса электрона была обусловлена энергией создаваемого им поля.

Проблема эта решается с помощью математического приема, называемого перенормировкой. Суть приема в том, что мы приписываем электрону бесконечно большую отрицательную «затравочную» массу и постулируем, что бесконечный отрицательный затравочный вклад, будучи сложен с бесконечным положительным вкладом от Кулоновского поля, дает в точности наблюдаемую массу частицы. Красиво это или нет, но таким способом мы устанавливаем правила игры для сокращения бесконечностей и с этих пор можем однозначно проводить вычисления, не наталкиваясь на противоречия. И потом сравнивать результаты вычислений с результатами измерений. И до сих пор согласие во всех случаях было просто изумительным. А то, что «затравочная» масса отрицательна – не беда. Ведь ни «затравочная», ни «полевая» масса по отдельности не измеряются, так как мы в принципе никогда не можем отделить заряженную частицу от создаваемого ею поля. А значит, ни одна из этих «масс» сама по себе физической величиной не является, а физический смысл имеет только их сумма.

Помимо массы в электродинамике существует еще два типа расходимостей, так что перенормировке приходится подвергнуть еще константу взаимодействия с фотоном (заряд электрона) и волновую функцию фотона. Но зато, совершив три раза «сделку с совестью», мы получаем законченный набор правил игры на все случаи жизни. В электродинамике существует замечательная теорема: как бы ни были сложны вычисления, никаких новых типов расходимостей никогда не возникнет, все обязательно сводится к этим трем, с которыми мы уже договорились как обращаться. Теории, в которых все расходимости устраняются конечным числом соглашений, называются перенормируемыми.

Теория слабых взаимодействий построена в общем и целом по образцу электродинамики, но с некоторыми важными отличиями. Природе зачем-то понадобилось, чтобы частицы, аналогичные фотону и отвечающие за перенос слабых взаимодействий (т.е. W + , W – и Z бозоны), были, в отличие от фотона, массивны. Это экспериментальный факт, – поскольку все упомянутые бозоны открыты, и их массы измерены, – и он имеет самые плачевные следствия для перенормируемости. А именно, по мере усложнения расчетов может возникнуть бесконечно большое количество новых типов расходимостей, требующих соответственно введения бесконечного количества новых правил обращения с ними. Понятно, что теорией это уже назвать нельзя, и от ее предсказательной силы не остается ничего. Бозон Хиггса помог вернуть ту перенормируемую благодать, которой мы наслаждались в электродинамике. Посмотрим же, как ему это удалось – а для этого надо сделать еще два отступления.

Что такое вакуум

Рассказывая о свойствах бозона Хиггса, приходится отказываться от многих привычных представлений. В частности, от взглядов на вакуум как на пустое пространство (О «пустотности» вакуума напоминает и само его название, имеющее в русском языке общий корень с «эвакуацией» и «вакансией»). В современном определении вакуумом называется не пустота, а состояние с наименьшей возможной энергией. При этом вакуум может быть наполнен физическими полями самой разнообразной природы. Представления о вакууме как о материальной среде стали складываться в первой половине двадцатого века. А в наши дни вакуум чем только не заполнен – тут и Дираково электронное море (дырки в котором называются позитронами), и неизбежные квантовые флуктуации всех существующих в природе полей, и уже вскользь упомянутый глюонный конденсат... и, наконец, бозон Хиггса. Вы спросите, как же мы могли раньше жить и не догадываться о материальном наполнении вакуума? А приблизительно так же, как мы могли жить и не догадываться об атмосферном давлении. Попробуйте поставьте на себя столько ведер воды, чтобы в высоту они достигали десяти метров – это как раз давление в одну атмосферу. Но мы его не ощущаем, потому что давление действует на нас со всех сторон, и силы взаимно уничтожаются. Мы замечаем не само давление, а только его перепад, например, когда дует ветер. Точно так же мы не замечаем и «атмосферу» Хиггсова конденсата, пока она спокойна. Но когда в ней разгуливаются волны, мы регистрируем возбуждение и называем его частицами – бозонами Хиггса, как называем фотонами электромагнитные волны.

Когда мы предполагаем (или постулируем) существование Хиггсовского поля, мы также приписываем ему определенные свойства. А именно, что это поле само с собой взаимодействует, причем таким образом, что зависимость плотности энергии от величины поля выглядит как на рисунке 1. Такой вид потенциальной энергии ниоткуда не вытекает, это именно постулат, или исходное положение теории: давайте предположим, что свойства поля таковы, и посмотрим, какие отсюда получаются замечательные следствия.

Рисунок 1. Зависимость плотности энергии U от величины поля H (Хиггсовского поля)

Рисунок с одномерной осью для величины поля, конечно, сильно упрощен: поле Хиггса может принимать не только действительные, но и комплексные значения. Кроме того, оно обладает слабым изотопическим спином, то есть может принимать разные направления в слабом изотопическом пространстве. Но для наших качественных рассуждений эти усложнения сейчас не так уж важны. Важно то, что состояние с нулевой плотностью поля Хиггса не является энергетическим минимумом и потому неустойчиво. Любой из минимумов, расположенных справа или слева, может с одинаковым успехом быть вакуумом, и природа обязательно скатится в один из них; в какой именно – дело случая (спонтанный выбор природы), но какой бы минимум природа ни выбрала, величина Хиггсова поля в этом состоянии будет ненулевой. Весь график как целое вполне симметричен, как симметричны и описывающие его уравнения; но любое решение этих уравнений, соответствующее физическому требованию минимальности энергии, поневоле несимметрично. Произошло так называемое спонтанное нарушение симметрии. Это ключевой момент в механизме Хиггса.

Тут, кстати, полная аналогия со спонтанным намагничением ферромагнетиков: у них наинизшее энергетическое состояние тоже соответствует ненулевому макроскопическому магнитному полю. Направление поля может быть любым, но абсолютная величина его равна не нулю, а вполне определенному значению. И тоже: все направления в пространстве были в исходных уравнениях магнетизма равноправны, но их равноправие в физически реализовавшейся системе утратилось – из равных возможностей система сама выбрала одну. При этом основополагающие-то уравнения не перестали быть симметричными – и этот факт нам скоро пригодится. Постараемся его не забыть.

Что такое масса

Взаимодействие частиц с заполняющим все пространство полем Хиггса приводит к появлению у частиц массы. Частицы, условно говоря, в этом конденсате «вязнут» и приобретают инерционность. В популярных изложениях обычно упоминают продавца мороженого, облепленного детьми, или королеву, окруженную подданными, – смысл тот, что подвижность увешанных толпой мороженщика или королевы сильно уменьшается, и они как бы «становятся массивными». Более строгие научные аналогии можно найти в физике твердого тела. Так, электрон проводимости движется в кристалле как частица с некоторой «эффективной» массой, сильно отличающейся от его истинной массы. Эта эффективная масса есть в дейс твительности результат взаимодействия электрона с окружающей средой. Для вычисления проводимости гораздо удобнее пользоваться «эффективной массой», чем возиться с полным описанием среды. Так же удобно и вполне допустимо считать частицей и дырку в полупроводнике p-типа. Мы понимаем, что дырка не истинная частица, и что электрон имеет совсем иную истинную массу, но только потому, что можем вынуть электрон из кристалла и исследовать изолированно. Однако мы никогда не можем вынуть элементарную частицу из вакуума, то есть из пространства, – и поэтому та масса, которую частица пробрела от взаимодействия с Хиггсовым вакуумом, и есть ее истинная масса.

Как оно работает

Итак, мы постулировали выражение для потенциальной энергии поля Хиггса таким образом, чтобы в низшем энергетическом состоянии (в вакууме) плотность поля была ненулевой, смотрим снова на рисунок 1. Природа могла выбрать правый минимум, а могла левый, но в любом случае картинка получается скособоченная – малые возбуждения над вакуумом поневоле асимметричны, они всегда привязаны к минимуму потенциальной энергии.
Далее, мы постулировали взаимодействие элементарных частиц с полем Хиггса, благодаря которому частицы приобрели массу, пропорциональную вакуумному среднему поля Хиггса. Отличие от ситуации, когда масса изначально задается «руками» (т.н. жесткое введение массы) в том, что масса, введенная через Хиггсово поле (т.н. мягкое введение), не есть постоянная величина. Она меняется, если меняется Хиггсово поле.

А теперь переведем взгляд на верхнюю часть рисунка, на область больших энергий. С этой высоты уже не важны мелкие детали рельефа вблизи донышка потенциальной ямы, и все поведение нашей системы становится симметричным, как то и было свойственно нашим основным уравнениям. Хиггсово поле свободно перекатывается из одной ямки в другую, и его среднее значение стремится к нулю. То есть восстанавливается то поведение, которое было бы у безмассовых частиц (как если бы минимум у потенциальной ямы был один). Восстанавливается наша спонтанно нарушенная симметрия – а в этом случае снова начинает работать теорема о перенормировках. При симметричном устройстве системы наиболее вредные расходимости сокращаются, а остаются только те, с которыми мы умеем справляться процедурой перенормировки.

В тех науках, где переносчики взаимодействий были уже изначально безмассовыми, как фотоны в электродинамике и глюоны в хромодинамике, – там все сразу было перенормируемо и удобно для вычислений. А вот переносчики слабых взаимодействий – W и Z бозоны – оказались почему-то массивными. И нам пришлось с этим бороться. И тогда мы придумали бозон Хиггса и механизм спонтанного нарушения симметрии, которые нам обеспечили переход от массивных W и Z бозонов при низких энергиях (по существу вблизи вакуума, в области, доступной для нашего наблюдения) к безмассовым бозонам при высоких энергиях (там, где расходятся злосчастные интегралы). Итоги можно выразить в виде почти афоризма – Хиггсов механизм не столько объяснил происхождение массы, сколько помог от этой массы избавиться.

Мир горний и мир дольний (до и после спонтанного нарушения симметрии)

Итак, смысл существования бозона Хиггса для нас в том, что он нам позволил соединить казалось бы несоединимые вещи: область высоких-превысоких энергий, где у W и Z бозонов масс быть не должно (чтобы не возникали неустранимые расходимости) с областью низких энергий, где у W и Z бозонов масса есть как экспериментальный факт. Природа пошла математикам навстречу и там, в «горних высях», бозонам массу не дала. Частицы обзаводятся массой только для жизни на дне; масса возникает как результат взаимодействия с различными вакуумными конденсатами.

Природа так поступила не единожды. Помните, мы говорили, что масса протона обусловлена глюонным конденсатом? Так вот, при увеличении энергии глюонный конденсат исчезает, а вместе с ним исчезает и масса у образующих протон кварков. Протон при этом перестает существовать как нечто целое и распадается на несвязанные кварки. То, что получается, называется кварк-глюонной плазмой. Но о ней мы поговорим когда-нибудь в следующий раз; за ее свойства отвечают сильные взаимодействия, а мы пока заняты слабыми. Но некоторый урок из аналогии извлечь можно. Если бы нам не удалось открыть бозон Хиггса как самостоятельную фундаментальную частицу, еще оставалась бы надежда спасти теорию слабых взаимодействий, организовав Хиггсов бозон как составной объект.

Хотя если посмотреть пошире, за рамки физики элементарных частиц, то окажется, что мы этот урок уже проходили. Совершеннейший эквивалент Хиггсова механизма с составным конденсатом мы видели в физике твердого тела, в теории сверхпроводимости. Там это был конденсат Куперовских электронных пар. Ничто не ново под Луной.

О красоте

Механизм Хиггса не только разрешил наши технические проблемы, но и позволил обустроить жизнь красиво. Потому что это красиво, когда все столь казалось бы разные взаимодействия удается описать с единых позиций и вывести для них основные уравнения из единого общего принципа. Этот принцип носит название локальной калибровочной инвариантности. Все взаимодействия устроены по одному образцу и отличаются только устройством соответствующего заряда. Электрический заряд – просто число. Положительное или отрицательное, но просто число, а заряд сложной системы получается простым арифметическим сложением зарядов ее частей.

Слабый заряд в математическом отношении похож на спин, только поворачивается в разные стороны не в нашем обычном пространстве, а в своем калибровочном (слабом изотопическом). Состояние системы задается уже не одним числом, а двумя: полным слабым спином и его проекцией на некоторую ось в калибровочном пространстве. Правило сложения «брутто» для полного спина не годится, но есть свои строгие правила, такие же, как для обычного спина.

Сильный заряд называется цветом. Он до некоторой степени тоже похож на спин, только еще посложнее. Калибровочное пространство у него не трехмерное, а восьмимерное, а состояние системы описывается тремя числами: «полным цветом» и его проекциями на две некоторые оси в калибровочном пространстве. Профессионалы вместо слов «полный цвет» говорят «размерность неприводимого представления».

А теперь переходим к этому яркому воплощению демократических свобод и всеобщей толерантности – принципу локальной калибровочной инвариантности. Суть его в том, что наблюдатели, расположенные в разных точках пространства, имеют право установить ориентацию осей в калибровочном пространстве каждый по-своему, как кому понравится, и никто не вправе их этой свободы лишить (с единственным ограничением, что изменение калибровочной системы координат происходит от точки к точке непрерывно). Но при этом мы постулируем, что уравнения движения частиц должны при любом выборе выглядеть одинаково.

Как удовлетворить этому требованию? Уравнения движения свободных частиц (например, кварков или электронов или других лептонов) содержат производную, и теперь в ней запутывается как «истинное» изменение волновой функции частицы, так и «кажущееся», связанное с изменением системы координат. Избавиться от лишнего слагаемого в производной можно с помощью дополнительных «компенсирующих» полей. То есть в дополнение к исходным полям для лептона или кварка мы вводим в систему уравнений другие поля, тоже меняющиеся при повороте осей в калибровочном пространстве, но так, чтобы это изменение в точности компенсировало «лишние» члены. Понятно, что уравнения для этих компенсирующих полей устанавливаются совершенно однозначно, потому что точно известно, что именно нужно компенсировать. Так вот оказывается, что для электрического заряда таким компенсирующим полем является электромагнитное – вместе с вытекающими прямо из калибровочного принципа уравнениями Максвелла. Для слабого заряда это поля W ± и Z бозонов, а для сильного заряда – поля глюонов. Аналоги уравнений Максвелла в двух последних случаях называются уравнениями Янга-Миллса. (Этот вот трехглавый сильно-слабо-электромагнитный дракон собственно и называется Стандартной моделью. Конечно в совокупности с перечнем всех фундаментальных частиц и их классификацией по типу зарядов.)

И все бы замечательно, если бы не досадная мелочь. Фермионы (электрон или другие лептоны, а также кварки) участвуют в слабых взаимодействиях по-разному в зависимости от своей спиральности. Экспериментальный факт. Слабые взаимодействия – единственные из нам известных, которые различают лево- и право-спиральные состояния. Это плохо не само по себе, а тем, что понятие спиральности для массивных частиц на поверку оказывается двусмысленным. Напомним, что спиральность – это проекция спина частицы на ее импульс. А если у частицы ненулевая масса, то она всегда движется медленнее, чем со скоростью света, и поэтому частицу всегда можно «обогнать», то есть перейти в систему отсчета, движущуюся в том же направлении, только с большей скоростью. А в такой системе отсчета импульс частицы будет иметь уже противоположное направление, а вместе с ним изменит знак и спиральность. Но если сила взаимодействия, характеризуемая условным «зарядом», зависит от системы отсчета, – то это значит, что такой инвариантный заряд просто нельзя определить. Вернее, нельзя так определить, чтоб он сохранялся. А тогда рушится вся эта красивая схема с выводом всех уравнений из единого принципа. Потому что соблюдение калибровочной инвариантности и существование соответствующего сохраняющегося заряда – это с математической точки зрения одно и то же. Теорема Нетер. Можно бы конечно уравнения и не выводить, а просто их постулировать как есть, на предсказательной силе это не отражается. Но обидно. Страдает чувство, что мы было ухватили в природе какую-то важную закономерность.

Гипотеза спонтанного нарушения симметрии рисует нам иную картину. В этой картине есть место миру исходно ненарушенной симметрии, где уравнения все калибровочно-инвариантны, масс у частиц нет, понятие спиральности определено однозначно и заряды сохраняются. Ничто не мешает вывести уравнения Янга-Миллса из калибровочного принципа. И потом спуститься в мир дольний. Частицы тогда приобретут массу, а вместе с тем перестанет сохраняться и слабый заряд. Но теперь нам это не страшно, потому что механизм Хиггса ясно указывает, откуда недостающий заряд берется и куда девается лишний. Ответ: сливается в вакуум. В вакуум, где его неиссякаемые запасы аккумулированы в Хиггсовом конденсате. То есть слабый заряд все-таки есть, но какое ж может быть сохранение, если система не замкнута? Мы постоянно обмениваемся слабым зарядом с вакуумом. Так опять соединяются несоединимые вещи – заряд как синоним закона сохранения есть, а самого-то сохранения и нет. Математика!

Для полноты удовольствия осталось навести ясность со степенями свободы.

Мы знаем, что у систем с равным единице спином имеется три квантовых состояния. Кому-то припомнятся триплетные уровни в атомной физике, а в нашем случае речь пойдет о поляризации векторных частиц, каковыми являются все калибровочные бозоны. Если частица массивная, то состояний поляризации у нее три (два поперечных и одно продольное), а если безмассовая, подобно фотону, то только два, поперечных. Давайте теперь вспомним про поперечную поляризацию фотонов, нам еще в школе про нее говорили. Теперь самое время начинать волноваться, потому что в мире ненарушенной симметрии у безмассовых прародителей W ± и Z 0 бозонов было по два состояния поляризации, а у массивных стало по три.

Откуда взялись эти лишние степени свободы? А вот откуда: в мире ненарушенной симметрии у Хиггсова поля была не одна степень свободы, а четыре. Я говорил уже, что поле Хиггса принимает комплексные значения (а каждое комплексное число эквивалентно двум действительным) и что оно обладает слабым спином (который в своем слабом изотопическом пространстве может быть направлен «вверх» или «вниз»). И не случайно я назвал сейчас безмассовые поля в мире ненарушенной симметрии прародителями калибровочных бозонов, а не самими бозонами, потому что они превратились в известные нам фотон, W + , W – и Z 0 бозоны не прямо, а образовав друг с другом некоторую квантовую суперпозицию. В этой квантовой суперпозиции поучаствовали и поля Хиггса. И в результате три из четырех Хиггсовых полей сменили прописку и устроились «на работу» третьими (продольными) компонентами в поляризации массивных бозонов. Только одно поле осталось под своим прежним именем, и его-то мы и открыли в ЦЕРНе. Перераспределение степеней свободы составляет один из существенных узлов общей теории электрослабых взаимодействий.

Идейный прорыв? – да; он состоит в догадке, что исходные законы по замыслу Божьему совершенны и симметричны (и тем обеспечивают нам и перенормируемость и сохранение зарядов), а видимая нами в мире дольнем «кособокость» законов только кажущаяся, она есть результат кособокого устройства вакуума, ставшего таковым из-за вмешательства бозона Хиггса. Вот мы и нашли виноватого. И отчего бы бозону Хиггса не называться поэтому частицей дьявола? Но в божественном совершенном мире есть ли место для человека?

Чтобы найти ответ на это, следует поговорить о двух других, детских, вопросах.

Что было бы, если бы...

А что бы было, если бы вовсе не было в природе слабых взаимодействий? Мы это как-нибудь невооруженным глазом заметили бы?

Да, заметили бы! Тогда бы Солнце не светило. Потому что два протона, столкнувшись, не могли бы превратиться в ядро дейтерия – а это первый шаг в цепочке реакций, превращающих водород в гелий и служащих главным источником солнечной энергии.

А что бы было, если бы слабые калибровочные бозоны были безмассовыми?

Тогда, вероятнее всего, Солнце имело бы другие размеры; вероятно, оно было бы больше, чем нынешняя орбита Земли и даже чем орбита любой из планет. Размер всякой звезды определяется равновесием между силами тяготения, зависящими от массы звезды, и тепловым давлением, зависящим от интенсивности энерговыделения в ядерных реакциях. С безмассовыми W бозонами превращение водорода в гелий происходило бы намного легче и быстрее (во многие триллионы раз), и тепловое давление не позволило бы Солнцу сжаться до его нынешних размеров.

В обоих случаях жизнь в известной нам форме была бы невозможна.

– Сергей Павлович, позвольте задать Вам еще один детский вопрос: а насколько открытие бозона Хиггса «тянет» на великое? Или, более серьезно, это открытие привнесет что-либо новое в уже существующую картину мира?

Существует мнение, и я его разделяю, что Нобелевскую премию давать было и необязательно. Ну в самом деле – кому? Механизм Хиггса известен в физике твердого тела уже достаточно давно, с 1965 года, так что в нем самом как таковом большой новизны пожалуй нет. Принципиальная новизна была тогда, когда удалось приспособить его к нуждам физики элементарных частиц и построить с его помощью общую теорию электрослабых взаимодействий. Но теоретики Шелдон Глэшоу, Стивен Вайнберг и Абдус Салам свою Нобелевскую премию за эту теорию уже получили в 1979 году, как и с большой отсрочкой Ётиро Намбу в 2008 году за механизм спонтанного нарушения симметрии в физике элементарных частиц.

Экспериментальная проверка теории требовала открытия предсказанных ею W и Z бозонов – квантов-переносчиков слабых взаимодействий, и экспериментаторы Карло Руббиа и Ван дер Мер свою Нобелевскую премию за их открытие уже тоже получили в 1984 году. Учитывая, что коллаборации насчитывали по несколько сотен соавторов, заслуга была сформулирована как «решающий вклад в большой проект».

Над открытием бозона Хиггса трудились две коллаборации уже по три с лишним тысячи человек в каждой, CMS и ATLAS. Кому давать премию? Опять руководителям? Но в коллаборациях действует принцип ротации – руководители каждые два года меняются, – а сами коллаборации существуют уже лет по 20, и можно сказать, только случай застал нынешних руководителей на посту, когда случилось открытие. Вернее – когда набралась статистика, достаточная для осторожных выводов.

Но с другой стороны, и не давать премию тоже было нельзя. LHC, по большому счету, строился именно ради бозона Хиггса. Бозоном Хиггса оправдывались перед финансовыми организациями.

Пожалуй, можно не сомневаться, что новая частица открыта и что открыта именно та частица, которая была нужна Стандартной модели. Но остается вопрос, а закончились ли открытия? Это была последняя из еще неоткрытых частиц или только самая легкая из нового семейства? Часть проблем старой теории триумфально разрешилась, но многое осталось необъясненным, в том числе осталась проблема иерархии масс частиц и проблема радиационных поправок к массе самого бозона Хиггса. Для их объяснения естественнее предположить существование каких-то новых объектов на масштабе порядка ТэВ; в противном случае придется предполагать случайную точную подстройку параметров.

Я скорее соглашусь с Рубаковым В.А., считающим, что мы вступаем в новую эру и что наш бозон – только кончик ниточки. Да ведь и в мире обычных частиц открытия посыпались градом: впервые, и притом сразу во множестве, обнаружились новые типы мезонов, выходящие за рамки классической схемы кварк-антикварк. Нет-нет, я – за кончик ниточки!

– На Ваш взгляд, упреки в адрес современных науки и ученых – наука-де деградирует, нет по-настоящему великих ученых – справедливы? Или же все совсем по другому?

Кадр из к/ф Весна (Мосфильм, 1947 г.).
Герой Р. Плятта объясняет специфику работы ученых:
«Как они работают? Вот так сел, задумался… Открыл!
Самое главное – задуматься… Вот так. И полный порядок!»

Ученый – парадоксальная профессия, его удел – делать то, чего никто не умеет, в том числе и он сам, потому что когда решение найдено, задача переходит из разряда научных в разряд инженерных, и ею тогда занимаются другие люди, а ученый снова остается один на один с неизвестностью.

С наукой все обстоит несколько иначе, чем представляется обычному наблюдателю. Особенно это касается фундаментальной науки, от которой есть как прямой эффект, так и косвенный. Большинство современных технических новинок и «удобств цивилизации», по сути дела – побочный продукт фундаментальной науки. Например, тот же Интернет, без которого не мыслится сегодняшний день. Использование открытий «по прямому назначению» тоже случается, но не всегда и не быстро. Наука сродни экспедиции, которую мы снаряжаем, не зная, что нас ждет: горы, равнины, пустыни, болота… И мы, по сути дела, пускаемся в путь вслепую, на помощь нам приходят только накопленные знания и опыт (если они есть в этой области) и интуиция ученого.

Жизнь устроена так, что мы ставим перед собой совершенно «игрушечные», казалось бы, никому не нужные задачи. Ищем этот не понятный бозон Хиггса, проверяем на «прочность» Стандартную модель, пытаемся смоделировать рождение Вселенной. Но под предлогом этих искусственных для далекого от науки человека задач мы развиваем самые передовые технологии, которые потом входят в нашу жизнь и меняют ее в корне.

После ньютоновской теории в течение 200 лет почти ничего не менялось. И это было время накопления знаний, проверки, что и насколько укладывается в рамки этой физики. А потом появились проблемы, которые не смогли в нее вписаться: определение скорости света, объяснение спектра излучения твердого тела (в результате «выскочила» константа Планка) и многое другое. Мы стали интересоваться хаосом, вдруг осознав, что ньютоновская механика скорее исключение, чем правило жизни. Стали развиваться квантовая механика, общая и специальная теории относительности. Кстати говоря, один весьма игрушечный вопрос – «Почему ночью темно?» (т.н. фотометрический парадокс Ольберса – Прим. редакции ) – привел к развитию целого астрофизического направления. И окончательно разрешен этот вопрос был лишь в XX веке: порядка ста лет искали ответ!

Думаю, и сейчас мы находимся на стадии осмысления, накопления опыта по уже полученным знаниям и открытиям. В, частности, возвращаясь к бозону Хиггса, здесь одна из задач – подтверждение Стандартной модели, поиск того, что может быть за ее рамками. И в какой-то момент этого процесса познания появится еще один детский вопрос, который даст импульс новой физике, которая сейчас не видна.

Беседовала Е. Любченко , АНИ «ФИАН-информ»

___________________________________________

Ледерман Леон Макс – американский физик, лауреат Нобелевской премии по физике 1988 года за открытие мюонного нейтрино («For the neutrino beam method and the demonstration of the doublet structure of the leptons through the discovery of the muon neutrino»).

Рубаков Валерий Анатольевич – российский физик-теоретик, один из ведущих мировых ученых в области квантовой теории поля, физики элементарных частиц и космологии, академик РАН, доктор физико-математических наук. В настоящее время занимает должность заместителя директора Института ядерных исследований (ИЯИ) РАН.

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.

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 10 -22 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.

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 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.

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 10 -18 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.

Можно поспорить на крупную сумму, что большинство из вас (в том числе и люди, интересующиеся наукой) не очень хорошо представляют себе, что же такое нашли физики на большом адронном коллайдере, почему они это так долго искали, и что будет дальше.

Поэтому небольшой рассказ о том, что такое бозон Хиггса.

Начать нужно с того, что люди вообще очень плохо умеют представлять в уме, что творится в микромире, на масштабе элементарных частиц.

Скажем, многие со школы представляют себе, что электроны — такие маленькие желтые шарики, вроде мини-планет, вращающихся вокруг ядра атома, а то похоже на ягоду малины, составленную из красных и синих протонов-нейтронов. Те, кто немного знаком с квантовой механикой по популярным книгам, представляют элементарные частицы в виде этаких размытых облачков. Когда нам пишут, что любая элементарная частица одновременно является волной, мы представляем себе волны на море (или в океане): поверхность трехмерной среды, которая периодически колеблется. Если нам сказать, что частица представляет собой событие в некотором поле, мы представим себе поле (что-то такое гудит в пустоте, как трансформаторная будка).

Всё это очень плохо. Слова «частица», «поле» и «волна» крайне плохо отражают реальность, и представлять их себе нельзя никак. Какой бы визуальный образ ни пришел вам в голову, он будет неверным и будет мешать пониманию. Элементарные частицы не являются чем-то, что в принципе можно увидеть или «пощупать», а мы, потомки обезьян, рассчитаны на то, чтобы представлять себе только такие вещи. Неправда, что электрон (или фотон, или бозон Хиггса) «являются одновременно частицей и волной»; это нечто третье, для чего слов в нашем языке никогда не было (за ненадобностью). Мы (в смысле, человечество) знаем, как они себя ведут, мы можем производить какие-то расчеты, мы можем устраивать с ними эксперименты, но мы не можем подобрать для них хороший мысленный образ, потому что штуки, хотя бы примерно похожие на элементарные частицы, на наших масштабах не встречаются вообще.

Профессиональные физики и не пытаются визуально (или как угодно ещё в терминах человеческих чувств) представлять себе то, что творится в микромире; это плохой путь, он никуда не ведет. У них постепенно вырабатывается некоторая интуиция насчет того, какие там объекты обитают, и что с ними случится, если сделать то-то и то-то, но непрофессионал вряд ли сможет её продублировать.

Так, надеюсь, вы больше не думаете о маленьких шариках. Теперь о том, что же все-таки искали и нашли на Большом Адронном Коллайдере.

Общепринятая теория того, как устроен мир на самых маленьких масштабах, называется Стандартная Модель. Согласно ей, наш мир устроен так. В нём есть несколько принципиально разных типов вещества, которые различными способами взаимодействуют друг с другом. О таких взаимодействиях иногда удобно говорить как об обмене некими «объектами», для которых можно измерить скорость, массу, можно разогнать их или столкнуть друг с другом и т.п. В каких-то случаях удобно называть их (и думать о них) как о частицах-переносчиках. Таких частиц в модели 12 разновидностей. Напоминаю, что всё, о чем я сейчас пишу, все равно неточно и профанация; но, надеюсь, всё же гораздо меньшая, чем сообщения большинства СМИ. (Например, «Эхо Москвы» 4-го июля отличилось фразой «5 баллов по шкале сигма»; знающие оценят).

Так или иначе, 11 из 12 частиц Стандартной модели уже наблюдались ранее. 12-я — бозон, соответствующий полю Хиггса — то, что придает многим остальным частицам массу. Очень хорошая (но, конечно, тоже неверная) аналогия, которую придумал не я: представьте себе идеально гладкий бильярдный стол, на котором находятся бильярдные шарики-элементарные частицы. Они легко разлетаются в разные стороны и движутся куда угодно без помех. Теперь представьте себе, что стол покрыт некой липкой массой, затрудняющей движение частиц: это поле Хиггса, а то, насколько частица прилипает к такому покрытию — и есть его масса. С некоторыми частицами поле Хиггса не взаимодействует никак, например, с фотонами, и их масса, соответственно, равна нулю; можно представить себе, что фотоны похожи на шайбу в аэрохоккее, и покрытие не замечают вообще.

Вся эта аналогия неверна, например, потому что масса, в отличие от нашего липкого покрытия, мешает частице не двигаться, а ускоряться, но какую-то иллюзию понимания дает.

Бозон Хиггса — это частица, соответствующая этому «липкому полю». Представьте себе очень сильный удар по бильярдному столу, повредивший сукно и смявший небольшое количество липкой массы в складку-пузырик, которая очень быстро растечется обратно. Вот, это он и есть.

Собственно, именно этим Большой адронный коллайдер и занимался все эти годы, и примерно так процесс получения бозона Хиггса и выглядел: лупим изо всех сил по столу до тех пор, пока само сукно не начнет превращаться из очень статичной, твердой и липкой поверхности во что-то более интересное (или пока не случится что-нибудь ещё более чудное, теорией не предсказанное). Именно поэтому БАК настолько большой и мощный: с меньшей энергией «по столу» бить уже пытались, но безуспешно.

Теперь насчет пресловутых 5 сигма. Проблема вышеописанного процесса заключается в том, что мы можем только стукнуть и надеяться, что из этого что-то выйдет; гарантированного рецепта получения именно бозона Хиггса нет. Хуже, когда он все-таки родился на свет, мы должны успеть его зарегистрировать (увидеть его, естественно, нельзя, да и существует он лишь ничтожную долю секунды). Каким бы детектором мы ни пользовались, мы можем лишь сказать, что кажется, возможно, мы наблюдали нечто похожее.

Теперь представьте себе, что у нас есть особая игральная кость; она падает случайно на одну из шести граней, но если рядом с ней как раз в это время находится бозон Хиггса, то шестерка не выпадет никогда. Это типичный детектор. Если мы кинем кость один раз и одновременно стукнем изо всех сил по столу, то вообще никакой результат нам ровно ни о чем не скажет: выпало 4? Вполне вероятное событие. Выпало 6? Возможно, мы просто стукнули по столу слегка не в тот момент, и бозон, хотя и существующий, не успел родиться в нужный момент, или наоборот, успел распасться.

Но мы можем проделывать этот эксперимент несколько раз, и даже много раз! Отлично, давайте кинем кость 60 000 000 раз. Допустим, при этом шестерка выпала «всего лишь» 9 500 000 раз, а не 10 000 000; значит ли это, что бозон время от времени появляется, или это всего лишь допустимая случайность — мы же не верим, что кость должна лечь шестеркой ровно 10 миллионов раз из 60?

Ну ээээ. На глазок такие вещи не оцениваются, нужно считать, насколько велико отклонение, и как оно соотносится с возможными случайностями. Чем больше отклонение, тем меньше вероятность того, что кость просто случайно так ложилась, и тем больше вероятность того, что время от времени (не всегда) возникала новая элементарная частица, мешавшая ей лечь шестеркой. Отклонение от среднего удобно выражать в «сигмах». «Одна сигма» — это такой уровень отклонения, который является «наиболее ожидаемым» (его конкретное значение может вычислить любой третьекурсник физ- или матфакультета). Если экспериментов достаточно много, то отклонение в 5 сигма — это тот уровень, когда мнение «случайность маловероятна» превращается в абсолютно твердую уверенность.

О достижении примерно этого уровня отклонений сразу на двух разных детекторах и объявили физики 4 июля. Оба детектора вели себя очень похоже на то, как они бы вели себя, если бы получаемая в результате сильных ударов по столу частица действительно была бозоном Хиггса; строго говоря, это ещё не значит, что перед нами именно он, нужно измерить всякие прочие его характеристики всякими другими детекторами. Но сомнений осталось уже мало.

Наконец, о том, что нас ждет в будущем. Была ли открыта «новая физика», и был ли совершен прорыв, который пригодится нам для создания гиперпространственных двигателей и абсолютного топлива? Нет; и даже наоборот: стало ясно, что в той части физики, которая изучает элементарные частицы, чудес не происходит, и природа устроена практически так, как физики всю дорогу и предполагали (ну, или почти так). Это даже немного грустно.

Ситуация осложняется тем, что нам совершенно твердо известно, что она в точности так устроена быть не может в принципе. Стандартная модель чисто математически не совместима с общей теорией относительности Эйнштейна, и то, и другое одновременно быть верно просто не может.

И куда теперь копать, пока не очень понятно (не то чтобы мыслей совсем нет, скорее, наоборот: различных теоретических возможностей слишком много, а способов их проверить гораздо меньше). Ну, может быть, кому-то и понятно, но уж точно не мне. Я и так в этом посте давным-давно вышел за пределы своей компетенции. Если я где-то сильно соврал, пожалуйста, поправьте меня.

Долгое время остававшаяся неуловимой, так называемая частица Бога, наконец поймана. Бозон Хиггса был недостающей деталью головоломки под названием Стандартная модель. Ученые полагают, что этот бозон отвечает за массу частиц. В частности, специально для поиска бозона Хиггса был построен Большой адронный коллайдер, который справился со своей основной задачей. Но перед учеными возникли новые загадки: один ли на самом деле бозон Хиггса? Кроме того, находка этого бозона никак не объяснила парадоксальное существование темной материи, которое занимает физиков все больше и больше в последнее время.

Физики наконец-то увидели, как элементарная частица, впервые обнаруженная на Большом адронном коллайдере, распадается на два прелестных кварка, экзотических и недолго живущих частицы, которые часто появляются после столкновения высокоэнергетических частиц. Этот неуловимый процесс мы смогли наблюдать только сейчас, впервые за шесть лет после открытия бозона Хиггса. Ученые двух экспериментов БАК, ATLAS и CMS, сообщили о своих результатах одновременно на семинаре, который проходил в ЦЕРНе 28 августа.

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

Бозон Хиггса был последней частицей открытой в Стандартной Модели. Это критический компонент теории. Его открытие помогло подтвердить механизм того, как фундаментальные частицы приобретают массу. Эти фундаментальные частицы в Стандартной Модели являются кварками, лептонами и частицами-переносчиками силы.

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).

Помните, что согласно E=mc 2 , чем больше масса частицы, тем больше энергии надо для ее создания.

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?

Оказывается, масса протона возникает за счет кинетической энергии составляющих его кварков. Как вы, конечно же, знаете, масса и энергия связаны равенством E=mc 2 .

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.