Об открытии бозона Хиггса объявили на пресс-конференции в ЦЕРНе 4 июля 2012 года. Сам «именинник» — физик Питер Хиггс — тоже участвовал в мероприятии и растроганно заявил, что не ожидал экспериментального подтверждения своей теории при жизни. На следующий же год Хиггс вместе с бельгийцем Франсуа Энглером получил за свое предсказание частицы (в 1964 году) Нобелевскую премию по физике.
Ради хиггса на Земле
Самая дорогая за всю историю, самая мощная и самая высокотехнологичная научная установка — Большой адронный коллайдер, впервые запущенный 10 сентября 2008 года, — оказалась прочно связана с поисками, открытием и дальнейшим изучением вожделенного бозона Хиггса. Разумеется, у БАКа есть и другие достижения, но в глазах публики и даже у специалистов они меркнут в свете основной задачи. В сущности, сама ситуация с величайшей и сверхдорогой установкой, созданной специалистами разных стран для поиска лишь одной частицы, не обещавшей немедленных «гор хлеба и бездны могущества», по-своему уникальна.
Между тем бозон Хиггса своим рождением обязан слишком придирчивым рецензентам. Изначально речь шла о так называемом хиггсовском поле, благодаря которому некоторые частицы (кварки, лептоны) приобретают массу, другие же остаются безмассовыми (фотоны). Хиггс придумал механизм (каким образом все элементарные частицы приобретают массу), носящий теперь его имя, во время горной прогулки в районе Эдинбурга. До него на схожую тему размышляли множество других теоретиков. Когда статья Хиггса поступила в журнал Physical Review Letters, ее отклонили по формальным причинам — из-за отсутствия возможности экспериментальной проверки каких-либо новых предсказанных эффектов. Тогда Хиггс добавил в статью упоминание о существовании одного или нескольких массивных скалярных бозонов, связанных с постулируемым полем (если есть частица, то ее можно обнаружить, то есть экспериментальная проверка становится возможной). Так впервые и возник бозон Хиггса (Higgs boson, или просто хиггс).
Чтобы понять, что именно придумал Хиггс, необходимо представлять себе суть так называемых калибровочных преобразований, впервые упомянутых еще в позапрошлом веке в работах Хендрика Лоренца (применительно к электромагнитным полям). Требование калибровочной инвариантности (своего рода форма записи законов сохранения — иначе говоря, «симметрий») принадлежит к числу основных положений физики элементарных частиц. Именно через калибровочную инвариантность в так называемой Стандартной модели элементарных частиц описываются электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия.
 |
Портрет Питера Хиггса кисти Люсинды
Маккей,
висящий в Фонде имени Максвелла.
|
К досаде теоретиков, после построения теории единого электрослабого взаимодействия выяснилось, что электрослабая симметрия в реальности должна нарушаться, причем спонтанным образом, при достаточно низких энергиях. Параллельно с этим все понимали, что есть еще и проблема с массой частиц (которой просто неоткуда было взяться в первых вариантах Стандартной модели). Механизм, предложенный Хиггсом (и независимо от него рядом других авторов), позволял при объединении двух проблем получить одно общее элегантное решение: спонтанное нарушение электрослабой симметрии осуществлялось через введение нового скалярного поля, придающего массивным частицам их массы.
Электромагнитное и гравитационное поля в пустом пространстве, конечно, отсутствуют, а вот поле Хиггса присутствует везде — оно обладает ненулевым средним значением по всей Вселенной, как бы «пронизывает» всё и вся, присутствует «само по себе», неотделимо от пустого пространства. Эта парадоксальная на первый взгляд ситуация приводит к тому, что в результате взаимодействия с таким вездесущим полем частицы приобретают свою инертную массу (как бы вязнут в сиропе — только в отличие от привычного сиропа поле не тормозит те частицы, что движутся равномерно по инерции, «цепляясь» лишь к тем, кто меняет траекторию). Полю Хиггса должна соответствовать по меньшей мере одна частица-посредник, квант этого поля, собственно это и есть бозон Хиггса (ну или можно считать ее мельчайшей, самой слабой волной поля Хиггса). В расширенных моделях спонтанного нарушения симметрии может возникать и большее число хиггсовских бозонов разной массы, однако до сих пор эксперименты на Большом адронном коллайдере ничего подобного не выявили, и т.н. Новой физики так и не обнаружено.
К сожалению, теоретически предсказать точные массы бозонов Хиггса, как нейтральных, так и заряженных, не получалось. Можно лишь предсказать ряд их свойств, особенности взаимодействия с другими частицами и вероятность рождений и распадов в тех или иных взаимодействиях.
Накануне запуска БАКа было ясно, что если мистическая частица действительно существует, то она должна иметь массу между 114 и 211 ГэВ, так как более низкие энергии уже были «прощупаны». В 2000 году одна из групп ЦЕРНа, работающая на детекторе ALEPH при предшественнике БАКа — Большом электрон-позитронном коллайдере (LEP — Large Electron Positron Collider), заявила о том, что удалось зафиксировать распад хиггса массой 114 ГэВ, притормозив тем самым запуск БАКа. Однако потом исследователи сами усомнились в своих результатах. LEP функционировал в течение 11 лет (с 13 ноября 1989 года по 2 ноября 2000 года), затем в выстроенном для него 27-километровом туннеле начали монтировать собственно БАК, то есть LHC (Large Hadron Collider).
Электромагнитное и гравитационное поля в пустом пространстве, конечно, отсутствуют, а вот поле Хиггса присутствует везде — оно обладает ненулевым средним значением по всей Вселенной, как бы «пронизывает» всё и вся, присутствует «само по себе», неотделимо от пустого пространства. Эта парадоксальная на первый взгляд ситуация приводит к тому, что в результате взаимодействия с таким вездесущим полем частицы приобретают свою инертную массу (как бы вязнут в сиропе — только в отличие от привычного сиропа поле не тормозит те частицы, что движутся равномерно по инерции, «цепляясь» лишь к тем, кто меняет траекторию). Полю Хиггса должна соответствовать по меньшей мере одна частица-посредник, квант этого поля, собственно это и есть бозон Хиггса (ну или можно считать ее мельчайшей, самой слабой волной поля Хиггса). В расширенных моделях спонтанного нарушения симметрии может возникать и большее число хиггсовских бозонов разной массы, однако до сих пор эксперименты на Большом адронном коллайдере ничего подобного не выявили, и т.н. Новой физики так и не обнаружено.
К сожалению, теоретически предсказать точные массы бозонов Хиггса, как нейтральных, так и заряженных, не получалось. Можно лишь предсказать ряд их свойств, особенности взаимодействия с другими частицами и вероятность рождений и распадов в тех или иных взаимодействиях.
На хиггса надейся
Накануне запуска БАКа было ясно, что если мистическая частица действительно существует, то она должна иметь массу между 114 и 211 ГэВ, так как более низкие энергии уже были «прощупаны». В 2000 году одна из групп ЦЕРНа, работающая на детекторе ALEPH при предшественнике БАКа — Большом электрон-позитронном коллайдере (LEP — Large Electron Positron Collider), заявила о том, что удалось зафиксировать распад хиггса массой 114 ГэВ, притормозив тем самым запуск БАКа. Однако потом исследователи сами усомнились в своих результатах. LEP функционировал в течение 11 лет (с 13 ноября 1989 года по 2 ноября 2000 года), затем в выстроенном для него 27-километровом туннеле начали монтировать собственно БАК, то есть LHC (Large Hadron Collider).
 |
Вид на ЦЕРН в 2008 году. Желтым
обозначен туннель БАК.
Фото: CERN / CC BY-SA 4.0
|
До строительства БАКа эстафету пытался перехватить американский протон-антипротонный ускоритель «Тэватрон» (Tevatron), принадлежавший Национальной лаборатории высокоэнергетических исследований имени Энрико Ферми (Fermilab), однако единственное, на что он претендовал после реконструкции к 2009 году, — это проверить все тот же диапазон до 115 ГэВ, уже освоенный женевским LEP. Лишь БАК был задуман достаточно мощным для того, чтобы изучить оставшуюся часть возможных значений масс частицы вплоть до 211 ГэВ и вывести окончательный вердикт о существовании или несуществовании загадочной частицы. Ситуация складывалась достаточно драматично, ведь речь шла фактически о всей конструкции Стандартной модели.
10 сентября 2008 года коллайдер торжественно открыли, однако он успел проработать лишь девять дней, затем встал на серьезный ремонт, который обошелся налогоплательщикам в дополнительные десятки миллионов евро. До столкновений встречных пучков протонов дело тогда не дошло. Пришлось заняться заменой полусотни вышедших из строя сверхпроводящих магнитов, обеспечивающих разгон заряженных частиц. Несмотря на то что никаких открытий женевский коллайдер (по вполне понятным причинам) тогда не принес, журнал Time, составлявший список важнейших научных достижений 2008 года, поставил БАК на одно из первых мест. А журнал Nature присвоил руководителю проекта звание ньюсмейкера года.
Большой интерес общественности к суперколлайдеру привлекли сомнительные теории, согласно которым получаемая в ходе экспериментов сверхплотная материя может коллапсировать в черную дыру и поглотить всю планету.
Максим Борисов
Хиггс с нами
10 сентября 2008 года коллайдер торжественно открыли, однако он успел проработать лишь девять дней, затем встал на серьезный ремонт, который обошелся налогоплательщикам в дополнительные десятки миллионов евро. До столкновений встречных пучков протонов дело тогда не дошло. Пришлось заняться заменой полусотни вышедших из строя сверхпроводящих магнитов, обеспечивающих разгон заряженных частиц. Несмотря на то что никаких открытий женевский коллайдер (по вполне понятным причинам) тогда не принес, журнал Time, составлявший список важнейших научных достижений 2008 года, поставил БАК на одно из первых мест. А журнал Nature присвоил руководителю проекта звание ньюсмейкера года.
Большой интерес общественности к суперколлайдеру привлекли сомнительные теории, согласно которым получаемая в ходе экспериментов сверхплотная материя может коллапсировать в черную дыру и поглотить всю планету.
 |
Сектор 3−4 туннеля БАК.
Фото: CERN / CC-BY-SA-4.0
|
Вообще-то, в природе постоянно происходит столкновение частиц с такими же или еще большими энергиями. Землю то и дело бомбардируют частицы и ядра, энергия которых превосходит возможности какого-либо рукотворного ускорителя. Однако, по мнению сторонников «аномальщины», сверхплотные сгустки вещества, летающие по космосу, без особого вреда «прошивают» нашу планету насквозь и летят себе дальше, а в сталкивающихся пучках в коллайдере рождаются медленно движущиеся сгустки, способные опуститься к центру земного шара и там начать разрушительную деятельность. Обсуждалась также угроза возникновения так называемых страпелек, состоящих из странной материи, странных кварков, гипотетически способных преобразовать в страпельки всю материю Вселенной.
Итак, катастрофы не случилось и в черную дыру нас всех не засосало, а хиггс все же был открыт. Постепенно при накоплении статистики начальные расхождения в его массе между коллаборациями CMS и ATLAS утратили актуальность, согласие установилось на отметке 125 ГэВ. Дальнейшее изучение частицы подтвердило все предсказания — нулевой спин частицы и положительную четность (0+). Частица оказалась истинным скаляром, прочие варианты исключили, ученые уже практически убеждены, что на БАКе открыли действительно бозон Хиггса.
Другие, так называемые неминимальные хиггсовские механизмы продолжают обсуждаться, но необходимо дальнейшее накопление статистики и тщательные измерения. Единственный неизвестный параметр, который оставался в рамках Стандартной модели, — собственно масса хиггса — теперь известен, так что можно провести расчеты и сопоставить их с реальностью в поисках отклонений и Новой физики. В любом случае Стандартная модель не может считаться окончательной теорией, так как неполна (не объясняет темную материю и темную энергию, не включает в себя гравитацию). Должна возникнуть более общая теория, намеки на которую может дать БАК. Поиски таких «намеков» следует вести в редких распадах мезонов (с вероятностью меньше тысячной). К сожалению (а было бы очень заманчиво существенно уточнить Стандартную модель), пока не удается доказать наличие «суперсимметрии» (как, впрочем, и опровергнуть ее окончательно). В рамках этой модели каждой частице в природе сопоставлен супертяжелый партнер, некая «суперчастица» (для фотона — фотино, для кварка — скварк, для хиггса — хиггсино и т.п.).
Еще одна важная задача — уточнения свойств топ-кварков. 14 июля 2015 года коллаборацией LHCb (при еще одном крупном детекторе на БАКе) было объявлено об открытии пентакварков (частиц, составленных сразу из пяти кварков). До 2018 года БАК продолжит набор статистики на 13−14 ТэВ, потом остановится на два года для модернизации. В 2021—2023 годах планируется очередной набор на энергии 14 ТэВ, после этого опять значительная модернизация в течение 2,5 лет коллайдера и детекторов. С учетом всех модернизаций БАК может таким образом проработать до 2034 года, однако в ЦЕРНе уже обсуждают строительство нового, более совершенного коллайдера периметром до 100 км (проект получил название FCC — Future Circular Collider). Его энергию предполагается поднять до невероятных 100 ТэВ
Итак, катастрофы не случилось и в черную дыру нас всех не засосало, а хиггс все же был открыт. Постепенно при накоплении статистики начальные расхождения в его массе между коллаборациями CMS и ATLAS утратили актуальность, согласие установилось на отметке 125 ГэВ. Дальнейшее изучение частицы подтвердило все предсказания — нулевой спин частицы и положительную четность (0+). Частица оказалась истинным скаляром, прочие варианты исключили, ученые уже практически убеждены, что на БАКе открыли действительно бозон Хиггса.
Не хиггсом единым
Другие, так называемые неминимальные хиггсовские механизмы продолжают обсуждаться, но необходимо дальнейшее накопление статистики и тщательные измерения. Единственный неизвестный параметр, который оставался в рамках Стандартной модели, — собственно масса хиггса — теперь известен, так что можно провести расчеты и сопоставить их с реальностью в поисках отклонений и Новой физики. В любом случае Стандартная модель не может считаться окончательной теорией, так как неполна (не объясняет темную материю и темную энергию, не включает в себя гравитацию). Должна возникнуть более общая теория, намеки на которую может дать БАК. Поиски таких «намеков» следует вести в редких распадах мезонов (с вероятностью меньше тысячной). К сожалению (а было бы очень заманчиво существенно уточнить Стандартную модель), пока не удается доказать наличие «суперсимметрии» (как, впрочем, и опровергнуть ее окончательно). В рамках этой модели каждой частице в природе сопоставлен супертяжелый партнер, некая «суперчастица» (для фотона — фотино, для кварка — скварк, для хиггса — хиггсино и т.п.).
Еще одна важная задача — уточнения свойств топ-кварков. 14 июля 2015 года коллаборацией LHCb (при еще одном крупном детекторе на БАКе) было объявлено об открытии пентакварков (частиц, составленных сразу из пяти кварков). До 2018 года БАК продолжит набор статистики на 13−14 ТэВ, потом остановится на два года для модернизации. В 2021—2023 годах планируется очередной набор на энергии 14 ТэВ, после этого опять значительная модернизация в течение 2,5 лет коллайдера и детекторов. С учетом всех модернизаций БАК может таким образом проработать до 2034 года, однако в ЦЕРНе уже обсуждают строительство нового, более совершенного коллайдера периметром до 100 км (проект получил название FCC — Future Circular Collider). Его энергию предполагается поднять до невероятных 100 ТэВ
Максим Борисов