Юный техник, 2013 № 06

А суть дела тут такова. Летом прошлого года физики ЦЕРНа объявили, что им удалось обнаружить частицу, которая по всем параметрам очень похожа на предсказанную британским физиком-теоретиком Питером Хиггсом еще в 60-е годы XX века. Эта частица понадобилась ему для того, чтобы хоть как-то объяснить, почему другие элементарные частицы имеют массу.

До поры до времени никто не утверждал, что бозон Хиггса обнаружен, и лишь в марте 2013 года впервые решились это сделать.

Событие было тут же объявлено самым выдающимся открытием последних лет. Ведь бозон Хиггса, по идее, — последний недостающий элемент современной теории элементарных частиц, так называемой Стандартной модели, объединяющей все виды взаимодействий, кроме гравитационного, — сильное (связывающее кварки в протонах и нейтронах), слабое (взаимодействие между электронами и нейтрино) и электромагнитное.

Роль этой частицы так важна, что ее иногда даже называют «частицей Бога». Ведь согласно принципам Стандартной модели, в момент рождения Вселенной после Большого взрыва частицы приобрели массу под действием хиггсовского поля, сформированного именно бозонами Хиггса. А без этого поля не могло бы произойти образование атомов и молекул, поскольку частицы, не имеющие массы, просто разлетелись бы в космическом пространстве.

Согласно теории, неуловимые бозоны Хиггса существуют всюду. Через поле Хиггса, заполняющее пространство Вселенной, проходят абсолютно все частицы, из которых строятся атомы и молекулы, ткани и целые живые организмы. Тем не менее, долгое время экспериментаторам не удавалось обнаружить что-то похожее на бозон Хиггса.

Положение осложнялось тем, что теория не позволяет точно установить массу бозона Хиггса, поэтому для его обнаружения ученые прибегли к экспериментам. Упрощенно их можно представить так. По некой мишени в гигантском ускорителе ударяют потоком частиц высокой энергии, разгоняя их электромагнитными полями в кольцевом тоннеле ускорителя.

При соударении одни частицы преобразуются в другие. В том числе, согласно теории, рождается и бозон Хиггса, который тут же распадается на разные частицы. Одним из вариантов может быть распад на два Z-бозона, четыре лептона (электрона или мюона) и на два гамма-кванта.

Поэтому, если в экспериментах регистрируются перечисленные частицы — продукты возможного распада бозона Хиггса, физики говорят: «Вот следы частицы Бога…»

Однако, как ехидно заметил один из экспертов, такой способ изучения мира элементарных частиц смахивает на анекдот. Дескать, некие чудаки, чтобы узнать, что находится в закупоренной бочке, не нашли лучшего способа, как подложить эту бочку под тяжелый каток. А потом, попробовав на вкус сок из натекшей лужи, оставшейся от раздавленной бочки, отважно заявили: «В ней скорее всего были соленые огурцы, а не квашеная капуста…»

Ну, а если серьезно, то первые существенные попытки отловить бозон Хиггса были предприняты на рубеже XX и XXI веков с помощью Большого электронно-позитронного коллайдера (БАК) или Large Electron-Positron Collider (LEP), находящихся в Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) неподалеку от Женевы.

В результате многочисленных опытов на ускорителе был установлен нижний порог массы бозона Хиггса — 114,4 гигаэлектронвольта. Первый цикл экспериментов на БАКе был завершен в 2001 году.

Следующие циклы экспериментов проводили на коллайдере Теватрон (Tevatron), построенном в 1983 г. в Лаборатории имени Ферми (Fermilab), штат Иллинойс, США. Энергия столкновений в нем составляла около 2 тераэлектронвольт. В 2004 г. на Теватроне была установлена верхняя граница массы частицы Хиггса — 251 гигаэлектронвольт, а нижняя — 114 гигаэлектронвольт.

В ноябре 2011 г. цифры были скорректированы — 141 и 115 гигаэлектронвольт соответственно. Окончательные результаты Теватрон а, завершившего свою работу осенью 2011 г., показали, что масса бозона Хиггса находится в интервале от 115 до 135 гигаэлектронвольт.

Затем за дело снова взялся БАК, модернизированный за это время. На этом ускорителе ученые сталкивали разогнанные во встречных пучках до околосветовой скорости протоны, а затем фиксировали частицы и излучения, получившиеся в результате очередного столкновения, с помощью 4 специализированных детекторов — двух крупных (ATLAS и CMS) и двух средних (ALICE и LHCb). Анализом полученных данных занимались две группы ученых, работавших независимо друг от друга.

В 2010 г. первыми положительными результатами работы коллайдера стало рождение четырех неустойчивых элементарных частиц — мюонов, образовавшихся в результате столкновения протонов. Физики предположили, что в цепочке превращений от протонов до мюонов промежуточным звеном мог быть неуловимый бозон Хиггса.

Далее физики стали накапливать статистику данных о столкновениях частиц в ускорителе, все повышая энергетику столкновений. Они заявляли, что порог, за которым коллайдер начнет «чувствовать» бозон Хиггса, находится на уровне пяти обратных фемтобарн. В «переводе» на наш обыденный язык, 5 обратных фемтобарн соответствуют примерно 350 квадриллионам столкновений протонов за сеанс.

Этот порог был перейден в октябре 2011 г. И тогда же было сообщено, что согласно завершившимся исследованиям ученых Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, Института теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН и Кельнского университета «спектральный индекс космологических возмущений согласуется с наблюдениями, если хиггсовская масса лежит в интервале от 136 до 185 гигаэлектронвольт».

В переводе на более понятный язык, это значило, что и в материалах, полученных в результате работы ВАКа, и в данных, полученных со специализированного спутника WMAP, были обнаружены некие следы частицы, похожей на бозон Хиггса.

В декабре 2011 г. ученые подтвердили, что опять-таки видели некоторые «намеки» на бозон Хиггса.

В июне 2012 г. количество столкновений и плотность потока протонов в Большом адронном коллайдере были доведены до уровня, при котором в ускорителе должен рождаться и распадаться на другие частицы один бозон Хиггса в час — если, конечно, он существует.

В конце июня 2012 г. математик Питер Войт из Колумбийского университета в Нью-Йорке (США) проговорился, что с помощью ATLAS и CMS получена информация о параметрах бозона Хиггса с массой 124–125 гигаэлектронвольт.

Впрочем, многие ученые пока еще сомневаются, является ли открытый тип бозона частью Стандартной модели или же это другой вариант частицы, о котором говорят некоторые другие теории.

Во всяком случае, новый бозон, который по ряду свойств соответствует бозону Хиггса, может оказаться лишь первым из ряда таких частиц. «Такая возможность предсказана теорией суперсимметрии, — заявил лауреат Нобелевской премии 1984 г. по физике, экс-гендиректор Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) Карло Руббиа.

Однако профессор Руббиа все же осторожен в своих оценках. «Теория суперсимметрии, если она верна, предсказывает существование пяти бозонов Хиггса, поэтому то, что мы обнаружили, может быть всего лишь первым из них», — сказал он.

Дело в том, что теория суперсимметрии (SUSY) предполагает, что у всех известных элементарных частиц существуют «двойники» — суперсимметричные частицы, которые родились вместе с «обычными» частицами в момент Большого взрыва. Затем суперсимметричные частицы стали намного тяжелее обычного вещества и распались, а их остатки образовали темную материю, из которой, как предполагают, почти на четверть состоит Вселенная.

Таким образом, даже если исследователи и в самом деле обнаружили бозон Хиггса — это вовсе не конец истории. Нужны новые исследования.

Дальнейшее изучение суперсимметричных частиц, как считают эксперты, возможно на ускорителях нового типа — линейных. И они уже заговорили о двух новых проектах. Во-первых, это Международный электрон-позитронный линейный коллайдер (ILC, International Linear Collider), в создании которого уже сейчас участвуют почти 300 лабораторий и университетов по всему миру.