Читать интересную книгу 100 великих достижений в мире техники - Станислав Зигуненко

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

Детектор ATLAS, с помощью которого был детектирован бозон Хиггса

Зачем понадобилась эта частица физикам? В самом упрощенном виде суть рассуждений здесь такова. Когда Вселенная начала остывать после Большого Взрыва, сформировалась некая гипотетическая сила, известная еще как поле Хиггса. Материальными носителями этой силы, ее квантами, и должны быть, по идее, бозоны Хиггса.

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

То, как работает поле Хиггса, ученые попытались рассказать журналистам на пресс-конференции, созванной по этому поводу в ЦЕРНе 4 июля 2012 года. «Вот вас здесь целая толпа, – пояснил “на пальцах” суть дела один из выступавших. – Представьте, что в эту комнату вошел сам Питер Хиггс. Но пока вы не знаете, кто он такой, и профессор может спокойно передвигаться по комнате. Но как только кто-то из вас узнает его, тотчас вокруг профессора образуется плотная толпа, пробиться через которую ученому уже можно будет с большим трудом. Точно так же и наличие поля Хиггса мы можем обнаружить только по пролету бозона Хиггса, за которым и шла охота столько времени»…

Тут, наверное, стоит привести некоторые пояснения. Все охотники прекрасно знают: чтобы поймать любого, а уж тем более редкого зверя необходимы специализированные ловушки. Та, что предназначена, например, для поимки бобров, не годится для ловли зайцев. А потому исследователи потратили немало усилий и еще больше денег (так только БАК обошелся в сумму порядка 10 млрд евро), чтобы создать такие ловушки.

Сегодня их в мире две. Это тэватрон в лаборатории имени Энрико Ферми (Фермилаб) в США и БАК в ЦЕРНе близ Женевы. Американские физики из Фермилаба в некотором роде «выступили на разогреве» у европейских коллег, представив им окончательные результаты своих более чем десятилетних поисков бозона Хиггса. По их данным, если частица существует, то ее масса должна находиться в интервале от 115 до 135 гигаэлектронвольт.

Один из участников этой работы, наш соотечественник Дмитрий Денисов сказал так: «Мы на тэватроне знаем, как открывать частицы. Мы открыли топ-кварк, шесть новых барионов (частиц, состоящих из новых комбинаций кварков. – Авт .), процесс самых быстрых переходов между материей и антиматерией и много других новых процессов. То, что мы видим в наших данных по Хиггсу, напоминает мне все предыдущие открытия – показания в различных каналах и независимо для двух экспериментов в Фермилабе указывает на то, что бозон Хиггса существует»…

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

Все эти работы помогли европейским физикам настроить Большой адронный коллайдер – ускоритель элементарных частиц с окружностью туннеля в 26,7 км, который залегает под землей на глубине от 50 до 175 м. Именно он строился более 10 лет на границе Швейцарии и Франции.

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

Для того чтобы быть уверенными в том, ученым необходимо было добиться степени достоверности результатов в 99,99995 % (или 5 «сигма», что соответствует статусу научного открытия). И эксперименты были продолжены, пока… «Мы достигли уровня вероятности почти в 5 “сигма”, – сказал в начале июля 2012 года на семинаре представитель эксперимента CMS Джо Инкандела.

«Такие выводы сделаны на анализе результатов столкновения пучков протонов, циркулирующих практически со скоростью света в обоих направлениях 27-километрового туннеля, – пояснил заявление Инкаделы первый заместитель директора Института ядерных исследований РАН Леонид Кравчук. – Бозон должен находиться среди элементарных частиц, на которые распадаются протоны после столкновения. До последнего времени все существующие в природе частицы были известны, за исключением бозона Хиггса. Без него ученые не могли понять, откуда у других частиц появляется масса»…

Итак, теперь ученые доказали, что массой этой их, наверное, наделяет бозон Хиггса. Правда, пока исследователи знают о нем не очень много, в частности только то, что его вес составляет в среднем 125 гигаэлектрон-вольт (эксперимент Atlas дал результат 126,5 ГэВ, a CMS —125,3 ГэВ, и это при одинаковой статистике столкновений). Теперь им предстоит большая работа по перепроверке полученных результатов, уточнению «портрета» частицы, описанию ее свойств.

Вот, собственно, и все. На том можно ставить точку. Потому как дальше последовали осторожные уточнения. «Однако является ли эта частица бозоном Хиггса, мы пока сказать не можем, для этого нужно измерить ее спин (то есть собственный момент импульса. – Авт .), – поясняют физики. – В самом интересном случае распада бозона на два Z-бозона мы видим только 8 событий, и этого слишком мало, чтобы измерить спин. Если спин будет равен 0, это Хиггс Стандартной модели. Единица исключена другими экспериментами, а если спин будет равен двум, то тогда это будет какая-то экзотическая частица, что даже интереснее».

В общем, ученые осторожно намекают: для того, чтобы окончательно и бесповоротно «заклеймить» обнаруженную частицу как бозон Хиггса, потребуются дополнительные данные и их тщательный анализ. Хотя есть и иные мнения. Например, физик Филипп Гиббс в своем блоге позволил себе выразиться так: «Если нечто плавает в пруду и крякает, как утка, наверное, небезосновательно считать это уткой, особенно когда ты ожидал обнаружить утку. Последующие наблюдения просто покажут нам, какого вида эта утка».

И все же вопрос о том, является ли эта частица бозоном Хиггса Стандартной модели или «мостом» к «новой физике», все еще открыт. Это связано с рядом сложностей наблюдения частиц в современной экспериментальной физике и расшифровки полученных результатов. «Вариантов распада бозона Хиггса, по которым его можно идентифицировать, очень много. Причем на некоторых экспериментальных установках проще регистрировать одни виды распада, на некоторых – другие», – сказал по этому поводу участник эксперимента CMS Андрей Крохотин.

В общем, если обнаруженная частица окажется долгожданным бозоном Хиггса, то можно будет считать строительство Стандартной модели законченным. Если же нет, то новая частица, обнаруженная вместо бозона Хиггса, может стать «мостиком» к пониманию природы таинственных «темной материи» и «темной энергии», которым принадлежит 96 % массы Вселенной, но о природе которых мы толком ничего не знаем.

Словом, физики оставили себе лазейку, хотя и объявили случившееся «вехой в нашем понимании природы». «Обнаружение частицы, похожей на бозон Хиггса, открывает путь к более детальному изучению, для которого требуется больше статистики. Оно позволит детально описать свойства новой частицы и, вероятно, прольет дополнительный свет на тайны нашей Вселенной», – сказал в заключение пресс-конференции генеральный директор ЦЕРНа Рольф Хойер.

Пока же научная общественность сошлась на том, что 83-летнего профессора Питера Хиггса, как и его коллег, которые тоже присутствовали на пресс-конференции, обязательно надо выдвинуть на соискание Нобелевской премии по физике.