Бозон Хиггса, скорее всего, открыт!
4 июля 2012 г.
Пресс-конференцию, которую специалисты, журналисты и все интересующиеся наукой ждали с таким нетерпением, генеральный директор Европейского центра ядерных исследований (CERN) в Женеве Рольф Хойер (Rolf Heuer) открыл словами: "Должен сказать, это не самый плохой день в жизни генерального директора". Понимающе усмехнувшись, собравшиеся приготовились услышать официальное заявление об открытии пресловутого хиггсовского бозона - элементарной частицы, теоретически предсказанной британским физиком Питером Хиггсом (Peter Higgs) еще в 1964 году и играющей ключевую роль в так называемой Стандартной модели. Однако профессор Хойер выразился более осторожно: "Мы сделали открытие. Мы открыли новую частицу, бозон. Возможно, что это хиггсовский бозон, но нам еще предстоит выяснить, что это за разновидность бозона. Обладает ли он теми свойствами, что вытекают из Стандартной модели? А если нет, то каковы эти свойства и что они означают?".
Бозон - да, но хиггсовский ли?
Таким образом, строго формально говорить об открытии хиггсовского бозона пока все же рано, хотя в глубине души специалисты не сомневаются, что в экспериментах на Большом адронном коллайдере (БАК) "засветился" именно он. Недаром на пресс-конференции и предшествующем ей научном семинаре в ЦЕРНе присутствовал сам 83-летний Питер Хиггс.
Правда, выманить из него сколько-нибудь определенное высказывание по интересующему всех вопросу журналистам не удалось. "Я думаю, что сейчас неподходящее время отвечать на вопросы о подробностях, - сказал ученый. - Мы собрались, чтобы отпраздновать экспериментальное достижение, и я от всей души поздравляю тех, кто к нему причастен". Формулировка осторожная, но ведь и сам факт присутствия ученого на мероприятии говорит о многом. В то же время специалисты ЦЕРНа признают, что открытая теперь частица может оказаться каким-то еще более экзотическим бозоном, чем ожидаемый бозон Хиггса. Тогда речь пойдет уже не о заполнении последнего белого пятна в Стандартной модели, а о зарождении совершенно новой физики или, по крайней мере, о расширении Стандартной модели.
Вещество состоит из фермионов...
Но чем же так примечателен бозон Хиггса, почему о нем столько разговоров? Тут нужно сказать несколько слов о том, что же такое Стандартная модель - основная теория современной физики элементарных частиц. Согласно сегодняшним представлениям, все вещество состоит из 24 фундаментальных частиц с полуцелым значением спина - так называемых фермионов. Они образуют три семейства (или, как говорят специалисты, три поколения). Каждое поколение состоит из двух лептонов и двух кварков, причем кварки в свободном состоянии не встречаются.
Вся окружающая нас материя состоит из частиц первого поколения: два вида кварков (нижний и верхний) и один вид лептона (электрон) образуют атомы, еще один лептон (электронное нейтрино) в состав атомов не входит, но является вездесущим, потому что практически беспрепятственно проникает сквозь материю. Два других поколения состоят из короткоживущих нестабильных частиц. Во втором поколении кварки называются странный и очарованный, лептоны - мюоном и мюонным нейтрино. Третье поколение объединяет прелестный и истинный кварки, а также тау-лептон и тау-нейтрино. Кроме того, у каждой из этих 12-ти частиц существует и античастица, обладающая такими же параметрами, но электрическим зарядом противоположного знака. При столкновении частицы с соответствующей античастицей происходит их взаимная аннигиляция, они излучаются в виде чистой энергии.
Взаимодействия реализуются бозонами
В природе существуют также четыре вида взаимодействия - сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное. Взаимодействия реализуются частицами с целочисленным значением спина - так называемыми бозонами. Например, кварки удерживаются в составе атомного ядра сильным взаимодействием, его переносит частица под названием глюон. Внутренняя стабильность атома обеспечивается электромагнитным взаимодействием, носителем которого являются фотоны. Видимый нами свет также может быть представлен как пучок фотонов. Слабое взаимодействие, ответственное за радиоактивный бета-распад, реализуется W- и Z-бозонами. Предполагается, что должен существовать и гравитон - частица, реализующая гравитационное взаимодействие, но обнаружить его экспериментально пока не удалось. На сегодняшний день Стандартная модель не включает в себя гравитационное взаимодействие, квантовая теория гравитации до сих пор не разработана.
Но со Стандартной моделью связана и еще одна проблема: в ней все частицы лишены массы, а без массы они должны перемещаться со скоростью света, так что никакие атомы, планеты и звезды были бы невозможны. В качестве выхода из этого тупика Питер Хиггс и предложил считать, что вся Вселенная заполнена неким вязким полем, которое с разной силой тормозит разные частицы, что и придает им массу. Носителем такого поля является бозон, названный именем британского ученого и ставший объектом интенсивного поиска, который продолжался десятилетия, но теперь, похоже, увенчался успехом.
Наглядные примеры директора ЦЕРНа
Профессор Хойер проиллюстрировал этот механизм так: "Возьмем большое помещение, совершенно равномерно заполненное журналистами. Пусть это и будет то поле, которое придает массу элементарным частицам за счет взаимодействия с ними. Если в помещение входит никому не знакомый человек, не представляющий для журналистов никакого интереса, ничто и никто не помешает ему очень быстро пересечь комнату. Это как бы частица с нулевой массой, и перемещается она со скоростью света. Но если в помещение входит человек, обладающий интересной информацией, журналисты к нему кидаются, начинают задавать вопросы, и он уже не может перемещаться с большой скоростью. У него появляется масса. И чем важнее человек, тем большую массу придает ему поле журналистов. Когда сегодня в этот зал вошел профессор Хиггс, он оказался очень тяжелым. Но где же здесь бозон? Бозон есть продукт взаимодействия журналистов, образующих поле, между собой. Представьте себе, я начинаю распускать слухи в помещении, наполненном журналистами. Те образуют группы, чтобы обсудить эти слухи. Вот это и есть бозон Хиггса - продукт внутреннего взаимодействия поля Хиггса". "Все просто!" - улыбнувшись, завершил свое объяснение профессор Хойер. А потом добавил: "Нам предстоит теперь пройти долгий путь изучения свойств этой интересной частицы. Если подтвердится, что мы имеем дело с частицей с нулевым значением спина, то это будет первая открытая нами фундаментальная скалярная частица. Никому никогда до сих пор не доводилось видеть такую частицу. Именно поэтому все мы возбуждены и обрадованы не только самим открытием, но и перспективами, которые оно открывает".