Александр Малинский4 мая 2014 - Откуда взялась «частица Бога»?

Во-первых, «частицей Бога» бозон Хиггса называют, возможно, неправильно: в заголовке книги нобелевского лауреата Леона Ледермана он назван «god particle», а это может быть и «частица Бога», и «частица Бог». Во-вторых, может быть, это всё таки правильно. Говорят, физики не любят эту дефиницию, но факт остаётся фактом: без бозона Хиггса Стандартная модель рассыпается… Единственное недостающее звено Стандартной модели!

 

Хорошо; а что это такое – Стандартная модель (СМ)? Это исключительно удачная описательная теория мира элементарных частиц. На её основе можно делать расчёты, сравнение которых с тысячами разных экспериментальных результатов даёт хорошие, часто восхитительно хорошие совпадения – за исключением некоторых случаев, которых было очень мало, но становится всё больше. Несмотря на это, а также на то, что в СМ не присутствует гравитация, её общепринято считать наилучшим из существующих сегодня «портретов» самого глубокого из доступных для изучения уровней материального мира.

 

Рассчитывая на то, что читатель будет туда заглядывать по мере чтения этой статьи, мы не будем здесь перечислять частицы и вообще постараемся не дублировать имеющуюся на рисунке информацию СМ постулирует, что все тяжёлые элементарные частицы – адроны – состоят из ещё более простых частиц, которые называют фундаментальными. В этой роли выступают кварки, которые не существуют в свободном состоянии, их свойства определяются путём расчётов через свойства адронов. Адроны способны участвовать во всех четырёх известных типах взаимодействий: сильном, электромагнитном, слабом и гравитационном. Другой класс частиц – лептоны – не состоит из кварков; на сегодняшнем уровне знаний считается, что лептоны не имеют внутренней структуры. Все лептоны не участвует в сильных взаимодействиях, а нейтрино – и в электромагнитных. Всего в СМ шесть кварков и шесть лептонов; они вступают между собой во взаимодействия, образуя всё вещество нашей Вселенной. Взаимодействия, как уже сказано, бывают четырёх типов; за реализацию каждого из типов отвечают частицы – переносчики взаимодействия. Их называют калибровочными бозонами, хотя иные из них имеют «самостоятельные» названия; таковы, в частности, фотон и глюон.

 

Гравитационное взаимодействие универсально, в нём участвуют все тела в природе, от галактик до субатомных частиц. Однако для элементарных частиц силы гравитационного взаимодействия настолько малы, что их невозможно наблюдать; видимо, поэтому гравитационное взаимодействие не нашло себе места (пока?) в Стандартной модели. Соответственно, в основных её вариантах отсутствует и носитель этого взаимодействия – гравитон. Сильное взаимодействие удерживает кварки в составе адронов, а также связывает протоны и нейтроны в ядре атома. Его переносчики называются глюонами. Электромагнитное взаимодействие определяет структуру вещества, связывая электроны и ядра в атомах и молекулах, объединяя атомы и молекулы в различные вещества. Его переносчики – фотоны. Слабое взаимодействие отвечает за большинство ядерных реакций распада и многие превращения элементарных частиц. Его носители – калибровочные бозоны трёх типов: Z, W– и W+.

 

Следует подчеркнуть, что все перечисленные выше частицы, кроме гравитона, обнаружены в экспериментах; глюон – косвенно, остальные – непосредственно. Ещё в 1960-х гг. было показано, что электромагнитное и слабое взаимодействия на самом деле есть проявления одного взаимодействия. Разница между ними очевидна при обычных низких уровнях энергии, а при энергиях выше энергии объединения (порядка 1020 ГэВ) они соединяются в единое электрослабое взаимодействие (ЭСВ). И вот тут начинается история бозона Хиггса. При построении первого варианта теории ЭСВ оказалось, что бозоны слабого взаимодействия (Z, W+ и W–) должны бы быть безмассовыми, как и фотон. Но это не подтверждалось экспериментом! Явление назвали спонтанным нарушением электрослабой симметрии и принялись искать ему объяснение.

 

 

Лучшим вариантом оказался механизм, предложенный в 1965 г. шотландским физиком Питером Хиггсом. В нём нарушение симметрии осуществляется через введение нового скалярного поля, которое, взаимодействуя с калибровочными бозонами слабого взаимодействия, придаёт им массы; а фотон оставляет невесомым. Новое поле – значит, новый бозонпереносчик взаимодействия. Вот так он и появился, таинственный и до последнего времени неуловимый бозон Хиггса. Вот почему он «отвечает» за наличие массы у элементарных частиц. Точнее, играет основную роль в механизме, посредством которого некоторые частицы приобрели массу, а другие остались безмассовыми (фотон, глюон). И начались его поиски.

 

Стандартная модель предусматривает некий набор возможных значений массы бозона Хиггса, она предсказывает, какими свойствами будет обладать бозон с той или иной массой, как часто он будет рождаться и на что он должен распадаться. Это – теоретическая основа поисков. Практика же состоит в том, чтобы в эксперименте либо подтвердить наличие признаков существования хиггсовского бозона в одном из интервалов массы, доступных данному ускорителю, либо установить отсутствие таковых признаков. Надо сказать, что поиски эти ничуть не легче «ловли» не существующих индивидуально кварков. Рассчитано, что на каждый триллион столкновений частиц во встречных пучках возникает всего несколько (!) бозонов Хиггса. Они очень неустойчивы, очень быстро распадаются, и единственными доступными наблюдению свидетельствами их существования являются следы распада. При этом «знаковые» события могут происходить и по другим причинам, не имеющим отношения к «хиггсу»; они составляют фон, существенное превышение которого и трактуется как доказательство существования желанного бозона.

 

Недавние эксперименты на Большом адронном коллайдере (LHC) – отнюдь не первые. Эксперименты на его предшественнике, Большом электрон-позитронном коллайдере (LEP), проведённые в 1980-х гг., позволили исключить диапазон масс менее 114 ГэВ. В 2008 г. физики, работающие на сопернике LHC – американском Теватроне, с вероятностью 95% «закрыли» узкую область масс вблизи 170 ГэВ. К июлю 2010 г. Теватрон с той же достоверностью исключил уже область масс от 158 до 175 ГэВ. В последнем эксперименте на LHC «хиггса» искали в диапазоне от 114 до 141 ГэВ. Искали, и вот, кажется, нашли. Если открытие подтвердится, то понятно: Стандартная модель получит единственный недостающий камень в своём фундаменте. Правда, в ней и без «хиггса» наблюдается всё большее количество «нестыковок»; но это, можно сказать, неприятности второго уровня, преодолением которых займутся с новым воодушевлением. А если не подтвердится? Тогда – возможны варианты.

 

Во-первых, в рамках самой Стандартной модели просматриваются некоторые возможности иного, «не-хиггсовского» механизма спонтанного нарушения электрослабой симметрии. Во-вторых, Стандартная модель – не единственная теория, претендующая на объяснение строения и функционирования микромира. Такова, например, теория петлевой квантовой гравитации, различные варианты теории струн. Если их удастся построить и подтвердить, они позволят описать все частицы Стандартной модели, не требуя для объяснения их масс введения бозона Хиггса. Есть и другие теории… но обсуждение альтернатив к Стандартной модели выходит за пределы возможностей данной статьи.