Джим Бэгготт - Бозон Хиггса. От научной идеи до открытия «частицы Бога»
Очевидные факты были таковы: новый бозон имел массу в пределах 125–126 ГэВ и взаимодействовал с другими частицами Стандартной модели именно таким образом, который прогнозировался для бозона Хиггса. Помимо наблюдаемого превышения в канале распада H →γγ, формы распада нового бозона на другие частицы так же соотносятся друг с другом, как это ожидается от бозона Хиггса в Стандартной модели. Хотя оба эксперимента, ATLAS и CMS, ясно показывают, что это бозон, ни тот ни другой не могут точно определить его спин, который может иметь значение 0 или 2. Однако единственная частица с ожидаемым спином 2 – это гравитон, гипотетический переносчик гравитационного взаимодействия. Поэтому спин 0 был гораздо более вероятен. Перефразируя Руббиа, есть соблазн сказать, и не без оснований: «Он выглядит как бозон Хиггса Стандартной модели, он пахнет как бозон Хигг са Стандартной модели, значит, это и есть бозон Хигг са Стандартной модели».
В действительности эти результаты открывают врата в новое долгое путешествие. Открыт бозон, который в глазах всего мира выглядит как бозон Хиггса. Но какой бозон Хиггса? Стандартной модели нужен только один, чтобы нарушалась электрослабая симметрия. Минимальной суперсимметричной Стандартной модели нужно пять. У других теоретических моделей другие требования. Единственный способ выяснить, какая именно частица открыта, – это исследовать ее свойства и поведение в дальнейших экспериментах.
В пресс-релизе ЦЕРНа говорилось так[186]: «Чтобы уверенно установить характеристики новой частицы, требуется значительное время и усилия. Но каков бы ни оказался характер частицы Хиггса, вскоре мы сделаем большой шаг вперед в понимании фундаментальной структуры материи».
После заслуженных поздравлений и одобрительных похлопываний по спине семинар закончился. Когда у Питера Хиггса спросили, что он думает, он поздравил лабораторию с потрясающим успехом и сказал: «Это поистине невероятно, что такое событие случилось еще при моей жизни»[187].
Важный этап в наших попытках понять фундаментальную природу материи подходит к концу. Вскоре начнется новый увлекательный путь.
Эпилог
Конструкция массы
Из чего сделан мир?
В середине 1930-х мы могли бы сказать, что вся материальная субстанция в мире состоит из химических элементов, а каждый элемент состоит из атомов. Каждый атом, в свою очередь, состоит из ядра, а ядро – из разного числа положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов. Окружают ядро отрицательно заряженные электроны, связанные силой электрического притяжения. Электрон может иметь ориентацию спин вверх или спин вниз, а на каждой атомной орбитали может находиться два электрона при условии, что у них спаренные спины. Электроны могут перейти с одной орбитали на другую за счет поглощения или испускания электромагнитного излучения в виде фотонов.
Мы бы сказали, что вес 18-граммового кубика замерзшей воды состоит из общей массы 10 800 миллиардов триллионов протонов и нейтронов.
В наши дни ответ стал гораздо точнее.
Протоны и нейтроны в ядре в действительности не являются элементарными частицами. Они состоят из кварков с дробными зарядами. Протон состоит из трех кварков с разными «ароматами» – двух верхних и одного нижнего.
Кварки также различаются «цветом»: красным, синим и зеленым. Два верхних кварка и нижний кварк в протоне имеют разные цвета, и получившаяся комбинация называется «белой». Нейтрон состоит из одного верхнего кварка и двух нижних, и все кварки в нем тоже разных цветов.
Цветовое взаимодействие между кварками переносят восемь разных видов силовых частиц, которые называются общим термином «глюоны». Это взаимодействие становится сильнее не по мере приближения кварков друг к другу, как можно было бы ожидать, но по мере их разделения. Сильное ядерное взаимодействие между протонами и нейтронами – всего лишь остаток, «пережиток» цветового взаимодействия между составляющими их кварками.
Открытие новой частицы в ЦЕРНе позволяет уверенно предположить, что массы кварков возникают благодаря взаимодействию с полем Хиггса. Это взаимодействие преображает безмассовые кварки в частицы с массой. Взаимодействие придает частицам глубину и заставляет их замедляться. Такое сопротивление ускорению мы называем массой.
Но массы кварков очень малы, и на их долю приходится только 1 процент массы протона или нейтрона. Остальные 99 процентов – это энергия, переносимая безмассовыми глюонами, которые движутся между кварками и связывают их.
В Стандартной модели концепция массы как неотъемлемого свойства или количественной характеристики исчезает. Масса полностью состоит из энергии взаимодействий между элементарными квантовыми полями и их частицами.
Бозон Хиггса – часть механизма, объясняющего, откуда берется масса всех частиц Вселенной. Все вещество в мире может состоять из кварков и лептонов, но самой своей вещественностью оно обязана энергии, происходящей из взаимодействия с полем Хиггса и обмена глюонами.
Без этих взаимодействий материя была бы так же эфемерна и невещественна, как свет, и не было бы ничего.
Словарь терминов
ATLAS. Сокращение от A Toroidal LHC Apparatus, тороидальный аппарат БАК, одна из двух детекторных коллабораций, занимающихся поисками бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе.
CMS. Сокращение от Compact Muon Solenoid, компактный мюонный соленоид, одна из двух детекторных коллабораций, участвующих в поисках бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере ЦЕРНа.
g-фактор. Коэффициент пропорциональности между (квантованным) моментом импульса элементарной или составной частицы и ее магнитным моментом, то есть направлением, которое приобретает частица в магнитном поле. У электрона есть три g-фактора: один связан со спином, другой с моментом импульса орбитального движения электрона в атоме и третий, связанный с суммой спина и орбитального момента импульса. Релятивистская квантовая теория электрона, сформулированная Дираком, предсказывает g-фактор 2 для электронного спина. В 2006 году комитет CODATA Международного совета по науке рекомендовал g-фактор 2,0023193043622. Разница объясняется квантовыми электродинамическими эффектами.
W-, Z-частицы. Элементарные частицы, переносящие слабое ядерное взаимодействие. W-частицы – бозоны со спином 1 с единичным положительным или отрицательным зарядом (W+, W—) и массами 80 ГэВ. Z0 – электрически нейтральный бозон со спином 1 и массой 91 ГэВ. W– и Z-частицы приобретают массу посредством механизма Хиггса и могут считаться «тяжелыми» фотонами.
Адрон. От греческого hadros, толстый или тяжелый. Адроны образуют класс частиц, испытывающих сильное ядерное взаимодействие. Они состоят из разных сочетаний кварков. К ним относятся барионы, состоящие из трех кварков, и мезоны, состоящие из кварка и антикварка.
Античастица. Идентична по массе «обычной» частице, но имеет противоположный заряд. Например, античастица электрона (e—) – позитрон (e+). Античастица красного кварка – красный антикварк. В Стандартной модели у каждой частицы есть античастица. Частицы с нулевым зарядом являются своими собственными античастицами.
Аромат. Свойство, которое, помимо цветного заряда, отличает один тип кварков от другого. Различаются шесть ароматов кварков, относящихся к трем поколениям: верхний, очарованный и истинный кварки с электрическим зарядом +2/3, спином 1/2 и массами 1,7–3,3 МэВ, 1,27 и 172 ГэВ соответственно и нижний, странный и прелестный кварки с электрическим зарядом —1/3, спином 1/2 и массами 4,1–5,8 МэВ, 101 МэВ и 4,19 ГэВ соответственно. Термин «аромат» также применяется к лептонам, при этом электрон, мюон, тау и соответствующие нейтрино различаются лептонным ароматом. См. Лептон.
Асимптотическая свобода. Свойство сильного цветового взаимодействия между кварками. Цветовое взаимодействие становится слабее, чем ближе кварки друг к другу, и в асимптотическом пределе нулевого разделения ведут себя так, как если бы были совершенно свободны (см. рис. 17(b).
Атом. От греческого atomos, неделимый. Первоначально слово обозначало мельчайшую составную часть материи, а в наше время это фундаментальный компонент химических элементов. Так, вода состоит из молекул H2O, которые, в свою очередь, состоят из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Сам атом состоит из протонов и нейтронов, которые связаны вместе и образуют центральное ядро, и электронов, которые образуют характерные волновые функции, вращаясь вокруг ядра по атомным орбиталям.
БАК. Большой адронный коллайдер, самый высокоэнергетический в мире ускоритель частиц, способный производить протон-протонные столкновения с энергией 14 ТэВ. БАК расположен в ЦЕРНе в кольцевом туннеле длиной 27 км, в 175 метрах под землей у швейцарско-французской границы у Женевы. С помощью БАКа, работавшего с энергией протон-протонных столкновений 7 ТэВ и затем 8 ТэВ, были получены данные, позволившие в июле 2012 года заявить об открытии бозона, соответствующего бозону Хиггса.
