Александр Спирин
Питеру Хиггсу три десятилетия пришлось ждать экспериментального обнаружения предсказанного им бозона. Фото Reuters
В этом году исполнилось 10 лет со дня открытия в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве новой элементарной частицы – бозона Хиггса. Тогда детекторы ATLAS и CMS Большого адронного коллайдера (LHC, Large Hadron Collider) зафиксировали сигнал в районе энергий 125 ГэВ (125 млрд электрон-вольт). Сигнал был более чем в 100 раз сильнее, чем, например, при регистрации протона (р+). Это и стало свидетельством обнаружения так называемого бозона Хиггса – частицы с нулевым спином, придающей массу всем другим частицам. (Спин, упрощенно говоря, это вращение частицы вокруг своей оси.)
Эту уникальную частицу, которую не зря называют «частицей Бога», задолго до ее экспериментального обнаружения предсказал шотландский физик-теоретик Питер Хиггс. А вот бозоны называются так в память об индийце Шатьендранате Бозе, который работал с Альбертом Эйнштейном. Бозоны отличаются от фермионов (электрон, например, со спинами +/– 1/2) наличием целочисленного спина. Хиггс принадлежал к довольно сплоченной группе из пяти физиков и считался среди них крупным игроком (minor plater). Кстати, именно поэтому его критики утверждали, что Хиггсу просто повезло. Сам шотландец признавался, что черпал вдохновение в прозорливости Поля Дирака, одного из основателей квантовой физики и «прорицателя» существования позитрона (положительного электрона). Нобелевскую премию Дирак получил в 1933 году.
Сообщение из ЦЕРНа пришло почти через полвека после выхода в свет статьи Питера Хиггса, в которой он предложил описание характеристик поля, называемого теперь его именем – поле Хиггса. В этой работе он разбирал два прямо противоположных примера, связанных с отсутствием, как считалось на тот момент, массы у фотона и чрезмерно большой массы (около 100 ГэВ) у так называемых калибровочных бозонов W (Weak) и Z (Zero). Эта парочка отвечает за слабое взаимодействие, приводящее, в частности, к бета-распаду – вылету электрона из ядра.
Питер Хиггс отталкивался в своей работе от статьи, представленной в 1961 году Стивеном Вайнбергом, будущим нобелевским лауреатом, который задался целью создания модели лептонов, а также постулированных Мари Гелл-Манном кварков, составляющих «основу» протона и нейтрона. Каждый из калибровочных бозона почти в 2000 раз тяжелее электрона, относимого вместе с мюоном к легким лептонам. Поэтому их еще называют барионами (от ВАРYС – тяжелый). Кварки имеют дробный положительный и отрицательный заряд, поэтому их тройки дают р+ (протон) и нейтрон с нулевым зарядом. За это кажущееся сегодня простым объяснение теоретика удостоили Нобелевской премии в 1969 году.
А за четыре года до этого в Стокгольм вызывали Ричарда Фейнмана, активно поучаствовавшего в создании основ квантовых электро- и хромодинамики. Фейнман для наглядности предложил свои знаменитые диаграммы, например того же бета-распада. Из них стала очень наглядной роль W-бозона. Диаграммы используются сегодня и для показа многочисленных распадов бозона Хиггса.
ЦЕРН провел модернизацию ускорительного кольца LHC, в котором пучки протонов разгоняются теперь до энергии столкновений 13,6 ГэВ. Также апгрейду подверглись четыре детектора элементарных частиц: ALICE (A Large Ion Collider Experimen), ATLAS (A Toroidal Lhc ApparatuS), CMS (Compact Muon Solenoid). К этой четверке был добавлен LINAC – Linear Accelerator: 86-метровая труба, покрытая медными листами, в которой предварительно ускоряются протоны, прежде чем они попадут в 27-километровое кольцо LHC.
Сегодня ученые довольно успешно получают бозоны Хиггса в ощутимых количествах. До приостановки LHC на реновацию в 2015 году ЦЕРН 24 августа 2015-го сообщил о получении экзотической частицы с пятью кварками (пентакварка).
Все эти результаты приближают науку не только к подтверждению фундаментальности Стандартной модели мироздания, но также к решению вопроса о включении в нее (или «выведении» за ее рамки) самой загадочной силы природы – гравитации. Немаловажным является и разрешение загадки природы темных материи и энергии, и соотношения материи и антиматерии во Вселенной.
Известно, что Эйнштейн, который был против квантовой физики, 30 лет безуспешно пытался создать единую теорию поля. Другой авторитет, Стивен Хокинг, был весьма скептичен в отношении идеи Хиггса. Но, по всей видимости, такова планида науки, идеи которой противоречивы, парадоксальны, а реализация их требует десятков лет. Можно вспомнить споры Исаака Ньютона с Робертом Гуком, Готфридом Лейбницем и Леонардом Эйлером о природе света (а спор-то разрешил глазной врач Томас Юнг, открывший волновую интерференцию света). Да и сам Эйнштейн пошел против «устаревшего» закона всемирного тяготения.
