А Хиггс его знает!

В начале 2008 года вышло постановление Президиума Российской академии наук о присуждении медалей Российской академии наук с премиями для молодых ученых РАН, других учреждений и организаций и для студентов высших учебных заведений России по итогам конкурса 2007 года по представлению Комиссии РАН по работе с молодежью. В области ядерной физики РАН присудила медали и премии кандидату физико-математических наук Виктору Брагуте и кандидату физико-математических наук Алексею Чалову из Государственного научного центра РФ «Институт физики высоких энергий» (г. Протвино). Мы попросили научного руководителя лауреатов премии Академии наук, кандидата физико-математических наук Андрея Лиходеда рассказать о сути этой работы.

– Андрей Анатольевич, физика высоких энергий – занятие дорогое, экспериментальные установки, ускорители – сложнейшие научные приборы! Как вам удалось обойти эти, вполне объективные, ограничения?

– Идеология работ ориентировалась на наше понимание и хорошее знание прежде всего основной площадки наших действий – физики электрослабых взаимодействий, в которой мы работаем давно и плодотворно, а также на наше умение работать с данными высокоточных экспериментов. Для выполнения цикла этих работ была необходима хорошая подготовленность группы, обладающей не только знанием теоретического материала, но и умением использовать его в работе, а именно – доводить все до «живых» цифр.

– И что же вы искали?

– Основное направление поиска, которое мы для себя выбрали в цикле этих работ, – попытаться приоткрыть новую дверь в так называемой физике бозона Хиггса. Это загадочная частица, которая является последним недостающим компонентом так называемой Стандартной модели электрослабых взаимодействий. Хиггсовский бозон – это частица, которая отвечает в нашем материальном мире, – по крайней мере так думают современные физики, – за генерацию масс, за тот факт, что у частиц появляется масса. Эта частица до сих пор не найдена. Сегодня одна из главных задач экспериментов, проводимых на ускорителе Большой адронный коллайдер, LHC, в Европе – найти этот гипотетический бозон Хиггса.

Однако продвижение в области поиска бозона Хиггса – дорогостоящее удовольствие. Все мы знаем, сколько сил, денег и энергии было вложено, чтобы коллайдер LHC наконец заработал. Пройдет еще немало времени, прежде чем будут обработаны первые реальные данные этого эксперимента.

В связи с этим всегда возникал вопрос – а нет ли какой-нибудь другой подсказки, которая может не такими «кощеевыми» средствами и усилиями дать указание на то, в каком мире мы живем, где этот бозон Хиггса и какой он? Мы понимали: чтобы найти бозон Хиггса, не обязательно увидеть его «живым», его можно обнаружить по косвенным проявлениям, например, по тому, как меняются константы взаимодействия в различных процессах за счет его присутствия. То есть мы хотели увидеть хотя бы «тень» этой частицы. Проблема заключалась в следующем: у нас в руках был единственный инструмент – высокая точность нашего эксперимента «ОКА».

Известно, что нижний предел массы бозона Хиггса ограничен 120 ГэВ – этого уже достаточно, чтобы впрямую бозон Хиггса не был виден в эксперименте «ОКА», – просто не хватает энергии, чтобы родить такую тяжелую частицу.

Но по косвенным проявлениям она может быть обнаружена. Смысл наших работ заключался в том, чтобы показать – у нас всегда есть шанс, даже если не хватает средств. Мы это и сделали.

– Что даст человечеству обнаружение бозона Хиггса и его взаимодействие с другими частицами?

– В свое время известный английский физик Питер Хиггс предложил элегантный теоретический механизм, описывающий возможность генерации масс элементарных частиц. В данном механизме за это отвечает так называемый бозон Хиггса. Эта частица связывает воедино весь мир микрочастиц.

Принципиальная важность нахождения этой частицы даст ответ на уже достаточно старый вопрос: правильно ли мы понимаем мир или нет? Это дверь в наше понимание реального построения теории.

Поиск бозона Хиггса – это как знание дифференциального исчисления в математике: если вы не умеете брать производную, разговаривать про интегралы бессмысленно. Если мы не понимаем и не можем определить, что у нас происходит с массами частиц и где тот самый пресловутый бозон Хиггса, смысл дальнейшего продвижения в физике весьма туманен.

– Где же бозон Хиггса?

– Самые интересные вопросы природа оставила нерешенными до конца. На кону очень многое. Поэтому весь мир прилагает грандиозные усилия, строит такие машины, как LHC, – безумно дорогие, чтобы найти только одну частицу. Понятно, что коллайдер LHC предоставит много интересных и разнообразных данных, но его основная задача – найти бозон Хиггса. Если он не будет найден, разговаривать о том, что мы что-то умеем в теоретической физике, бессмысленно. Его надо либо найти, либо навсегда с ним расстаться. Существует большое количество моделей: одни предсказывают существование подобных частиц, другие говорят, что частиц вообще нет в природе. От понимания этого кардинально зависит дальнейший путь развития физики, а в общем случае – и всего нашего понимания.

Повторю, мы попытались по косвенным признакам, которые раньше просто не замечали, вытащить хотя бы крупицу информации о бозоне Хиггса. Для чего? Это подсказка – как и что искать дальше.

Я еще раз напомню, что масса частицы, которую мы ищем, от 120 ГэВ и выше. Характерная энергия, на которой работает наш эксперимент «ОКА», существенно меньше. Однако в этой ситуации высокая точность эксперимента даст возможность увидеть таинственный след этой незнакомой, пока еще неведомой нам частицы, хотя впрямую частицу наблюдать не сможем. В связи с этим и был придуман некий алгоритм поиска следа этой частицы, определены и процессы, в которых, наблюдая определенные распределения и формы распада К-мезонов, можно увидеть присутствие или отсутствие бозона Хиггса. И не только увидеть, но и понять его свойства. Такая информация будет прекрасно дополнять ту, что получат с эксперимента LHC.

– Нельзя ли поподробнее об «ОКЕ»?

– «ОКА» – это эксперимент по изучению распадов К-мезонов. Это установка, которая находится в ГНЦ ИФВЭ. Руководитель проекта – Владимир Образцов. Я в первый раз вижу, чтобы руководитель экспериментального подразделения с таким рвением «тряс» теоретиков и с таким вниманием и терпением выслушивал наши, пусть иногда заносчивые речи.

Надо отдать должное трем людям – академику Семену Соломоновичу Герштейну, доктору физико-математических наук Анатолию Лиходеду и член-корреспонденту РАН Владимиру Образцову. Они стали нашим щитом от внешнего мира и позволили нам работать. Несмотря на различные трудности, группа смогла собраться и вместе работать несколько лет.

– Расскажите, пожалуйста, о ваших коллегах.

– Студенты Московского физико-технического института на третьем курсе проходят практику. Появились два талантливых паренька с хорошими теоретическими знаниями – Виктор Брагута и Алексей Чалов. У них немножко не хватало, как мы сейчас называем, феноменологической подготовки, то есть они хорошо понимали теорию, умели прекрасно считать, но их нужно было вывести на то, что называется, довести все до цифр, которые понятны экспериментатору. Они быстро это схватили.

Ребята молодцы – надо отдать им должное, с ними было очень приятно работать. Кстати, по этой тематике они без усилий защитились, было много хороших публикаций и великолепные кандидатские диссертации.

– А вы верите, что бозон Хиггса существует?

– Когда речь идет об энергиях 100 ГэВ, 200 ГэВ – это энергия, которую мы можем пощупать, у нас есть для этого инструменты. Но когда зайдет разговор об энергии 1000 ТэВ – о ней можно забыть. Правда, это произойдет очень нескоро, если вообще произойдет. Это будет настолько дорогая игрушка – новый ускоритель, – что ее, боюсь, всем миром не потянуть. Не хочется остаться в жутком огорчении, поняв, что дверь захлопнулась. Отсюда – собирание информации по крупицам, попытка «вытащить» все, что можем, потому что не хочется остаться в теоретическом одиночестве. Если вдруг сейчас бозон Хиггса вообще не будет обнаружен, конечно, это даст некие подсказки теоретикам – где искать, как искать по-новому.

Продолжение темы