Поймать «Искомого Зверя» современной физики
Юрий Ильин
Опубликовано 09 июля 2012 года
Бозон Хиггса найден. К сожалению, пока приходится оговариваться: найдено что-то, по своим характеристикам очень на него похожее. Остаётся крохотная вероятность, что две команды исследователей, работавшие на Большом адронном коллайдере, обнаружили не Искомого Зверя современной физики, а нечто очень похожее.
Этому открытию предшествовала долгая история.
Стандартная модель и четыре типа взаимодействий
По легенде, сэр Исаак Ньютон, великий математик и физик, а также алхимик и богослов, открыл Закон всемирного тяготения, получив яблоком по голове. Из открытия Ньютона впоследствии родилось понятие о гравитации как об одном из основных (фундаментальных) взаимодействий между материальными телами.
Столетия спустя открыто электрическое, или электромагнитное, взаимодействие: одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются.
- Путём многолетних исследований было осознано, что переносчиком этого взаимодействия являются безмассовые частицы — фотоны, — объяснял в интервью «Компьютерре» Юрий Тихонов, заместитель директора Института ядерной физики имени Г.И. Будкера СО РАН. — Но в процессе развития физики выяснилось, что есть и другие типы взаимодействий.
В настоящее время физика рассматривает как данность четыре
фундаментальные взаимодействия: упомянутые уже гравитационное и электромагнитное, а также так называемые сильные и слабые взаимодействия, проявляющиеся на субатомном уровне.
- Было доказано, что эти взаимодействия между собой очень сильно связаны. Их объединение и привело к появлению электрослабой, или Стандартной, модели, — рассказывает Юрий Тихонов. — Слово «Стандартная» появилось случайно. Это означает, на мой взгляд, что это устоявшаяся красивая теория. Попытки объединения электрических и слабых сил были очень продуктивны, но в любой теории есть свои вопросы. Чтобы она была самосогласованной и в ней не было внутренних противоречий, потребовалось ввести ещё одно поле — скалярное, или Хиггсовское, которое взаимодействует и с электромагнитным, и со слабым полем. С ним электрослабая модель становится согласованной, в ней исчезают расходимости, и это само по себе — большое достижение теории.
В самом деле, физики ценят Стандартную модель за её экспериментальную точность: во всём, что можно было проверить опытным путём, Стандартная модель демонстрирует фантастический уровень совпадения теоретическим ожиданиям.
Сотрудник ЦЕРНа Александр Ерохин поясняет:
- Существует предположение, что все частицы в первые мгновения после Большого Взрыва не обладали массой. С охлаждением Вселенной температура упала ниже некоторой критической величины, так что сформировалось так называемое поле Хиггса, ассоциированное с бозонами Хиггса. С распространением поля Хиггса во Вселенной любая частица, взаимодействуя с бозоном Хиггса, приобретала массу. Чем больше частица взаимодействовала в поле Хиггса, тем большей массой она наделялась.
Проблема в том, что бозон Хиггса сам по себе до сих пор найти не удавалось. Не удавалось даже выявить диапазон масс, к которому может принадлежать этот бозон. По словам Ерохина, если бы частицу не удалось найти и на Большом адронном коллайдере, то можно было бы считать, что её масса находится «вне диапазона 14ТэВ».
Надеясь ответить на вопросы, связанные с существованием массы у элементарных частиц и колоссальным разбросом таковых, британский физик Питер Хиггс в 1960-е годы предложил механизм спонтанного нарушения калибровочной симметрии: в этом механизме вводится специальная зависимость потенциала скалярного поля от величины поля, которая симметрична и является неустойчивой. Неустойчивое состояние не может сохраняться долго и очень быстро переходит в состояние с минимальной энергией.
- Явление спонтанного нарушения симметрии, то есть явление, при котором зависимость поля от потенциала становится несимметричной, получило название механизма Хиггса. Безмассовые поля (векторные бозоны) поглощают часть скалярного поля и приобретают массу. Оставшееся скалярное поле также имеет массу и проявляет себя как новая скалярная частица — бозон Хиггса, — уточняет Юрий Тихонов. — Обнаружение бозона Хиггса будет являться основным доказательством, что этот механизм правильный, что природа устроена именно так, как мы думаем. Теория не исключает нескольких Хиггсовских бозонов".
Мировая наука готова на многое, чтобы проверить правильность теорий об устройстве Вселенной — или отвергнуть таковые. В принципе, от обнаружения/необнаружения бозона Хиггса зависело, насколько вообще современные научные представления о мироустройстве соответствуют (или не соответствуют) реальности. Пока больше похоже, что соответствуют в полной мере.
Большой адронный коллайдер
Ускорители заряженных частиц на встречных пучках (коллайдеры) — класс экспериментальных установок, предназначенных для наблюдения физических явлений на высоких энергетических значениях. Иначе говоря, элементарные частицы разгоняются до колоссальных скоростей, соударяются, далее исследуются продукты этих соударений.
