Бозон Хиггса. От научной идеи до открытия «частицы Бога»

Бэгготт Джим

Все это не предвещало ничего хорошего. Британия еще оправлялась от последствий глобальной рецессии, наступившей после падения фондового рынка в октябре 1987 года, и с трудом могла позволить себе ежегодно вкладывать в ЦЕРН 55 миллионов фунтов. Хотя физики могли указать на многие дополнительные выгоды от ЦЕРНа, например проект присоединения к гипертекстовому Интернету, в результате чего Тим Бернерс-Ли изобрел Всемирную паутину в 1990 году, пожалуй, объяснить, каким образом открытие бозона Хиггса непосредственно улучшит накопление богатств и качество жизни британского народа, было трудновато.

К счастью, физиков еще не просили делать подобного рода обоснования. Но Уолдгрейв ясно дал понять, что им придется очень постараться, чтобы объяснить, чего такого они пытаются добиться.

Что это за штука, которую называют бозоном Хиггса?

Чем она так важна, что нужно тратить миллиарды долларов только ради того, чтобы ее найти? «Если вы поможете мне в этом разобраться, у меня будет больше шансов помочь вам получить деньги на его поиски», – сказал Уолдгрейв слушателям на ежегодной конференции британского Института физики [140] . Он сказал, что если бы ктонибудь простым английским языком, на одном листе бумаги объяснил, из-за чего весь сыр-бор, тогда он подарил бы ему бутылку винтажного шампанского.

140

Waldegrawe W. // Sample. P. l63.

Разумеется, весь сыр-бор поднялся из-за того, что поле Хиггса стало играть ключевую роль в Стандартной модели. Без поля Хиггса не нарушилась бы электрослабая симметрия [141] . Без нарушения симметрии W– и Z-частицы были бы безмассовыми, как фотон, и электрослабое взаимодействие было бы объединено. Без взаимодействия между элементарными частицами и полем Хиггса не было бы массы: ни материи, ни звезд, ни планет, ни жизни. А прямо доказать существование этого поля можно было, только найдя частицу этого поля – бозон Хиггса. Найдите бозон Хиггса, и мы тут же узнаем гораздо больше об истинной природе материального мира.

141

Строго говоря, это не совсем так. Класс «техницветовых» теорий вводит новые экстрасильные взаимодействия, которые также могут производить нарушение электрослабой симметрии. Они могут объяснить массы частиц W и Z, но плохо предсказывают массы кварков. Поэтому механизм Хиггса пользуется большей популярностью (Стивен Уайнберг, из личной переписки, 24 февраля 2011).

Чтобы объяснить механизм Хиггса простым языком, понятным даже политику, требовалась простая аналогия. Дэвид Миллер, профессор физики элементарных частиц и астрономии в Университетском колледже Лондона, посчитал, что он нашел именно такую. Он решил, что достаточно будет небольших косметических изменений и у него получится живая картина, если он воспользуется опытом самого Уолдгрейва, опытом общения с выдающейся личностью, которая еще недавно господствовала в британской политике: бывшим премьер-министром Маргарет Тэтчер. Он написал [142] :

142

Заявку Дэвида Миллера можно увидеть по адресу:ucl.ac.uk/~djm/higgsa.html. Цитируется с разрешения.

«Представьте себе вечеринку с членами политических партий, которые равномерно распределены по комнате и все разговаривают с ближайшим соседом. Входит мадам бывший премьер-министр и идет по комнате. Все партийные функционеры, находящиеся радом, с силой притягиваются к ней и скапливаются вокруг нее. По мере движения она притягивает тех, к кому приближается, а те, кого она оставила, снова равномерно распределяются по комнате. Из-за того что вокруг нее все время скапливается толпа народа, она приобретает массу больше обычной, то есть у нее больший импульс при той же скорости движения по залу. При движении ее труднее остановить, а после остановки ее труднее заставить двигаться вновь, так как процесс скопления приходится начинать сначала. Это и есть механизм Хиггса в трех измерениях и с усложнениями, которое вносит принцип относительности.

Чтобы сообщить массу частицам, мы предположили фоновое поле, которое локально искажается, когда частица движется сквозь него. Искажение – скопление поля вокруг частицы – генерирует массу частицы. Возьмем пример прямо из физики твердых тел. Вместо

поля, распределенного по всему пространству, твердое тело содержит решетку положительно заряженных атомов кристалла. Когда электрон движется по решетке, атомы притягиваются к нему, отчего эффективная масса электрона становится в сорок раз больше массы свободного электрона.

Постулированное поле Хиггса в вакууме – своего рода гипотетическая решетка, пронизывающая нашу Вселенную. Оно необходимо нам, потому что иначе мы не можем объяснить, почему Z– и W-частицы, переносящие слабое взаимодействие, массивны, а фотон, переносящий электромагнитное взаимодействие, не имеет массы».

Так Миллер описал механизм, при помощи которого безмассовые элементарные частицы (которые в аналогии представляют Тэтчер) взаимодействуют с полем Хиггса (равномерным распределением партийных функционеров) и таким образом приобретают массу, как показано на рис. 20. Чтобы объяснить бозон Хиггса, Миллер продолжал:

«А теперь представьте, что по комнате с партийными функционерами прошел слух. Те, кто находится рядом с дверью, слышат его первыми и скапливаются в группу, чтобы узнать подробности. Потом они разворачиваются и переходят к ближайшим соседям, которым тоже хочется послушать. По комнате проходит волна скоплений. Она может распространиться до всех четырех углов или образовать компактный узел, который переносит новость по линии функционеров от двери до какого-то высокопоставленного лица по ту сторону комнаты. Так как информацию переносят скопления людей и так как именно скопления сообщали дополнительную массу бывшему премьер-министру, тогда скопления – переносчики слуха тоже имеют массу.

Рис. 20

Объяснение механизма Хиггса, которое использовал Дэвид Миллер в своей конкурсной заявке, занявшей первое место. По мере движения Маргарет Тэтчер через «поле» партийных функционеров поле скапливается вокруг нее, и движение замедляется. Так приобретается масса. Источник: © copyright CERN

Бозон Хиггса, как предсказано, является таким скоплением в поле Хиггса. Нам будет гораздо проще поверить, что поле существует и что механизм сообщения массы другим частицам верен, если мы увидим саму частицу Хиггса. И этому тоже есть аналогия в физике твердых тел. Кристаллическая решетка может переносить волны скоплений, и ей не требуется, чтобы электрон двигался и притягивал атомы. Эти волны могут вести себя так, как если были бы частицами. Они называются фотонами и тоже бозоны. Механизм Хиггса и поле Хиггса могут существовать в течение всей жизни нашей Вселенной, но при этом может не существовать бозона Хиггса. Это должно установить новое поколение коллайдеров».

Рис. 21 наглядно это иллюстрирует.

Уолдгрейв получил 117 заявок, что само по себе говорит о важности поисков. Вперед вышли пятеро, но сообщество физиков признало лучшей заявку Миллера. Миллер не забыл забрать свою бутылку «Вдовы Клико», хотя, по всей видимости, так его и не попробовал. «Моя жена, ее сестра и подружка моего сына выпили все шампанское», – рассказал он [143] .

Несмотря на стесненные обстоятельства, британское правительство продолжало вкладывать средства в ЦЕРН [144] .

143

Дэвид Миллер, из личной переписки, 4 октября 2010.

144

Чтобы представить себе, о каких суммах идет речь, поясню, что в 2011 году Великобритания перечислила ЦЕРНу 15 процентов, или 109 миллионов фунтов (174 миллиона долларов), что менее 2 фунтов в год на душу британского населения. «Это настоящие гроши, – сказал физик ATLAS и телеведущий Брайан Кокс. – На самом деле мы больше тратим на какие-то мелочи, чем на БАК» (Sunday Times. 2011. February 27).