Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира

Кэрролл Шон

Для достижения огромных скоростей в ускорителях используется основное свойство заряженных частиц (например, электронов и протонов): с помощью электрических и магнитных полей их можно ускорить и заставить вращаться. На практике мы используем электрические поля для ускорения частицы до все более высоких скоростей, а магнитные поля – чтобы удерживать их на нужных траекториях, например внутри образующих кольца труб Беватрона или БАКа. С помощью тонкой настройки этих полей, толкающих частицы вперед и удерживающих на нужных траекториях, физики могут искусственно создать такие условия, которые в естественных условиях на Земле не встречаются. (Космические лучи могут обладать даже большей энергией, но такие частицы долетают до нас редко, и их трудно наблюдать.)

Влияние

магнитного поля на движение частиц.

Если магнитное поле направлено вверх, оно закручивает положительно заряженные частицы против часовой стрелки, а отрицательно заряженные частицы – по часовой стрелке.

На нейтральные частицы оно вообще не действует.

Неподвижные частицы тоже остаются в покое.

Технологическая задача ясна: ускорить частицы до максимально возможной энергии, столкнуть их друг с другом и посмотреть, какие новые частицы при этом образуются. Каждый из этих этапов труден. БАК представляет собой кульминацию усилий, длившихся не одно десятилетие, в течение которых человечество училось строить все большие и лучшие ускорители.

E = mc?

Когда на Беватроне получили антипротоны, это случилось не потому, что антипротоны прятались в протонах или в соответствующих атомных ядрах, а их оттуда выбили. Наоборот, новые частицы родились именно в результате столкновений. На языке квантовой теории поля говорят так: волны, представляющее исходные частицы, возбудили новые колебания в антипротонном поле, которые мы как раз и считаем частицами-антипротонами.

Для того чтобы это произошло, должно хватить энергии, и это – важнейшее условие. На самом деле физика элементарных частиц началась после появления знаменитого уравнения Эйнштейна E = тc?, из которого стало ясно, что масса – это просто другая форма существования энергии. В частности, масса объекта – эта та минимальная энергия, которую объект может иметь. Когда кто-то просто сидит совершенно неподвижно, погруженный в свои мысли, количество энергии, которым он обладает, равно его массе, умноженной на квадрат скорости света. Скорость света с – довольно большое число, она равна 300 000 километров в секунду и здесь просто играет роль коэффициента при преобразовании единиц измерений массы в единицы энергии. В физике элементарных частиц любят использовать единицы, где скорость измеряется в количестве световых лет, пройденных за год, и в этом случае скорость света с равна единице, а масса и энергия просто становятся одной и той же величиной: E = т.

А когда объект движется? Иногда в дискуссиях о теории относительности говорят, что масса частицы растет при приближении ее скорости к скорости света, но это немного всех запутывает. Лучше считать массу объекта установленной раз и навсегда, а именно – энергией, которую тело имело бы, если бы не двигалось, а энергию – увеличивающейся по мере роста его скорости. При приближении скорости тела к скорости света с его энергия стремится к бесконечности. Это один из способов понять, почему скорость света является абсолютным пределом скорости, с которой тела могут двигаться, – ведь массивному телу для движения с такой скоростью требуется бесконечное количество энергии. (Безмассовые частицы, напротив, всегда движутся в точности со скоростью света.) Когда ускоритель частиц разгоняет протоны до все больших энергий, их скорость все больше приближается к скорости света, никогда ее не достигая.

Используя магию этого простого уравнения, E = те?, физики получают тяжелые частицы из более легких. При столкновениях сохраняется общая энергия, но не общая масса. Масса – это лишь одна из форм энергии, а энергия может быть преобразована из одной формы в другую при условии, что полная энергия остается постоянной. Когда два протона встречаются на больших скоростях, они превратятся в более тяжелые частицы, если их суммарная энергия достаточно велика. Мы даже можем столкнуть совершенно безмассовые частицы и создать из них массивные;

два столкнувшихся фотона могут породить электрон-позитронную пару, а два безмассовых глюона, встретившись, породить бозон Хиггса, если только их совокупная энергия больше массы бозона. Бозон Хиггса более чем в сотню раз тяжелее протона, и это – одна из причин того, почему его так трудно получить.

Шкала энергий в электронвольтах. Некоторые значения – приблизительные. В физике элементарных частиц температуру, массу и энергию измеряют в одних и тех же единицах – электронвольтах. Используются также миллиэлектронвольт (1/1000 эВ), кэВ (1000 эВ), МэВ (миллион эВ), ГэВ (миллиард эВ) и ТэВ (триллион эВ).

Физикам, занимающимся элементарными частицами, нравится использовать единицы измерения, в которых посторонние не видят никакого смысла, еще и потому, что это создает ауру таинственности вокруг их деятельности. Кроме того, было бы страшно неудобно использовать одни единицы для массы, а другие – для других видов энергии, так как они постоянно преобразуются друг в друга. Вместо этого всякий раз, когда мы имеем дело с массой, мы просто сразу умножаем ее величину на квадрат скорости света, чтобы превратить в энергию. Таким образом, мы можем измерять все в единицах энергии, что гораздо удобнее.

Излюбленная единица энергии для физиков, работающих с элементарными частицами, – электронвольт, эВ. Один эВ – это количество энергии, которое потребуется для перемещения одного электрона в электростатическом поле между точками с разностью потенциалов в один вольт. Другими словами, требуется девять электронвольт энергии для перемещения электрона с положительного на отрицательный электрод девятивольтового аккумулятора.

Один электронвольт – совсем маленькая энергия. Энергия одного фотона видимого света составляет около двух электронвольт, в то время как кинетическая энергия летящего комара – около триллиона эВ. Количество энергии, которое можно получить, сжигая галлон (примерно 4,5 литра) бензина – больше 10²⁷ эВ, а количество питательной энергии в бигмаке (700 калорий) составляет около 10²⁵ эВ. Таким образом, один эВ – действительно небольшая энергия.

Поскольку масса является формой энергии, физики и массы элементарных частиц измеряют в электронвольтах. Массы протона или нейтрона равны почти миллиарду электронвольт, в то время как масса электрона – полмиллиона эВ. Масса бозона Хиггса, как показало его открытие на БАКе, равна 125 миллиардов эВ. Поскольку один эВ так мал, мы часто используем более удобную единицу – ГэВ, гигаэлектронвольт (один миллиард эВ). Можно также встретить обозначение кэВ для килоэлектронвольт (одна тысяча эВ), МэВ для мегаэлектронвольт (один миллион эВ) и ТэВ для тераэлектронвольт (один триллион эВ). В 2012 году на БАКе столкнулись протоны с суммарной энергией 8 ТэВ, а планируемый максимум энергий для этого ускорителя составляет 14 ТэВ. Это более чем достаточная энергия для того, чтобы родились бозоны Хиггса и другие экзотические частицы, проблема лишь в том, как их обнаружить, когда они появятся.

Можно даже температуру выражать в эВ, поскольку температура – всего лишь средняя энергия молекул в веществе. В таких единицах комнатная температура равна двум сотым электронвольта, а в центре Солнца – около 1 кэВ. Когда температура становится выше массы некоторой частицы, энергия при столкновениях достаточна для создания этой частицы. Даже в центре Солнца, где довольно жарко, температура не столь высока, чтобы рождались электроны (0,5 МэВ), а тем более протоны или нейтроны (массы обоих примерно равны 1 ГэВ), зато в момент Большого взрыва температура была огромной, и этой проблемы не возникало.

Если природа захочет спрятать от нас частицу, самый простой способ – сделать ее такой тяжелой, чтобы мы не смогли произвести ее в лаборатории. Вот почему при строительстве ускорителей всегда преследовалась одна и та же цель – добиваться все более высоких энергий, и вот почему эти установки получают имена вроде Беватрона и Теватрона. Достичь беспрецедентно высоких энергий – все равно что попасть в место, где никто до этого никогда не был.

Европа вырывается вперед