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

Кэрролл Шон

Открыл заседание Рольф Хойер, генеральный директор ЦЕРНа. Объявлено, что будет два доклада – американского физика Джо Инкандела и итальянского физика Фабиолы Джанотти, руководителей двух основных экспериментов, занимавшихся сбором и анализом данных на двух самых больших детекторах БАКа. Каждая из этих коллабораций включает более трех тысяч сотрудников, большая часть которых работала на своих компьютерах, сидя в самых разных частях света. Заседание транслировалось в прямом эфире не только в Мельбурне – его смог посмотреть каждый человек на планете, пожелавший услышать доклады. Для этого праздника Большой науки, призванного отметить грандизное достижение, потребовавшего огромной высококвалифицированной работы всего международного

сообщества, ставки в которой были высоки, а призы – достойны, круг участников был выбран правильно.

Заметно было, что нервничали оба докладчика – и Джанотти, и Инкандела, но их презентации говорили сами за них. Каждый вначале выразил сердечную благодарность многочисленным инженерам и ученым, которые участвовали в проведении экспериментов. Затем Джанотти и Инкандела подробно объяснили, почему следует верить результатам, о которых они собираются рассказать, продемонстрировав, что они отлично знают, как работают их установки. И только после того, как была безукоризненно изложена эта часть, докладчики показали, что же все-таки было найдено.

И вот они – эти результаты. Несколько графиков, которые покажутся неискушенному взгляду неинтересными, но на них видна систематически повторяющаяся особенность: при некоторых определенных энергиях видно большее количество событий (наборов частиц, образующихся при одном столкновении), чем ожидалось. Все физики в аудитории немедленно понимают, что это значит: появилась новая частица. Действительно, на Большом адронном коллайдере обнаружено уникальное явление природы, которое никогда до этого не видели! Инкандела и Джанотти объясняют, какой кропотливый статистический анализ был проведен для того, чтобы отделить реальные события от случайных статистических флуктуаций. Результаты в обоих случаях недвусмысленно доказывают: эффект реально есть.

Раздались аплодисменты. И в Женеве, и в Мельбурне, и по всему миру. Результаты были такими точными и прозрачными, что даже ученые, многие годы занимавшиеся экспериментом, были поражены. Лин Эванс – физик из Уэллса, который более чем кто-либо другой сделал для того, чтобы без потерь провести этот гигантский корабль – БАК – через рифы к конечной цели, заявил, что он «ошеломлен» превосходным согласием между двумя экспериментами.

Я сам, притворившись журналистом, был в этот день в пресс-центре ЦЕРНа, рядом с главной аудиторией. Журналисты как правило не аплодируют новостям, которые они освещают, но в тот день собравшиеся в пресс-центре тоже поддались захлестнувшим всех эмоциям. Это был не просто успех ЦЕРНа и физики в целом – это был успех всего человечества.

Мы полагаем, что понимаем, что нашли, а именно – элементарную частицу, называемую бозоном Хиггса в честь шотландского физика Питера Хиггса. Хиггс сам тогда находился в ЦЕРНе, в аудитории для семинаров. Ему к тому времени исполнилось 83 года. Он был заметно растроган и все повторял: «Никогда не думал, что увижу это на своем веку». Здесь же присутствовали и еще несколько пожилых физиков, предложивших, как и Хиггс, похожие идеи в том же 1964 году. Не всегда ясно, почему теории называются так или иначе, и это не всегда бывает справедливо, но в тот торжественный момент успех всех объединил.

Так что же такое бозон Хиггса? Это фундаментальная частица природы, которых не так-то и много, но это еще и частица особого рода. Современная физика элементарных частиц знает всего три вида частиц. Есть частицы вещества – такие, как электроны и кварки, составляющие атомы, из которых в свою очередь состоит все, что мы видим вокруг. Есть частицы-переносчики взаимодействия – гравитационного, электромагнитного и ядерного, – которые заставляют частицы вещества держаться вместе. И, наконец, есть бозон Хиггса, образующий свою собственную особую категорию.

Важность бозона Хиггса не в том, что он есть, а в том, что он делает. Частица Хиггса

возникает в поле, пронизывающем все пространство, называемом полем Хиггса. В известной нам Вселенной все, что проходит сквозь пространство, движется в поле Хиггса, которое есть везде и всегда. На общим фоне его не видно, однако оно очень важно: без него электроны и кварки были бы безмассовыми, как безмассовы фотоны – частицы света. Они бы летали со скоростью света, не взаимодействовали бы друг с другом, и было бы невозможно собрать их в атомы и молекулы, не говоря уже о том, что жизнь в нашем ее понимании была бы абсолютно невозможна. Поле Хиггса не играет активной роли в поведении обычной материи, но его присутствие в виде фона играет ключевую роль. Без него мир бы был другим. И вот теперь мы это поле нашли.

Несколько слов в порядке предостережения. То, что мы нашли, на самом деле свидетельствует о существовании частицы, очень похожей на бозон Хиггса. Она имеет правильную массу, рождается и распадается примерно так, как, по нашим представлениям, должен вести себя бозон Хиггса. Но еще слишком рано говорить с уверенностью, что мы обнаружили именно тот самый простой бозон Хиггса, предсказанный первоначальными теориями. Это может быть что-то более сложное, или эта частица может быть частью сложного набора связанных между собой частиц. Однако ученые определенно нашли некую новую частицу, и она ведет себя так, как, мы думаем, должен себя вести бозон Хиггса. В этой книге я буду считать 4 июля 2012 года днем объявления об открытии бозона Хиггса. Если реальность окажется более сложной, тем лучше для всех – физики же жить не могут без сюрпризов.

Ученые очень надеются, что открытие бозона Хиггса явит собой начало новой эры в физике элементарных частиц. В науке есть много такого, что мы сейчас не понимаем, а изучение бозона Хиггса может приоткрыть окно в новый, невиданный мир. Экспериментаторы, и среди них Джанотти и Инкандела, получили новый объект для изучения, а теоретики вроде Хьюэтт – новые подсказки для построения более совершенных моделей. Мы сделали огромный шаг вперед в понимании Вселенной, которого долго ждали.

Эта книга – о людях, которые посвятили свою жизнь изучению основ нашего мира, где бозон Хиггса является важнейшим элементом. О теоретиках, которые сидят за столами с ручками и бумагой и прокручивают в своих головах абстрактные идеи, черпая энергию в чашечках эспрессо и жарких спорах с коллегами. Об инженерах, конструирующих установки, напичканные электроникой, превосходящей по уровню сложности все существующие технологии. И, самое главное, об экспериментаторах, стремящихся открыть что-то новое, объединив мощь ускорителей и теоретических идей. Современная физика – та, что находится на переднем крае науки, – двигается вперед благодаря проектам, стоящим миллиарды долларов и длящимися десятилетия, требующим исключительной самоотдачи и готовности к высоким рискам ради познания мира – награды, с которой ничто не может сравниться. Когда все это сходится вместе, мир меняется.

Жизнь хороша! Так давайте выпьем еще один бокал шампанского.

Глава 1

Зачем нужна физика элементарных частиц

Мы задаемся вопросом: почему группа талантливых и преданных своему делу людей готова посвятить жизнь погоне за такими малюсенькими объектами, которые даже невозможно увидеть?

Физика элементарных частиц – странное занятие. Тысячи людей тратят миллиарды долларов на строительство гигантских машин длиной в десятки километров, разгоняют в них субатомные частицы до скоростей, близких к скорости света, а затем сталкивают друг с другом – и все это для того, чтобы обнаружить и изучить другие субатомные частицы, которые совершенно никому, кроме физиков элементарных частиц, не интересны и в обычной жизни совершенно не нужны.