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

Кэрролл Шон

Кварки и электроны – вот это настоящие атомы в терминах Демокрита, то есть неделимые строительные блоки вещества. Сегодня мы называем их элементарными частицами. Из двух типов кварков, шутливо именуемых «верхними» и «нижними», образованы протоны и нейтроны в атомном ядре. Таким образом, в общей сложности нам понадобится всего лишь три вида элементарных частиц, чтобы составить каждый кусок вещества, из которого сделано все, что нас непосредственно окружает, – электроны, верхние кварки и нижние кварки. Это лучше, чем пять элементов древних греков, и намного лучше, чем больше сотни элементов периодической таблицы.

Сведение всех структурных элементов мира всего к трем частицам – это, конечно, слишком сильное упрощение. Да, электронов, верхних и нижних кварков достаточно для объяснения

существования автомобилей, рек и щенков, однако они не единственные обнаруженные учеными частицы. На самом деле есть двенадцать различных видов «частиц материи»: шесть сильно взаимодействующих между собой кварков, которые заперты внутри более сложных образований, таких как протоны и нейтроны, и шесть «лептонов», которые могут существовать и свободно перемещаться в пространстве независимо друг от друга. А еще есть частицы-переносчики взаимодействий, при помощи которых «частицы вещества» удерживаются вместе в тех разнообразных комбинациях, которые мы видим вокруг. Без частиц-переносчиков взаимодействий мир был бы поистине скучным местом – разные частицы просто летали бы в пространстве по прямым, не взаимодействуя друг с другом. Вот тот очень небольшой набор частиц, объясняющий все, что мы видим вокруг нас, но, честно говоря, хотелось бы, чтобы он был еще проще. Физики, работающие сейчас в области элементарных частиц, движимы желанием придумать что-то получше.

Бозон Хиггса

Вот и вся Стандартная модель физики элементарных частиц: двенадцать частиц вещества, плюс группа частиц-переносчиков взаимодействия, необходимых для удержания всех их вместе. Итак, мы собрали все элементы, необходимые для правильного описания мира вокруг нас, по крайней мере здесь, на Земле. Однако когда мы говорим о космосе, то сталкиваемся со свидетельствами существования таких субстанций, как темная материя и темная энергия, постоянно напоминающих нам о том, что мы далеко не все еще понимаем. Эти явления совершенно точно не могут быть объяснены в рамках Стандартной модели.

Почти все частицы Стандартной модели четко делятся на «частицы вещества» и «частицы-переносчики взаимодействий». А вот бозон Хиггса не принадлежит ни одной из этих категорий, он вроде как гадкий утенок среди лебедей. Он был назван в честь шотландского физика Питера Хиггса, который почти одновременно с еще несколькими учеными предложил идею этого бозона еще в 1960-х годах. Переходя на профессиональный язык, можно сказать, что эта частица – переносчик качественно другого взаимодействия, отличающегося от остальных хорошо знакомых нам взаимодействий. С точки зрения физика-теоретика, бозон Хиггса кажется причудливой искусственной вставкой, нарушающей выстроенную красивую структуру. Без бозона Хиггса Стандартная модель была бы воплощением элегантности и совершенства, а его присутствие порождает некоторый хаос, причем найти виновника этого хаоса оказалось довольно сложной задачей.

Так почему же большинство физиков убеждено, что бозон Хиггса должен существовать? Вы можете услышать объяснения типа: «чтобы дать массу другим частицам» или «чтобы разрушить симметрию». Оба объяснения правильны, но с первого раза их трудно воспринять. Главное в том, что без бозона Хиггса Стандартная модель выглядела бы совсем иначе и не описывала бы реальный мир. А с бозоном Хиггса она отражает реальность идеально.

Конечно, физики-теоретики старались изо всех сил, чтобы придумать теории, вообще обходящиеся без бозона Хиггса, либо такие, где этот бозон сильно отличается от описываемого стандартными теориями. Многие из этих теорий потерпели фиаско, не сумев объяснить реальные данные, другие оказались излишне сложными. Ни одна не дотянула до статуса настоящей альтернативной теории.

А теперь мы нашли этот бозон. Или что-то очень похожее на него. В зависимости от того, насколько осторожны физики в своих выводах, они говорят: «Мы обнаружили бозон Хиггса», либо: «Мы обнаружили частицу, похожую на бозон Хиггса», либо даже: «Мы обнаружили частицу, которая напоминает Хиггса». В объявлении от 4 июля 2012 года была описана частица, которая ведет себя почти так, как должен вести себя бозон Хиггса – распадается на несколько

других определенных частиц более или менее теми самыми способами, которые и прогнозировались. Но закрывать вопрос еще рано, и когда наберется больше данных, вполне возможны сюрпризы. В глубине души физики не хотят, чтобы это был точно тот Хиггс, которого ждали. Всегда интереснее и увлекательнее найти что-то неожиданное. И уже сейчас в собранных данных есть слабенькие основания для сомнений. Только дальнейшие эксперименты откроют истину…

Почему это важно

Однажды в интервью местной радиостанции я рассказывал о физике элементарных частиц, гравитации, космологии и тому подобном. Это был 2005 год – столетний юбилей Года чудес, того самого 1905 года, в течение которого Альберт Эйнштейн опубликовал сразу несколько работ, перевернувших многие понятия в физике с ног на голову. Я старался изо всех сил, пытался как можно доходчивей объяснить некоторые из этих довольно абстрактных концепций и, даже понимая, что я на радио, а не в телестудии, не мог удержаться и размахивал руками.

Интервьюер казался довольным, но после того, как мы закончили, и он уже убирал свою аппаратуру, ему в голову пришла новая мысль. Он спросил, не мог бы я ответить еще на один вопрос. Конечно, буду рад, сказал я, и он опять вытащил микрофон и наушники. Вопрос был простым: «Почему все, о чем вы рассказывали, должно быть кому-то интересно? Ведь в конце концов ни одно из этих исследований не поможет создать лекарство от рака и не сделает смартфон дешевле».

Ответ, который тогда пришел мне в голову, до сих пор кажется мне не лишенным смысла: «В шесть лет у всех детей возникает много вопросов. Почему небо голубое? Почему вещи падают? Почему некоторые предметы горячее, а другие холоднее? Как это все устроено?» Детей не нужно заставлять интересоваться наукой – они по своей природе стихийные ученые. Это врожденное любопытство выбивают из нас годы школьного обучения и тяготы повседневной жизни. Нас волнует, как устроиться на работу, встретить свою половинку, вырастить детей. Мы перестаем спрашивать, как устроен мир, и начинаем спрашивать, как заставить его работать на себя. Позже я нашел результаты исследований, показывающие, что дети интересуются наукой лишь до 10-14-летнего возраста.

Сегодня, после более 400 лет серьезных научных исследований, мы получили довольно много ответов на вопросы шестилетнего ребенка, живущего внутри каждого из нас. Мы знаем так много о физическом мире, что ответы на оставшиеся неотвеченными вопросы придется искать в очень удаленных местах и экстремальных условиях, во всяком случае в физике. Правда, в таких областях, как биология или нейронауки, точных ответов совсем мало. Но физика, по крайней мере ее часть – физика элементарных частиц, имеющая дело с фундаментальными строительными блоками материи – отодвинула границы познанного столь далеко, что теперь приходится строить гигантские ускорители и телескопы, чтобы искать новые данные, которые не укладываются в наши существующие теории.

Но нужно сказать, что фундаментальные научные исследования, проводимые только ради любопытства, а не для сиюминутной выгоды, ненароком приводят к огромному материальному выигрышу. Еще в 1831 году некий любознательный политик спросил Майкла Фарадея, одного из основателей нашей современной теории электромагнетизма, о пользе, которую можно извлечь из этой новомодной штуки – «электричества». Согласно апокрифу, тот дал следующий ответ: «Я про пользу ничего не знаю, но бьюсь об заклад, что в один прекрасный день ваше правительство обложит его налогом». (Точных доказательств такого обмена репликами нет, но это достаточно красивая история, раз люди продолжают ее рассказывать.) Столетие спустя некоторые величайшие умы того времени, озадаченные загадочными экспериментальными результатами, ниспровергающими базовые основы классической физики, приступили к созданию квантовой механики. В то время она была довольно абстрактной наукой, но впоследствии привела к изобретению транзисторов, лазеров, сверхпроводимости, светодиодов, а также к появлению ядерной энергетики (и ядерного оружия). Без этих фундаментальных исследований наш мир сегодня выглядел бы иначе.