Бозон Хиггса

В гиде On the Edge, который мы подготовили вместе с Отделом культуры и образования Посольства Великобритании в Москве, профессора из ведущих британских университетов объясняют 15 главных научных тем, которые должен понимать каждый образованный человек. Следите за новостями проекта и будьте на крае науки вместе с нами.

Почему атомы существуют? Почему радиоактивность основана на таком слабом взаимодействии? Если бы оно не было таким слабым, жизнь была бы невозможна. Мы знаем, что атомы состоят из электронов, формирующих облако вокруг ядра. Но почему они удерживаются вместе и образуют облако? Почему они не разлетаются? Если бы у них не было массы, они бы всегда двигались со скоростью света, и было бы невозможно удержать их рядом с ядром, чтобы получились атомы. Итак, нам нужно понять, откуда берется масса электрона. Почему слабое взаимодействие, которое отвечает за радиоактивность, такое слабое? Потому что частица слабого взаимодействия очень тяжелая. Почему она тяжелая? Откуда берется ее масса? Это и есть большая загадка, с которой столкнулись физики в 1960-х годах: откуда берутся массы частиц?

Питер Хиггс с коллегами в 1964 году предложил теорию, согласно которой должно существовать поле, пронизывающее все пространство, и должен существовать квант этого поля, который стали называть бозоном Хиггса. Этот бозон Хиггса был открыт в ЦЕРН, на Большом адронном коллайдере, в 2012 году.

Вернемся в 1964 год. В то время ученые только начали понимать то, что сегодня мы называем Стандартной моделью физики элементарных частиц, которая вывязана на моей жилетке. Мы знали об электронах, начали понимать, что в атомных ядрах есть кварки, и только начали составлять теории фундаментальных взаимодействий — как на верхней строчке жилетки. Но была одна загадка: откуда берутся массы этих частиц? Несколько групп физиков-теоретиков работали над этой проблемой. Они заимствовали идеи из других областей физики, в частности из теории сверхпроводимости, и переносили эти идеи в физику элементарных частиц. Один из самых известных таких ученых — Питер Хиггс, но он не был первым. Незадолго до него два бельгийских физика, Франсуа Энглер и Роберт Браут, предложили похожую идею, а затем последовали и многие другие.

В чем же состоит эта идея? Всем нам знакомо понятие поля. Мы говорим о наличии гравитационного поля: гравитационное поле Солнца удерживает Землю на ее орбите. Нам знакомо понятие электромагнитного поля: мы знаем, что электрический заряд генерирует поле, что противоположные электрические заряды притягиваются, а одноименные отталкиваются. Мы привыкли к этой идее — поле, пронизывающее все пространство. Энглер, Браут и Хиггс предложили новый тип поля, который на моей жилетке обозначен буквой φ, и он отличается от гравитационного и электромагнитного полей. Это поле постоянно во всем пространстве, одинаковое во всех направлениях, полностью гомогенно и изотропно и пронизывает всю Вселенную. Согласно этой теории, частицы получают массу от взаимодействия с этим полем.

Я не буду описывать математику этой теории, а вместо этого приведу вам аналогию. Представьте себе, что вы попали в Сибирь в середине зимы. Везде лежит слой снега, абсолютно везде. Представьте, что вы хотите пересечь Сибирь. Если вам повезло, у вас есть лыжи, и вы сможете очень быстро ехать по поверхности снега. Так же и с частицами: например, фотон, частица света, не взаимодействует с полем Хиггса и всегда движется с одной и той же высокой скоростью — как лыжник едет очень быстро, поскольку он не проваливается в снег. Точно так же и фотон не взаимодействует с этим хиггсовским снежным полем. Возможно, у вас нет лыж, а есть снегоступы. В этом случае вы будете идти медленнее, вы будете проваливаться в снег — это как частица, которая взаимодействует с полем Хиггса, а поскольку она с ним взаимодействует, она движется медленнее, у нее есть масса, и скорость ее движения меньше, чем скорость света. Разумеется, вы можете попытаться пересечь Сибирь просто в сапогах, но в этом случае вы будете идти очень-очень медленно, поскольку вы будете сильно взаимодействовать со снежным полем. Так же и с частицами: такие частицы очень сильно взаимодействуют с этим всеобщим хиггсовским полем, и их скорость всегда намного ниже скорости света. Такова теория: ваша масса зависит от того, насколько сильно вы взаимодействуете с этим полем Хиггса. Математически это представлено на третьей строчке моей жилетки.

Как можно проверить эту идею? Из чего сделан снег, что является квантом снега? Снежинка. Аналогично есть и квант, то есть наименьшая составляющая поля Хиггса. Его мы называем бозоном Хиггса, поскольку среди всех, кто предложил эту идею в 1964 году, только Хиггс подчеркнул, что такая частица обязательно должна существовать. Разумеется, бывают снежинки разной формы, и это связано с тем, что они сделаны из молекул воды, которые можно соединить в разных конфигурациях. Точно так же мы до сих пор спорим: есть только один бозон Хиггса или существует много разных типов бозона Хиггса или связанных с ним частиц, которые сделаны путем перегруппировки каких-то более элементарных составляющих? Пока что мы видели только один бозон Хиггса, и похоже, что это элементарная частица.

Эту идею предложили в 1964 году, и тогда на нее не обратили особого внимания. Вместе с коллегами — Мэри Гайар и Димитрисом Нанопулосом — в 1975 году мы, видимо, первыми системно посмотрели на бозон Хиггса и попытались понять, как бы он выглядел в экспериментах. Тогда, в 1970-х годах, эти идеи все еще казались спекулятивными, и мы написали в нашей работе, что не хотим поощрять большие эксперименты по поиску этой частицы. К счастью, нас не послушали, и в 1990–2000-х годах в ЦЕРН построили Большой адронный коллайдер, в котором на высоких энергиях сталкиваются протоны, в результате чего могут получаться различные частицы. У этого проекта было много других научных задач, но одна из главных — попробовать найти бозон Хиггса и установить раз и навсегда, существует ли эта мифическая частица. В 2010 году на Большом адронном коллайдере начали проводить столкновения частиц при высоких энергиях. Постепенно, в 2011 — начале 2012 года, стали расходиться слухи о том, что, возможно, в двух экспериментах — ATLAS и CMS — мы увидели что-то, что может быть бозоном Хиггса. Наконец, 4 июля 2012 года в ЦЕРН был проведен крупный семинар, где эксперименты ATLAS и CMS объявили, что открыли новую частицу, свойства которой, по-видимому, соответствуют бозону Хиггса. Как вы можете себе представить, это было большое событие в мире физики элементарных частиц. Питер Хиггс приехал на объявление этих результатов, и у него на глазах были слезы. Позднее он сказал, что никогда не думал, что эту частицу откроют при его жизни.

Мы знали, что 4 июля 2012 года мы открыли новую частицу, но не могли быть уверены, что это именно бозон Хиггса: нужно было проверить, что она обладает всеми нужными свойствами. Например, она должна взаимодействовать с другими частицами пропорционально их массе. Нам нужно было это проверить, и вместе с моим студентом Тевонгом Ю мы проанализировали все данные — все выглядело верно. Были и другие свойства бозона Хиггса, которые нужно было проверить. Наконец, в 2013 году все были убеждены. Питер Хиггс и Франсуа Энглер в 2013 году получили Нобелевскую премию.

Теперь у нас на руках есть эта частица — бозон Хиггса. Мы проверяем ее свойства, чтобы узнать, нет ли каких-либо отклонений от предсказаний Стандартной модели, и смотрим, нет ли других бозонов Хиггса. Мы также хотим понять, почему у бозона Хиггса именно такая масса. Все это открытые вопросы, которые нужно будет изучить в будущем.