Skip to content
 

Бозон Хиггса – неужели поймали?!

Удивительное дело! Для этой статьи не нашлось рубрики!

***

В декабре минувшего года две команды с Большого адронного коллайдера объявили, что, вроде бы, поймали бозон Хиггса. Надо мне об этом высказаться. Дело нешутейное, на карту поставлена судьба СТАНДАРТНОЙ МОДЕЛИ… чего? Можно сказать, всего.

Мало того, что надо высказаться – это ещё и нетрудно сделать.

Понятно, «Техника – молодёжи» мимо такого события пройти не могла. Ещё понятно, что готовка материалов досталась мне – ну, как же, научный, всё-таки, редактор.

Главред наш очень любит такие события – и настоящая наука, и гром на весь мир, вроде, всем интересно. И получился в журнале целый мешок материалов по «хигсу».

Нарыли две картинки у График Ньюс – у нас с ними договор, уплочено. Перевели надписи-подписи, они ж британцы. Она картинка – Стандартная модель, другая – как ловили «хиггса».

Наш постоянный корреспондент в Дубне – она сама редактор тамошней газеты, да к тому ж кандидат физ-мат. наук – прислала хорошую заметку про собственно Хиггса, бозон Хиггса и какое отношение имеет Дубна к бозону и к коллайдеру вообще.

Наш постоянный консультант по физике, мощнейший профессор Л.Г. Сапогин, спец по квантовой физике, сейчас – зав. кафедрой физики МАДИ, уважаемый за рубежом человек, прислал комментарий к событию в виде интервью. В том интервью он ругательски ругает всю затею с коллайдером, а также и Стандартную модель. Взамен неё у Л.Г. есть собственная, капитально проработанная, дающая удивительные результаты теория, благодаря которой он, собственно, и стал человеком, уважаемым за рубежом. Мы опубликовали его статью об этой теории в 2008 ещё году, но у нас серьёзных новаторов не уважают. За рубежом у Л.Г. – публикации в известнейших научных журналах, а у нас – только статья в «ТМ»…

Профессора просил высказаться я сам, и отнюдь о том не жалею.

И надо было всё это соединить – фактически, среди всего этого изобилия материала про собственно событие нету. И мне пришлось соединять – писать сравнительно небольшой и лёгкий для понимания текст.

И выпало это дело на новогодние каникулы.

И сел я смотреть информацию, и через пару часов понял, что небольшой материал – это неизбежно халтурка. Погоревал и решил: что ж, пусть будет так.

Стал писать, и к концу пришёл выводу, что – не такая уж и халтурка. Меня в этом поддержали наш уважаемый Denisator (спасибо ему огромное за помощь с блогом) и профессор Сапогин – я им отослал статью на рецензирование.

И вот теперь, вопреки правилам, я вывешиваю эту статью на блог до того, как она появится в журнале. Потому что она будет в февральском номере, а к этому времени запросы про «хиггса» из поисковиков совсем уйдут. Не могу я ждать. Ничего, меня простят… если ещё узнают. В конце концов, пошли же в «ТМ» из блога и «Три романтики…», и админский «Белфаст», и мой довесок к нему, и, может, ещё что-то, уж не помню.

А вот картинки График Ньюса я поместить не могу, на мой блог договор не распространяется. Но вы не печальтесь. Из них втора – как ловили Хиггса – малоинтересная, а первую я заменил нормальным эквивалентом из Сети. Вместо второй тоже поставил, но это в основном для антуража.

Ну вот, теперь читайте. Изменения я внёс минимальные, а вот заглавие опускаю, чтоб совсем совесть не терять.

***

Что это за фигня такая – бозон Хиггса? С какого перепугу его называют «частицей бога»?

Во-первых, «частицей бога» его называют, возможно, неправильно: в заголовке книги нобелевского лауреата Леона Ледермана он назван «god particle», а это может быть и «частица бога», и «частица-бог».

Во-вторых, может быть, это всё-таки правильно. Говорят, физики не любят эту дефиницию, но факт остаётся фактом: без бозона Хиггса Стандартная модель рассыпается…

Единственное недостающее звено Стандартной модели!

Хорошо; а что это такое – Стандартная модель (СМ)?

Это исключительно удачная описательная теория мира элементарных частиц. На её основе можно делать расчёты, сравнение которых с тысячами разных экспериментальных результатов даёт хорошие, часто восхитительно хорошие совпадения – за исключением некоторых случаев, которых было очень мало, но становится всё больше.

Несмотря на это, а также на то, что в СМ не присутствует гравитация, её общепринято считать наилучшим из существующих сегодня «портретов» самого глубокого из доступных для изучения уровней материального мира.

Вот как её изображают в лаконическом виде.

Стандартная модель

Я не буду всё переводить, ладно? Впрочем…

Слева вверху написано Кварки, внизу – Лептоны.

Фиолетовые кварки, вертикальными парами, слева направо:

верхний и нижний, очарованный и странный, истинный и прелестный.

Зелёные лептоны:

Внизу, слева направо, электрон, мюон, таон. Над ними соответствующие им нейтрино.

Справа – красные калибровочные бозоны: фотон, глюон и три бозона слабого взаимодействия: Z, W+ и W–.

Всё, остальное – в тексте статьи. Я что посоветую: вы кликните по картинке, она откроется в соседней вкладке, и будете смотреть по мере надобности.

СМ постулирует, что все тяжёлые элементарные частицы – адроны – состоят из ещё более простых частиц, которые называют фундаментальными. В этой роли выступают кварки, которые не существуют в свободном состоянии, их свойства определяются путём расчётов через свойства адронов. Адроны способны участвовать во всех четырёх известных типах взаимодействий: сильном, электромагнитном, слабом и гравитационном.

Другой класс частиц – лептоны – не состоит из кварков; на сегодняшнем уровне знаний считается, что лептоны не имеют внутренней структуры. Все лептоны не участвует в сильных взаимодействиях, а нейтрино – и в электромагнитных.

Всего в СМ шесть кварков и шесть лептонов; они вступают между собой во взаимодействия, образуя всё вещество нашей Вселенной.

Взаимодействия, как уже сказано, бывают четырёх типов; за реализацию каждого из типов отвечают частицы – переносчики взаимодействия. Их называют калибровочными бозонами, хотя иные из них имеют «самостоятельные» названия; таковы, в частности, фотон и глюон.

Гравитационное взаимодействие универсально, в нём участвуют все тела в природе, от галактик до субатомных частиц. Однако для элементарных частиц силы гравитационного взаимодействия настолько малы, что их невозможно наблюдать; видимо, поэтому гравитационное взаимодействие не нашло себе места (пока?) в Стандартной модели. Соответственно, в основных её вариантах отсутствует и носитель этого взаимодействия – гравитон.

Сильное взаимодействие удерживает кварки в составе адронов, а также связывает протоны и нейтроны в ядре атома. Его переносчики называются глюонами.

Электромагнитное взаимодействие определяет структуру вещества, связывая электроны и ядра в атомах и молекулах, объединяя атомы и молекулы в различные вещества. Его переносчики – фотоны.

Слабое взаимодействие отвечает за большинство ядерных реакций распада и многие превращения элементарных частиц. Его носители – калибровочные бозоны трёх типов: Z, W– и W+.

Следует подчеркнуть, что все перечисленные выше частицы, кроме гравитона, обнаружены в экспериментах; глюон – косвенно, остальные – непосредственно.

Ещё в 1960-х гг. было показано, что электромагнитное и слабое взаимодействия на самом деле есть проявления одного взаимодействия. Разница между ними очевидна при обычных низких уровнях энергии, а при энергиях выше энергии объединения (порядка 10↑20 ГэВ) они соединяются в единое электрослабое взаимодействие (ЭСВ).

И вот тут начинается история бозона Хиггса.

При построении первого варианта теории ЭСВ оказалось, что бозоны слабого взаимодействия (Z, W+ и W–) должны бы быть безмассовыми, как и фотон. Но это не подтверждалось экспериментом! Явление назвали спонтанным нарушением электрослабой симметрии и принялись искать ему объяснение.

Лучшим вариантом оказался механизм, предложенный в 1965 г. шотландским физиком Питером Хиггсом. В нём нарушение симметрии осуществляется через введение нового скалярного поля, которое, взаимодействуя с калибровочными бозонами слабого взаимодействия, придаёт им массы; а фотон оставляет невесомым.

Новое поле – значит, новый бозон-переносчик взаимодействия. Вот так он и появился, таинственный и до последнего времени неуловимый бозон Хиггса. Вот почему он «отвечает» за наличие массы у элементарных частиц. Точнее, играет основную роль в механизме, посредством которого некоторые частицы приобрели массу, а другие остались безмассовыми (фотон, глюон).

И начались его поиски.

Стандартная модель предусматривает некий набор возможных значений массы бозона Хиггса, она предсказывает, какими свойствами будет обладать бозон с той или иной массой, как часто он будет рождаться и на что он должен распадаться. Это – теоретическая основа поисков.

Практика же состоит в том, чтобы в эксперименте либо подтвердить наличие признаков существования хиггсовского бозона в одном из назначенных для него интервалов массы, либо установить отсутствие таковых признаков.

Надо сказать, что поиски эти ничуть не легче «ловли» не существующих индивидуально кварков. Рассчитано, что на каждый триллион столкновений частиц во встречных пучках возникает всего несколько (!) бозонов Хиггса. Они очень неустойчивы, очень быстро распадаются, и единственными доступными наблюдению свидетельствами их существования являются следы распада. При этом «знаковые» события могут происходить и по другим причинам, не имеющим отношения к «хиггсу»; они составляют фон, существенное превышение которого и трактуется как доказательство существования желанного бозона.

Недавние эксперименты на Большом адроном коллайдере (LHC) – отнюдь не первые.

Эксперименты на его предшественнике, Большом электрон-позитронном коллайдере (LEP), проведённые в 1980-х гг., позволили исключить диапазон масс менее 114 ГэВ. В 2008 г. физики, работающие на сопернике LHC – американском Тэватроне, с вероятностью 95% «закрыли» узкую область масс вблизи 170 ГэВ. К июлю 2010 г. Тэватрон с той же достоверностью исключил уже область масс от 158 до 175 ГэВ.

В последнем эксперименте на LHC «хиггса» искали в диапазоне от 114 до 141 ГэВ. Искали его две группы на двух детекторах коллайдера, изображённых вот здесь.

Два детектора, ловившие хиггса

И вот, кажется, нашли.

Что теперь будет?

Если открытие подтвердится, то понятно: Стандартная модель получит единственный недостающий камень в своём фундаменте. Правда, в ней и без «хиггса» наблюдается всё большее количество «нестыковок»; но это, можно сказать, неприятности второго уровня, преодолением которых займутся с новым воодушевлением.

А если не подтвердится?

Тогда – возможны варианты.

Во-первых, в рамках самой Стандартной модели просматриваются некоторые возможности иного, «не-хиггсовсого» механизма спонтанного нарушения электрослабой симметрии.

Во-вторых, Стандартная модель – не единственная теория, претендующая на объяснение строения и функционирования микромира. Такова, например, теория петлевой квантовой гравитации, различные варианты теории струн. Если их удастся построить и подтвердить, они позволят описать все частицы Стандартной модели, не требуя для объяснения их масс введения бозона Хиггса. Есть и другие теории… но обсуждение альтернатив к Стандартной модели выходит за пределы возможностей данной статьи.

Но об одной мы всё-таки вам напомним. Напомним – потому, что наш журнал, первый и пока единственный среди отечественных СМИ, писал о ней ещё в 2008 г. Речь идёт об Унитарной квантовой теории профессора Л.Г. Сапогина. Интервью с Львом Георгиевичем, касающееся и Стандартной модели, и бозона Хиггса, и других острых вопросов современной физики, читайте на (вот здесь, если не забуду, дам ссылку на это интервью, когда февральский номер появится на сайте «ТМ»).

Один комментарий

  1. Анна Бердичевская:

    Прошу сообщить мне координаты Льва Сапогина. Я издатель англоязычной версии «Унитарной квантовой теории», мы дружны со Львом Георгиевичем много лет, однако после закрытия издательства контакты были утеряны.
    ББуду очень признательна

Написать отзыв

CAPTCHA изображение
*