Бозон Хиггса — ступенька, на которую может опереться человечество
О таком физическом феномене, как бозон Хиггса, многие слышали, но мало кто понимает, что это такое. Перефразируя шекспировскую цитату, можно было бы сказать: «Что нам бозон, что мы — бозону?» Почему же тогда сообщение о его открытии в начале июля из узких научных кругов выплеснулось на страницы практически всех мировых СМИ? Открытие это еще не подтверждено окончательно, а только на 99,9 процента. Сейчас мир затаил дыхание и ждет, когда же ученые заявят: да, мы действительно нашли его, это — он, бозон Хиггса, на 100 процентов. Почему это так важно?
Астрофизик Александр Иванчик.
Под землей крутятся очень большие деньги
Этот вопрос мы задали старшему научному сотруднику сектора теоретической астрофизики Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе Александру Иванчику и попутно попросили его растолковать предельно популярно, что же такое этот самый бозон и как соотносится он с нашей повседневной жизнью и соотносится ли вообще.
— Огромный интерес обывателей к бозону Хиггса подогревает то, что на его поиски затрачена сверхогромная сумма. Специально «под бозон Хиггса» построен Большой адронный коллайдер — один из самых дорогостоящих физических экспериментов в истории человечества, в котором воплотились последние достижения научной и инженерной мысли. Его стоимость сравнима с космическими проектами. Как вы понимаете, это — средства налогоплательщиков. Они хотят знать, во что вкладываются их деньги. Отсюда — широкий пиар коллайдера. Кроме того, в какой-то момент в обществе возникли панические настроения, был подан иск в суд: обыватели боялись, что эксперимент может закончиться страшной катастрофой, угрожающей всему живому. Но суд иск отклонил как несостоятельный. На самом деле коллайдер никому ничем не угрожает. Стоит также сказать, что это — уникальнейший международный эксперимент, в который вовлечено большое количество стран, в основном европейских. Коллайдер, как многие знают, находится на границе двух стран. Часть — в Швейцарии, часть — во Франции. На глубине ста метров под землей прорыт очень мощный тоннель по типу метро, внутри которого проложено кольцо протяженностью 30 км. В нем разгоняются частицы — протоны. Так что, фигурально выражаясь, можно сказать, что под землей крутятся очень большие деньги.
— Школьная программа по физике практически забыта за ненадобностью, поэтому возникают глубоко невежественные вопросы: что такое протоны и откуда они берутся в трубе коллайдера?
— Протон — ядро водорода — простейшего химического элемента, одна из стандартных структурных единиц, которые есть где угодно, в том числе и в нашем воздухе. В трубе коллайдера установлены специальные машины. В них поступает обычный водород, который там ионизируется, в результате чего атом этого вещества, состоящий из ядра — протона и вращающегося вокруг него электрона, разбивается и получаются отдельно свободный электрон и отдельно ядро атома водорода — протон. Вот эти ядра и запускаются в трубу коллайдера. В ней с помощью различных сложных устройств создаются электрические поля, которые разгоняют протоны до огромных скоростей; и магнитные поля, которые заставляют их двигаться по кругу. Протоны запускаются сразу из двух эжекторов, таким образом два пучка протонов двигаются навстречу друг другу.
На протяжении тридцати километров в кольце коллайдера на определенных участках установлены четыре мощных прибора — детекторы, которые корректируют траектории движения протонов. Внутри этих приборов магнитные поля устроены так, что два встречных пучка протонов направляются лоб в лоб, то есть происходят лобовые столкновения протонов, разогнанных до очень больших скоростей — практически до скорости света. Это, как мы знаем, предельная скорость, известная человечеству. Разгоняясь, протоны накапливают огромные энергии, можно сказать даже — гигантские, а в физике элементарных частиц энергия эквивалентна массе. Поэтому протоны, разгоняясь, получают массу, превышающую массу самих протонов, находящихся в состоянии покоя, в тысячу раз. По теории относительности при столкновении частиц с такой тяжелой массой могут высекаться или рождаться новые элементарные частицы. Вообще коллайдеры предназначены для изучения структуры материи и рождения новых элементарных частиц, которые нестабильны и очень быстро распадаются. А непосредственно Большой адронный коллайдер строился, как уже было сказано, под программу поиска бозона Хиггса, однако попутно он решает много задач, которые требуют изучения в физике элементарных частиц.
Детектор направляет протоны лоб в лоб.
Следующий шаг — поиск новых форм материи
— Как ученые догадались, что перед ними та самая частица?— Все открытые до сих пор элементарные частицы обладали особым набором свойств: определенной массой, спином (собственный момент вращения), отрицательным или положительным зарядом, а у бозона Хиггса спин равен 0, у него нет электрического заряда — он нейтрален, и у него огромная масса, то есть очень большая энергия. Если бы мы на одну чашу весов положили электрон, а на другую бозон Хиггса, то второй перевесил бы очень сильно. Эта частица нестабильна, она моментально распадается на более легкие элементарные частицы. Все эти параметры были предсказаны. Бозоны Хиггса рождаются в результате возмущения, понятнее говоря, всплеска поля Хиггса, который вызывает столкновение протонов на огромных скоростях. Это можно сравнить с водой: когда происходит всплеск, рождаются капли. То, что эта частица обладает очень большой энергией, затрудняло ее открытие. До сих пор у человечества не было таких мощных ускорителей, в которых можно было бы получать такие энергии.
— Допустим, бозон Хиггса обнаружен. Что изменилось?— Если его удалось обнаружить, это будет подтверждением фундаментальной теории строения материи. Если бы поле Хиггса не удалось обнаружить, пришлось бы пересматривать полностью концепцию построения материи. Но физики сегодня понимают: нарисованная ими картина строения материи уже не является полной. Возможно, существуют новые частицы, еще не открытые. Более того, современные космология и астрофизика говорят о том, что 90 процентов вещества во Вселенной состоит не из обычной материи, а из новых форм материи, и физика элементарных частиц уже может дать приблизительный ответ, какие это новые формы. Чтобы развивать физические знания дальше, необходимо быть уверенными, что принципы, на которых мы работаем, верны. В этом смысле бозон Хиггса — та самая ступенька, на которую, как это ни странно, и в прямом и в переносном смысле может опереться человечество, международное сообщество ученых, чтобы пойти дальше. Следующий шаг в экспериментах на коллайдерах — поиск новых форм материи, которые необычны и непривычны и из которых, возможно, состоит большая часть Вселенной.
— Известно, что наши российские ученые тоже принимают участие в экспериментах, проводимых на Большом адронном коллайдере…— Россия входит в число стран-наблюдателей вместе с США, Индией, Японией, Израилем и другими.
— Значит, Нобелевская премия за открытие бозона Хиггса нам не грозит?— Именно так. Хотя наша страна участвовала в изготовлении некоторых элементов оборудования коллайдера и наши ученые постоянно присутствуют в ЦЕРНе. Но основные результаты будут принадлежать европейцам, поскольку именно им удалось реализовать этот грандиозный проект.
Схема Большого адронного коллайдера.
Как из хаоса рождается порядок
— Ученые действительно еще не до конца уверены, что открыли именно бозон Хиггса, а лишь на 99,9 процента?— Бозон Хиггса относится к элементарным частицам, которые живут мизерные доли секунды, поэтому засечь его чрезвычайно трудно. В результате столкновения протонов в коллайдере рождаются миллионы элементарных частиц. Они разлетаются по всему детектору, большая часть из них — те, которые уже известны науке и поэтому неинтересны ученым. Надо отобрать одну-единственную из миллионов, которая будет соответствовать предсказанным параметрам новой частицы — бозона Хиггса. CERN (ЦЕРН) — Европейский центр ядерных исследований — так официально называется весь исследовательский комплекс — представляет собой не только установку для разгона протонов, но и мощнейший компьютерный центр, где установлено огромное количество компьютеров и обрабатывающих систем, перемалывающих непрерывный поток информации в режиме онлайн. Они отбирают и регистрируют новые элементарные частицы, возникающие в коллайдере, а уже известные отсеивают. И вот наконец было заявлено, что две независимые группы на 99,9 процента уверены, что нашли бозон Хиггса. Сейчас ведется более детальная компьютерная обработка данных, но заявление достаточно обнадеживающее. К нему нужно относиться с оптимизмом, и тем не менее в физике имеется много примеров, когда такие заявления потом сходили на нет.
— Почему так важно было найти этот бозон?— Сегодня физики знают, как устроен мир с точки зрения фундаментального строения материи. Нам известно, что мы сами и вся материя, которая нас окружает, — словом, все состоит из молекул, молекулы — из атомов, атомы — из ядра и вращающихся вокруг него электронов. Это знает любой школьник. Из чего состоит ядро, тоже известно: из протонов и нейтронов. Они — в свою очередь — из кварков. Существует так называемая стандартная модель строения материи. Она называется кварк-лептонная. Эта теория учит, что кварки и лептоны (электроны) — это первокирпичики, из которых построена вся наша материя, считается, что они уже неделимы. Это — мельчайшие элементарные частицы. Проведено огромное количество экспериментов по изучению элементарных частиц, из которых состоят земля, человек, цветы, деревья — все видимое, и их взаимодействия. Они подтверждают верность кварк-лептонной модели. В ней полностью есть все, за исключением одного элемента. В этой теории предсказывается, что кварки и лептоны обретают массу за счет взаимодействия с полем Хиггса. Оно было предсказано теоретически. Это единственный элемент, который не был наблюдаем на практике. Все остальные компоненты модели строения материи наукой открыты, а этот — нет.
— Этот элемент был предсказан, как, допустим, таблица Менделеева, где вначале были пустые клеточки для химических элементов, которые только должны были открыть, а сейчас вся эта таблица заполнена?— Совершенно верно. Так же и здесь. Было предсказано, что кварки и электроны без бозона Хиггса были бы безмассовыми. То есть не обладали бы массой покоя и непрерывно, хаотично двигались бы со скоростью света. Чтобы из них можно было что-то составить — планету, человека, — они должны обладать массой покоя, которая у них возникает только при взаимодействии с полем Хиггса. Предсказал это поле ныне здравствующий британский ученый Питер Хиггс около 50 лет назад. Оно пронизывает все сущее, и протоны, из которых мы состоим, и кварки, из которых состоят протоны, взаимодействуют с этим полем и поэтому обладают массой, то есть, образно говоря, поле Хиггса из хаоса рождает порядок. А бозон Хиггса — мельчайшая частица этого поля. Не случайно один японский ученый назвал этот элемент частицей Бога.