Именная частица: физика конца света

Именная частица: физика конца света

Бозон Хиггса пытаются найти десятки лет, но пока безуспешно. Между тем без него ключевые положения современной теории микромира зависают в воздухе.

Исследование частиц началось не так давно. В 1897 году Джозеф Джон Томсон открыл электрон, а через 20 лет Эрнест Резерфорд доказал, что ядра водорода входят в состав ядер прочих элементов, и позднее назвал их протонами. В 1930-х были обнаружены нейтрон, мюон и позитрон и предсказано существование нейтрино. Тогда же Хидеки Юкава построил теорию ядерных сил, переносимых гипотетическими частицами в сотни раз тяжелее электрона, но много легче протона (мезонами). В 1947 году следы распадов пи-мезонов (пионов) нашли на фотопластинках, экспонированных в космических лучах. Позднее обнаружили и другие мезоны, причем некоторые из них тяжелее не только протона, но и ядра гелия. Физики также открыли множество барионов, тяжелых и поэтому нестабильных родственников протона и нейтрона. Когда-то все эти частицы называли элементарными, но такая терминология давно устарела. Сейчас элементарными принято считать только несоставные частицы — фермионы (с половинным спином — лептоны и кварки) и бозоны (с целочисленным спином — переносчики фундаментальных взаимодействий).

Индивидуальные названия элементарных и составных частиц обычно не связаны с именами конкретных ученых. Однако почти 40 лет назад была предсказана еще одна элементарная частица, которой присвоили имя живого человека, шотландского физика Питера Хиггса. Подобно переносчикам фундаментальных взаимодействий, она имеет целочисленный спин и принадлежит к классу бозонов. Однако спин ее равен не 1, а 0, и в этом отношении у нее нет аналогов. Вот уже десятки лет ее ищут на самых крупных ускорителях — закрытом в прошлом году американском «Тэватроне» и функционирующем сейчас Большом адронном коллайдере под пристальным вниманием мировых СМИ. Ведь бозон Хиггса очень нужен современной теории микромира — Стандартной модели элементарных частиц. Если его не удастся обнаружить, ключевые положения этой теории зависнут в воздухе.

Элементарные частицы Стандартной Модели. Фермионная группа (с полуцелым спином) состоит из лептонов и кварков т.н. трех поколений. Заряженные лептоны — это электрон и его массивные аналоги мюон и тау-частица (и, естественно, их античастицы). У каждого лептона имеется нейтральный партнер в лице одной из трех разновидностей нейтрино (тоже с античастицами). Семейство бозонов, спин которых равен единице — это частицы, которые переносят взаимодействия между кварками и лептонами. Некоторые из них не имеют ни массы, ни электрического заряда — это глюоны, обеспечивающие межкварковые связи в мезонах и барионах, и фотоны, кванты электромагнитного поля. Слабые взаимодействия, которые проявляют себя в процессах бета-распада, обеспечивает тройка массивных частиц — двух заряженных, и одной нейтральной.

Калибровочные симметрии

Начало пути к бозону Хиггса можно отсчитывать от короткой статьи, опубликованной в 1954 году перебравшимся в США китайским физиком Янг Чжэньнином и его коллегой по Брукхэйвенской национальной лаборатории Робертом Миллсом. В те годы экспериментаторы открывали все новые и новые частицы, изобилие которых никак не удавалось объяснить. В поисках перспективных идей Янг и Миллс решили опробовать возможности очень интересной симметрии, которой подчиняется квантовая электродинамика. К тому времени эта теория доказала свою способность давать великолепно согласующиеся с опытом результаты. Правда, в ходе некоторых вычислений там появляются бесконечности, однако от них можно избавляться с помощью математической процедуры, названной перенормировкой.

Существует четыре основных способа (как говорят физики, канала) рождения бозона Хиггса. Основной — это слияние глюонов (gg) при столкновении протонов и антипротонов, которые взаимодействуют посредством петель тяжелых топ-кварков. Второй канал — это слияние виртуальных векторных бозонов WW или ZZ (WZ), излучаемых и поглощаемых кварками. Третий канал рождения бозона Хиггса — это т.н. ассоциативное рождение (совместно с W- или Z-бозоном). Этот процесс иногда называют Higgsstrahlung (по аналогии с немецким термином bremsstrahlung — тормозное излучение). И, наконец, четвертый — слияние топ-кварка и антикварка (ассоциативное рождение совместно с топ-кварками, tt) из двух топ-кварк-антикварковых пар, порожденных глюонами. Сам бозон Хиггса «невидим», однако его можно обнаружить по «отпечаткам пальцев» — то есть по характерной картине распада. Существуют множество вариантов распада, которые в зависимости от массы бозона имеют различные вероятности, показанные кривыми на приведенном графике. Наибольшую вероятность имеют каналы распада бозона Хиггса на самые массивные пары частица-античастица — скажем, в районе 120 ГэВ это будут пары b-кварк-антикварк и WW.

Симметрию, заинтересовавшую Янга и Миллса, в 1918 году ввел в физику немецкий математик Герман Вейль. Он назвал ее калибровочной, и это название сохранилось до наших дней. В квантовой электродинамике калибровочная симметрия проявляется в том, что волновую функцию свободного электрона, которая представляет собой вектор с вещественной и мнимой частью, можно непрерывно поворачивать в каждой точке пространства — времени (из-за чего симметрия называется локальной). Эта операция (на формальном языке — изменение фазы волновой функции) приводит к тому, что в уравнении движения электрона появляются добавки, которые необходимо скомпенсировать, чтобы оно сохранило силу. Для этого туда вводится дополнительный член, который описывает электромагнитное поле, взаимодействующее с электроном. Квантом этого поля оказывается фотон, безмассовая частица с единичным спином. Таким образом из локальной калибровочной симметрии уравнения свободного электрона следует существование фотонов (а также и постоянство электронного заряда). Можно сказать, что эта симметрия предписывает электрону взаимодействовать с электромагнитным полем. Любой фазовый сдвиг становится актом такого взаимодействия — например, испусканием или поглощением фотона.

Связь калибровочной симметрии с электромагнетизмом была выявлена еще в 1920-е годы, однако особого интереса не вызывала. Янг и Миллс первыми попытались применить эту симметрию для конструирования уравнений, описывающих частицы иной природы, нежели электрон. Они занялись двумя «старейшими» барионами — протоном и нейтроном. Хоть эти частицы и не тождественны, но по отношению к ядерным силам они ведут себя практически одинаково и имеют почти одинаковую массу. В 1932 году Вернер Гейзенберг показал, что протон и нейтрон можно формально считать различными состояниями одной и той же частицы. Для их описания он ввел новое квантовое число, изотопический спин. Поскольку сильное взаимодействие не делает различий между протонами и нейтронами, оно сохраняет полный изотопический спин, подобно тому как электромагнитное взаимодействие сохраняет электрический заряд.

Янг и Миллс задались вопросом, какие локальные калибровочные преобразования сохраняют изоспиновую симметрию. Было ясно, что они не могут совпадать с калибровочными преобразованиями квантовой электродинамики — хотя бы потому, что речь шла уже о двух частицах. Янг и Миллс проанализировали совокупность таких преобразований и выяснили, что они порождают поля, чьи кванты предположительно переносят взаимодействия между протонами и нейтронами. Квантов в данном случае было три: два заряженных (положительно и отрицательно) и один нейтральный. Они имели нулевую массу и единичный спин (то есть были векторными бозонами) и перемещались со скоростью света.

Теория B-полей, как их окрестили соавторы, была очень красива, но не выдерживала испытания опытом. Нейтральный B-бозон можно было отождествить с фотоном, но его заряженные собратья оставались не при деле. Согласно квантовой механике, посредниками в переносе короткодействующих сил могут быть лишь достаточно массивные виртуальные частицы. Радиус ядерных сил не превышает 10−13 см, и безмассовые бозоны Янга и Миллса явно не могли претендовать на роль их переносчиков. К тому же экспериментаторы никогда не регистрировали таких частиц, хотя в принципе заряженные безмассовые бозоны легко обнаружить. Янг и Миллс доказали, что локальные калибровочные симметрии «на бумаге» могут порождать силовые поля неэлектромагнитной природы, но физическая реальность этих полей была чистой гипотезой.

Электрослабое двуединство

Следующий шаг к бозону Хиггса был сделан в 1957 году. К тому времени теоретики (тот же Янг и Ли Дзундао) предположили, а экспериментаторы доказали, что при бета-распадах не сохраняется четность (иначе говоря, нарушается зеркальная симметрия). Этот неожиданный результат заинтересовал многих физиков, среди которых был и Джулиан Швингер, один из создателей квантовой электродинамики. Он выдвинул гипотезу, что слабые взаимодействия между лептонами (до кварков тогда наука еще не дошла!) переносятся тремя векторными бозонами — фотоном и парой заряженных частиц, аналогичных B-бозонам. Отсюда следовало, что эти взаимодействия состоят в партнерстве с электромагнитными силами. Швингер этой проблемой больше не занимался, однако предложил ее своему аспиранту Шелдону Глэшоу.

Работа растянулась на четыре года. После ряда неудачных попыток Глэшоу построил модель слабого и электромагнитного взаимодействий, основанную на объединении калибровочных симметрий электромагнитного поля и полей Янга и Миллса. Помимо фотона в ней фигурировали еще три векторных бозона — два заряженных и один нейтральный. Однако эти частицы опять-таки имели нулевую массу, что создавало проблему. У слабого взаимодействия радиус на два порядка меньше, чем у сильного, и ему тем более требуются очень массивные посредники. К тому же наличие нейтрального переносчика требовало допустить возможность бета-переходов, не меняющих электрического заряда, а в то время такие не были известны. Из-за этого после публикации своей модели в конце 1961 года Глэшоу потерял интерес к объединению слабого и электромагнитного взаимодействий и переключился на другие темы.

Гипотеза Швингера заинтересовала и пакистанского теоретика Абдуса Салама, который вместе с Джоном Уордом построил модель, похожую на модель Глэшоу. Он тоже столкнулся с безмассовостью калибровочных бозонов и даже придумал способ ее устранения. Салам знал, что их массы нельзя ввести «от руки», поскольку теория становилась ненормируемой, но рассчитывал обойти это затруднение с помощью спонтанного нарушения симметрии, так чтобы решения уравнений движения бозонов не обладали калибровочной симметрией, присущей самим уравнениям. Этой задачей он заинтересовал американца Стивена Вайнберга.

Многочисленные эксперименты один за другим исключали возможные диапазоны масс бозона Хиггса. На ускорителе LEP был установлен нижний порог — 114,4 ГэВ. На «Тэватроне» исключили массы, превышающие 150 ГэВ. Позднее диапазоны масс были уточнены до интервала 115−135 ГэВ, а в ЦЕРН на Большом адронном коллайдере сдвинули верхнюю границу до 130 ГэВ. Так что бозон Хиггса Стандартной Модели, если он существует, замкнут в довольно узкие границы масс.

Но в 1961 году английский физик Джефри Голдстоун показал, что в релятивистских квантовых теориях поля спонтанное нарушение симметрии вроде бы неизбежно порождает безмассовые частицы. Салам и Вайнберг попытались опровергнуть теорему Голдстоуна, но лишь усилили ее в собственной работе. Загадка выглядела неразрешимой, и они занялись другими областями физики.

Хиггс и другие

Помощь пришла от специалистов по физике конденсированных сред. В 1961 году Ёитиро Намбу отметил, что при переходе нормального металла в сверхпроводящее состояние прежняя симметрия спонтанно нарушается, но при этом не появляется никаких безмассовых частиц. Спустя два года Филип Андерсон на том же примере отметил, что если электромагнитное поле не подчиняется теореме Голдстоуна, то того же можно ожидать и от других калибровочных полей с локальной симметрией. Он даже предсказал, что голдстоуновские бозоны и бозоны полей Янга и Миллса могут как-то ликвидировать друг друга, оставляя после себя массивные частицы.

Этот прогноз оказался пророческим. В 1964 году его оправдали физики из брюссельского Свободного университета Франсуа Энглерт и Роджер Броут, Питер Хиггс и сотрудники лондонского Имперского колледжа Джерри Гуральник, Роберт Хаген и Томас Киббл. Они не только показали, что в полях Янга-Миллса не соблюдаются условия применимости теоремы Голдстоуна, но и нашли способ снабдить возбуждения этих полей ненулевой массой, который сейчас называют механизмом Хиггса.

Эти замечательные работы заметили и оценили отнюдь не сразу. Лишь в 1967 году Вайнберг построил единую модель электрослабого взаимодействия, в которой тройка векторных бозонов получает массу на основе механизма Хиггса, а годом позже это же сделал и Салам. В 1971 году голландцы Мартинус Велтман и Герард «т Хоофт доказали, что эта теория поддается перенормировке и, следовательно, имеет четкий физический смысл. Она прочно встала на ноги после 1973 года, когда в пузырьковой камере Gargamelle (CERN, Швейцария) экспериментаторы зарегистрировали так называемые слабые нейтральные токи, указывающие на существование незаряженного промежуточного бозона (прямая регистрация всех трех векторных бозонов была осуществлена в CERN лишь в 1982 — 1983 годах). Глэшоу, Вайнберг и Салам получили за нее Нобелевские премии в 1979 году, Велтман и «т Хоофт — в 1999. Эта теория (а вместе с нею и бозон Хиггса) уже давно стала неотъемлемой частью Стандартной модели элементарных частиц.

Механизм Хиггса

В основе механизма Хиггса лежат скалярные поля с бесспиновыми квантами — хиггсовские бозоны. Как считается, они возникли спустя мгновения после Большого взрыва и теперь заполняют всю Вселенную. Такие поля обладают наименьшей энергией при ненулевой величине — это и есть их устойчивое состояние.

Нередко пишут, что элементарные частицы обретают массу в результате торможения хиггсовским полем, но это чересчур механистическая аналогия. В теории электрослабого взаимодействия фигурируют четыре хиггсовских поля (каждое со своими квантами) и четыре векторных бозона — два нейтральных и два заряженных, которые сами по себе не имеют массы. Три бозона, оба заряженных и один нейтральный, поглощают по одному хиггсу и в результате обретают массу и способность переносить короткодействующие силы (их обозначают символами W+, W- и Z0). Последний бозон ничего не поглощает и остается безмассовым — это фотон. «Съеденные» хиггсы ненаблюдаемы (физики их называют «духами»), в то время как их четвертый собрат должен наблюдаться при энергиях, достаточных для его рождения. В общем, это именно те процессы, которые ухитрился предсказать Андерсон.


Наделяя массой

Механизм Хиггса можно описать и по-другому. Поскольку все четыре векторных бозона изначально безмассовы и всегда обладают световой скоростью, их волновые функции колеблются только в плоскости, перпендикулярной направлению движения. После поглощения хиггсовских частиц бозоны W+, W- и Z0 обретают дополнительные волновые компоненты, осциллируюшие вдоль направления скорости. Эти продольные волны придают частицам инерционность и, следовательно, наделяют массой.

Изначально механизм Хиггса был использован для интерпретации возникновения массы у векторных бозонов теории электрослабых взаимодействий. Позднее с его помощью в теорию ввели массы кварков и заряженных лептонов, а также безмассовость глюонов. Он оказался полезным и для понимания массы нейтрино, и для объяснения смешивания кварков различных семейств. Хиггсовские частицы появляются и в рамках различных обобщений Стандартной Модели, причем в немалых количествах. В общем, их нынешняя популярность вполне заслужена.


Неуловимая частица

Первые серьезные попытки отловить бозон Хиггса были предприняты на рубеже ХХ и ХХI веков на Большом электронно-позитронном коллайдере (Large Electron-Positron Collider, LEP) в ЦЕРНе. Эти эксперименты стали воистину лебединой песней замечательной установки, на которой с беспрецедентной точностью были определены массы и времена жизни тяжелых векторных бозонов.

Стандартная модель позволяет предсказать каналы рождений и распадов хиггсовского бозона, но не дает возможности вычислить его массу (которая, к слову, возникает из его способности к самодействию). По самым общим оценкам, она не должна быть меньше 8−10 ГэВ и больше 1000 ГэВ. К началу сеансов на LEP большинство физиков полагало, что скорее всего диапазон составляет 100−250 ГэВ. Эксперименты LEP подняли нижний порог до 114,4 ГэВ. Многие специалисты считали и считают, что если бы этот ускоритель проработал дольше и процентов на десять увеличил энергию сталкивающихся пучков (что было технически возможно), бозон Хиггса удалось бы зарегистрировать. Однако руководство ЦЕРН не захотело отсрочить запуск Большого адронного коллайдера, который предстояло соорудить в этом же туннеле, и в конце 2000 года LEP был закрыт.

Следующие циклы поисков проводили на «Тэватроне» (на детекторах CDF и DZero) и на БАК. Как рассказал «ПМ» Дмитрий Денисов, один из руководителей коллаборации DZero, «Тэватрон» начал набирать статистику по хиггсам в 2007 году: «Хоть энергии и хватало, трудностей было немало. Столкновение электронов и позитронов — самый «чистый» способ отловить хиггс, ведь эти частицы не обладают внутренней структурой. Например, при аннигиляции высокоэнергетичной электронно-позитронной пары рождается Z0-бозон, который излучает хиггс без всякого фона (правда, в этом случае возможны реакции и погрязнее). Мы же сталкивали протоны и антипротоны, рыхлые частицы, состоящие из кварков и глюонов. Так что главная задача — выделить рождение хиггса на фоне множества похожих реакций. Аналогичная проблема существует и у команд БАК».

«В декабре 2011 года с БАК пришли новые сообщения, — продолжает Дмитрий Денисов. — Там искали распады хиггса либо на top-кварк и его антикварк, которые аннигилируют и превращаются в пару гамма-квантов, либо на два Z0-бозона, каждый из которых распадается на электрон и позитрон или мюон и антимюон. Полученные данные позволяют предположить, что бозон Хиггса тянет примерно на 124−126 ГэВ, но для окончательных выводов этого недостаточно. Сейчас и наши коллаборации, и физики в ЦЕРН продолжают анализировать результаты экспериментов. Не исключено, что мы и они скоро придем к новым выводам, которые 4 марта будут представлены на международной конференции в Итальянских Альпах, и я предчувствую, что скучать там не придется».

Бозон Хиггса и конец света

Итак, в этом году можно ожидать либо открытия бозона Хиггса Стандартной модели, либо его, так сказать, аннулирования. Разумеется, второй вариант создаст потребность в новых физических моделях, но это же может произойти и в первом случае! Во всяком случае так считает один из самых авторитетных специалистов в этой области, профессор лондонского Королевского колледжа Джон Эллис. По его мнению, открытие «легкого» (не массивней 130 ГэВ) бозона Хиггса создаст неприятную проблему для космологии. Оно будет означать, что наша Вселенная нестабильна и когда-нибудь (возможно, даже в любой момент) перейдет в новое состояние с меньшей энергией. Тогда случится конец света — в самом полном значении этого слова. Остается надеяться, что либо бозон Хиггса не найдут, либо Эллис ошибается, либо Мироздание малость повременит с самоубийством.

Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№3, Март 2012).
Комментарии

Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь,
чтобы оставлять комментарии.