Про бозон Хіггса простою мовою – що відкрили вчені за допомогою адронного колайдера, навіщо потрібний цей бозон? Відкриття бозона хіггса дозволить більш ефективно використовувати бюджетні кошти Що менше за бозон.
Моделювання, що показує появу бозона Хіггса при зіткненні двох протонів
Бозон ХіггсаБозон Хіггса
Бозон Хіггса – елементарна частка, природу якої дуже складно осягнути без попередньої підготовки та розуміння основних фізичних та астрономічних законів Всесвіту.
Бозон Хіггса має безліч унікальних властивостей, що дозволили йому отримати ще одну назву – частка Бога. Відкритий квант має кольорові та електричні заряди, а його спин за фактом дорівнює нулю. Це означає, що вона не має квантового обертання. До того ж, бозон повноцінно бере участь у гравітаційних реакціях і схильний до розпаду на пари з b-кварка та b-антикварка, фотонів, електронів та позитронів у поєднанні з нейтрино. Однак параметри цих процесів за шириною не перевищують 17 мегаелектроновольт (МеВ). Крім перерахованих вище характеристик частка Хіггса здатна розпадатися на лептони і W-бозони. Але, на жаль, вони видно недостатньо добре, що значно ускладнює вивчення, контроль та аналіз явища. Однак у ті рідкісні моменти, коли їх все ж таки виходило фіксувати, вдалося встановити, що вони цілком відповідають типовим для таких випадків фізичним моделям елементарних частинок.
Пророцтво та історія відкриття бозона Хіггса
Діаграма Фейнмана, що показує можливі варіанти народження W-або Z-бозонів, які при взаємодії утворюють нейтральний бозон Хіггса
У 2013 році англієць Пітер Хіггс та підданий Бельгії Франсуа Енглер отримали Нобелівську премію з фізики за відкриття та обґрунтування існування механізму, що дозволяє зрозуміти, як і з чого відбуваються маси елементарних частинок. Однак задовго до цього вже проводилися різні експерименти та спроби відкрити бозон Хіггса. Ще 1993 року в Західній Європі почалися подібні дослідження з використанням потужностей Великого електронно-позитронного колайдера. Але в результаті вони не змогли в повному обсязі принести результати, очікувані організаторами цього проекту. До вивчення питання підключалася і наука. Так у 2008-2009 роках. невеликою командою вчених ОІЯД було зроблено уточнений розрахунок маси хіггсівського бозона. Нещодавно, навесні 2015 року, колаборації, відомі всьому науковому світу, ATLAS і CMS, знову провели коригування маси хіггсовського бозона, яка за цими даними приблизно дорівнює 125,09±0,24 гігаелектронвольтів (ГеВ).
Експерименти з пошуку та оцінки параметрів бозона Хіггса
Як уже згадувалося вище, початкові пошукові та оціночні експерименти щодо визначення маси бозона було розпочато ще 1993 року. Комплексні дослідження, які проводилися на Великому електронно-позитронному колайдері, фінішували у 2001 році. Отримані завдяки цьому експерименту результати додатково відкоригували в 2004 році. За уточненими розрахунками верхня грань його маси дорівнювала 251 гігаелектроновольт (ГеВ). У 2010 році була виявлена різниця, що дорівнює 1%, у кількості, що з'являються в ході розпаду b-мезону, мюонів і антимюонів.
Незважаючи на статистичні недоліки, отримані з 2011 року дані з Великого андронного колайдера, надходили, як і раніше, регулярно. Це давало надію виправити неточних відомостей. Виявлена через рік нова елементарна частка, яка мала ідентичну парність і здатність розпадатися, як і хіггсівський бозон, була піддана серйозній критиці та сумніву у 2013 році. Проте вже до кінця сезону обробка всіх накопичених даних призвела до однозначних висновків: нова відкрита частка, безсумнівно, є бозоном Хіггса, що шукається, і належить до Стандартної фізичної моделі.
Цікаві факти про бозон Хіггса
Великий адронний колайдер. Однією з основних цілей проекту є експериментальний доказ існування бозона Хіггса та його дослідження
Одним з найцікавіших і найнеймовірніших фактів про хіггсівський бозон є те, що його, по суті, не існує в природі. Отже, ця частка, на відміну інших фундаментальних елементів, немає у навколишньому просторі. Пояснюється це тим, що бозон Хігса зникає практично моментально після свого народження. Відбувається така миттєва метаморфоза через розпад частки. При цьому за своє найкоротше існування бозон навіть не встигає увійти у взаємодію з чимось ще.
Також дуже цікавими фактами, що привертають до себе увагу, можна назвати так звані «прізвиська», які були присвоєні хіггсовському бозону. Епатажні назви потрапляли у громадське використання завдяки засобам масової інформації. Одне з них було вигадане знову відкритому кванту Леоном Ледерманом, лауреатом Нобелівської премії, і звучало як «чортова частка». Однак воно не було пропущено до друкованого видання праці редактором і було замінено на «частку Бога» або «божу частинку».
Інші масові назви бозона Хіггса
Незважаючи на популярність ледерманівських «прізвиськ», даних їм бозону Хіггса, переважна більшість учених не схвалюють їх і частіше використовують іншу «простонародну» назву. Воно перекладається як «бозон пляшки із шампанським». Основою для появи такої термінології в позначенні хіггсовського бозона послужила певна схожість його комплексного поля з дном скляної пляшки з-під шампанського. Не менше значення для вчених «бешкетників» має і алегоричне порівняння, що натякає на велику кількість випитого шампанського з приводу відкриття важливої частки.
Варто звернути увагу і на те, що мають місце так звані безхіггсові фізичні моделі, розроблені ще до відкриття бозона. Вони передбачають своєрідне розширення стандартності.
Сучасна наука не стоїть на місці, а безперервно та неухильно розвивається. Накопичені в сьогоднішній фізиці та суміжних з нею галузях знання дозволили не тільки передбачити, а й, власне кажучи, зробити відкриття бозона Хіггса. Але вивчення його властивостей та позначення сфер застосування здобутих відомостей перебуває лише на початковій стадії. Тому сучасні фізики та астрономи ще мають багато роботи та експериментів, пов'язаних з дослідженням цієї основоположної для Всесвіту частинки.
Як теорія, стандартна модель працює добре, незважаючи на її нездатність вписатися в гравітацію. Завдяки цьому фізики передбачили існування певних частинок до того, як ті були виявлені експериментально. І ось на горизонті з'явився бозон Хіггса. Давайте з'ясуємо, як ця частка вписується в Стандартну модель і Всесвіт загалом.
Бозон Хіггса: останній елемент головоломки
Вчені вважають, що кожна з цих чотирьох фундаментальних сил має відповідну частинку (або бозон), яка впливає на матерію. Це важко збагнути. Ми звикли думати про силу, як про загадковий ефір, який лежить за межами буття та небуття, але насправді сила така ж реальна, як і сама матерія.
Деякі фізики описують бозони як ваги, пов'язані гумками з частинками матерії, що їх породжує. Використовуючи цю аналогію, ми можемо уявити бозони, що постійно вистрілюють за допомогою гумок і при цьому сили, що сплутуються з іншими бозонами в процесі народження.
Вчені вважають, що кожна з чотирьох фундаментальних сил має свої специфічні бозони. Електромагнітні поля, наприклад, передають електромагнітну силу матерії у вигляді фотона. Фізики думають, що у бозона Хіггса така ж функція, але він передаватиме масу.
Але чи може мати бути маса без бозона Хіггса? За Стандартною моделлю - ні. Але фізики знайшли рішення. Що якщо всі частинки не мають власної маси, але вони отримують її, проходячи через певне поле? Це поле, відоме як поле Хіггса, по-різному впливає різні частки. Фотони можуть прослизнути непоміченими, а ось W-і Z-бозони ув'язнуть у масі. За фактом, припущення існування бозона Хіггса говорить про те, що все, що має масу, взаємодіє з всюдисущим полем Хіггса, яке займає весь Всесвіт. І як в інших полях, що описуються Стандартною моделлю, хіггсовському потрібна своя частка-переносник, щоб впливати на інші частки. Вона отримала назву бозона Хіггса.
4 липня 2012 року вчені, які працюють на Великому адронному колайдері, оголосили, що відкрили частинку, яка поводиться як бозон Хіггса. Можна видихати - подумали фізики, але з'ясувалося, що бозонів, подібних до хіггсовського, може бути кілька, а значить дослідження на більш високих рівнях енергії продовжуватимуться і продовжуватимуться.
Що примітно, бозон Хіггса несподівано виявився прямо-таки провісником загибелі Всесвіту. Сценарій можна.
Академік Валерій Рубаков, Інститут ядерних досліджень РАН та Московський державний університет.
Четвертого липня 2012 року відбулася подія, що має визначне значення для фізики: на семінарі в ЦЕРНі (Європейському центрі ядерних досліджень) було оголошено про відкриття нової частки, яка, як обережно заявляють автори відкриття, за своїми властивостями відповідає теоретично передбаченому елементарному бозону Стандартної моделі частинок. Його зазвичай називають бозоном Хіггса, хоча ця назва не цілком адекватна. Як би там не було, йдеться про відкриття одного з головних об'єктів фундаментальної фізики, що не має аналогів серед відомих елементарних частинок і займає унікальне місце у фізичній картині світу (див. «Наука і життя» № 1, 1996, стаття «Бозон Хіггса необхідний!»).
Детектор LHC-B призначений для вивчення властивостей В-мезонів – адронів, що містять b-кварк. Ці частки швидко розпадаються, встигнувши відлетіти від пучка частинок лише на частки міліметра. Фото: Maximilien Brice, CERN.
Елементарні частинки стандартної моделі. Майже всі вони мають античастинки, які позначають символом з тильдою зверху.
Взаємодії у мікросвіті. Електромагнітна взаємодія відбувається за рахунок випромінювання та поглинання фотонів (а). Слабкі взаємодії мають схожу природу: вони зумовлені випромінюванням, поглинанням або розпадом Z-бозонів (б) або W-бозонів (в).
Бозон Хіггса Н (спин 0) розпадається на два фотони (спин 1), спини яких антипаралельні і в сумі дають 0.
При випромінюванні фотона або випромінюванні Z-бозону швидким електроном проекція його спина на напрямок руху не змінюється. Круглою стрілкою показано внутрішнє обертання електрона.
В однорідному магнітному полі електрон рухається по прямій вздовж поля і спіралі в будь-якому іншому напрямку.
Фотон великої довжини хвилі і, отже, низької енергії неспроможний дозволити структуру π-мезона - пари кварк-антикварк.
Частки, прискорені у Великому адронному колайдері до величезних енергій, стикаються, породжуючи безліч вторинних частинок – продуктів реакції. Серед них був виявлений і бозон Хіггса, який фізики сподівалися відшукати майже півстоліття.
Англійський фізик Пітер В. Хіггс на початку 1960-х років довів, що у Стандартній моделі елементарних частинок має бути ще один бозон – квант поля, що створює масу у матерії.
Що було на семінарі та до нього
Оголошення про семінар було зроблено наприкінці червня, і відразу стало зрозуміло, що він буде неординарним. Справа в тому, що перші вказівки на існування нового бозону отримали ще в грудні 2011 року в експериментах ATLAS і CMS, що проводяться на Великому адронному колайдері (LHC – Large Hadron Collider) у ЦЕРНі. Крім того, незадовго до семінару з'явилося повідомлення про те, що дані експериментів на протон-антипротонному колайдері Tevatron (Fermilab, США) також вказують на існування нового бозона. Усього цього було недостатньо, щоб говорити про відкриття. Але з грудня кількість даних, набраних на LHC, подвоїлася і методи їхньої обробки стали досконалішими. Результат виявився вражаючим: у кожному з експериментів ATLAS та CMS окремо статистична достовірність сигналу досягла величини, яка у фізиці елементарних частинок вважається рівнем відкриття (п'ять стандартних відхилень).
Семінар пройшов у святковій атмосфері. Крім дослідників, які працюють у ЦЕРНі, та студентів, які займаються там за літніми програмами, його «відвідали» за допомогою інтернету учасники найбільшої конференції з фізики високих енергій, яка саме цього ж дня відкрилася у Мельбурні. Семінар транслювали інтернетом у наукові центри та університети всього світу, включаючи, звичайно, Росію. Після вражаючих виступів керівників колаборацій CMS – Джо Інкандела та ATLAS – Фабіоли Джанотті генеральний директор ЦЕРНу Рольф Хойєр уклав: «I think we have it!» («Думаю, він у нас у руках!»).
То що таке «у нас у руках» і навіщо його вигадали теоретики?
Що являє собою нова частка
Мінімальна версія теорії мікросвіту має незграбну назву Стандартної моделі. Вона включає всі відомі елементарні частинки (ми їх перерахуємо нижче) та всі відомі взаємодії між ними. Гравітаційна взаємодія стоїть окремо: вона залежить від типів елементарних частинок, а описується загальної теорією відносності Ейнштейна. Бозон Хіггса залишався єдиним не відкритим досі елементом Стандартної моделі.
Ми назвали Стандартну модель мінімальною саме тому, що інших елементарних частинок у ній немає. Зокрема, в ній є один, і лише один, бозон Хіггса, і він — частка елементарна, а не складова (про інші можливості йтиметься нижче). Більшість аспектів Стандартної моделі — за винятком нового сектора, до якого належить бозон Хіггса, — перевірено у численних експериментах, і головне завдання у програмі робіт LHC — з'ясувати, чи справді в природі реалізується мінімальний варіант теорії та наскільки повно вона описує мікросвіт.
У ході виконання цієї програми і було відкрито нову частинку, досить важку за мірками фізики мікросвіту. У цій галузі науки масу вимірюють в одиницях енергії, маючи на увазі зв'язок Е = mс 2 між масою та енергією спокою. Одиницею енергії служить електронвольт (еВ) - енергія, яку набуває електрон, пройшовши різницю потенціалів 1 вольт, та його похідні - МеВ (мільйон, 10 6 еВ), ГеВ (мільярд, 10 9 еВ), ТЭВ (трильйон, 10 12 еВ) . Маса електрона в цих одиницях дорівнює 0,5 МеВ, протона - приблизно 1 ГеВ, найважчої відомої елементарної частинки, t-кварка - 173 ГеВ. Так ось, маса нової частки становить 125-126 ГеВ (невизначеність пов'язана з похибкою вимірів). Назвемо цю нову частку Н.
Вона має електричного заряду, нестабільна і може розпадатися по-різному. На Великому адронному колайдері ЦЕРН її відкрили, вивчаючи розпади на два фотони, H → γγ і на дві пари електрон-позитрон і/або мюон-антимюон, H → е + е - е + е - , H → е + е - μ + μ - , H → μ + μ - μ + μ-. Другий тип процесів записують як H → 4ℓ, де ℓ позначає одну з частинок е + , е - , μ + або μ - (їх називають лептонами). І CMS, і ATLAS повідомляють також про деякий надлишок подій, який можна пояснити розпадами H → 2ℓ2ν, де ν — нейтрино. Цей надлишок, втім, поки що не має високої статистичної достовірності.
Взагалі, все, що зараз відомо про нову частинку, узгоджується з її інтерпретацією як бозона Хіггса, передбаченого найпростішою версією теорії елементарних частинок — Стандартною моделлю. В рамках Стандартної моделі можна обчислити як ймовірність народження бозона Хіггса в протон-протонних зіткненнях на Великому адронному колайдері, так і ймовірність його розпадів і тим самим передбачити кількість очікуваних подій. Пророцтва добре підтверджуються експериментами, але, звичайно, у межах похибок. Експериментальні похибки ще великі, та й виміряних величин поки що зовсім небагато. Тим не менш, важко сумніватися, що відкритий саме бозон Хіггса або щось дуже схоже на нього, особливо якщо врахувати, що зазначені розпади повинні бути дуже рідкісними: на два фотони розпадаються 2 з 1000 бозонів Хіггса, а на 4ℓ - 1 з 10 000 .
Більш ніж у половині випадків бозон Хіггса повинен розпадатися на пару b-кварк - b-антикварк: Н → bb̃. Народження пари bb̃ у протон-протонних (і протон-антипротонних) зіткненнях - явище дуже часте і без будь-якого бозона Хіггса, і виділити сигнал від нього з цього "шуму" (фізики кажуть - фону) в експериментах на LHC поки не вдалося. Це частково вийшло на колайдері Tevatron, і хоча статистична достовірність там помітно нижче, ці дані також узгоджуються з передбаченнями Стандартної моделі.
Всі елементарні частинки мають спину - внутрішній кутовий момент. Спин частинки може бути цілим (включаючи нуль) або напівцілим в одиницях постійної Планки. Частинки із цілим спином називаються бозонами, із напівцілим — ферміонами. Спін електрона дорівнює 1/2, спин фотона - 1. З аналізу продуктів розпаду нової частки слід, що її спин цілий, тобто це бозон. Зі збереження кутового моменту в розпаді частки на пару фотонів Н → γγ випливає: спин кожного фотона цілий; Цілим завжди залишається і повний кутовий момент у кінцевого стану (пари фотонів). Значить, і початковий стан він теж цілий.
Крім того, він не дорівнює одиниці: частка спина 1 не може розпадатися на два фотони зі спином 1. Залишається спин 0; 2 чи більше. Хоча спин нової частинки ще не виміряний, вкрай малоймовірно, що ми маємо справу з частинкою спина 2 або більше. Майже, напевно, спин Н дорівнює нулю, і, як ми побачимо, саме таким повинен бути бозон Хіггса.
Закінчуючи опис відомих властивостей нової частки, скажімо, що вона живе за мірками фізики мікросвіту досить довго. За підсумками експериментальних даних оцінка знизу її життя дає Т H > 10 -24 з, що суперечить передбаченню Стандартної моделі: Т H = 1,6·10 -22 з. Для порівняння: час життя t-кварка Тt = 3 · 10 -25 с. Зазначимо, що прямий вимір часу життя нової частки на LHC навряд чи можливий.
Для чого ще один бозон?
У квантовій фізиці кожна елементарна частка служить квантом деякого поля, і навпаки: кожному полю відповідає своя частка-квант; найбільш відомий приклад - електромагнітне поле та його квант, фотон. Тому питання, поставлене в назві, можна переформулювати так:
Навіщо потрібне нове поле та які його очікувані властивості?
Коротка відповідь полягає в тому, що симетрії теорії мікросвіту — чи то Стандартна модель, чи якась складніша теорія — забороняють елементарним часткам мати масу, а нове поле порушує ці симетрії та забезпечує існування мас частинок. У Стандартній моделі - найпростішому варіанті теорії (але тільки в ній!) - всі властивості нового поля і, відповідно, нового бозона, за винятком його маси, однозначно передбачаються знову-таки на основі міркувань симетрії. Як ми говорили, наявні експериментальні дані узгоджуються саме з найпростішим варіантом теорії, проте ці дані поки досить мізерні, і має бути тривала робота з з'ясування того, як саме влаштований новий сектор фізики елементарних частинок.
Розглянемо, хоча б загалом, роль симетрії у фізиці мікросвіту.
Симетрії, закони збереження та заборони
Загальною властивістю фізичних теорій, будь то ньютонівська механіка, механіка спеціальної теорії відносності, квантова механіка або теорія мікросвіту, є те, що кожній симетрії відповідає свій закон збереження. Наприклад, симетрії щодо зрушень у часі (тобто тієї обставини, що закони фізики однакові в кожен момент часу) відповідає закону збереження енергії, симетрії щодо зрушень у просторі — закон збереження імпульсу, а симетрії щодо поворотів у ньому (усі напрямки у просторі рівноправні) - Закон збереження кутового моменту. Закони збереження можна інтерпретувати як заборони: перелічені симетрії забороняють зміна енергії, імпульсу і кутового моменту замкнутої системи за її еволюції.
І навпаки: кожному закону збереження відповідає своя симетрія; це твердження абсолютно точно і у квантовій теорії. Постає питання: яка ж симетрія відповідає закону збереження електричного заряду? Зрозуміло, що симетрії простору та часу, про які ми щойно згадали, тут ні до чого. Проте крім очевидних, просторово-часових симетрій існують неочевидні, «внутрішні» симетрії. Одна з них призводить до збереження електричного заряду. Для нас важливо, що ця ж внутрішня симетрія (тільки розуміється в розширеному значенні — фізики вживають термін «калібровочна інваріантність») пояснює, чому фотон не має маси. Відсутність маси у фотона, у свою чергу, тісно пов'язана з тим, що світла має поляризацію лише двох типів — ліву і праву.
Щоб пояснити зв'язок між наявністю лише двох типів поляризації світла і відсутністю маси у фотона, відвернемося на якийсь час від розмови про симетрії і знову нагадаємо, що елементарні частинки характеризуються спином, напівцілим або цілим в одиницях постійної Планки ћ. Елементарні ферміони (частки напівцілого спина) мають спін 1/2. Це електронне, електронне нейтрино ν e, важкі аналоги електрона - мюон μ і тау-лептон τ, їх нейтрино ν μ і ν τ, кварки шести типів u, d, с, s, t, b і відповідні всім їм частинки (позитрон е + , електронне антинейтрино ν̃ е, антикварк ũ і т.д.). Кварки u та d — легкі, і з них складаються протон (кварковий склад uud) та нейтрон (udd). Інші кварки (c, t, s, b) більш важкі; вони входять до складу короткоживучих частинок, наприклад, К-мезонів.
До бозонів, частинок цілого спина, належать як фотон, а й його віддалені аналоги — глюони (спин 1). Глюони відповідають за взаємодії між кварками та пов'язують їх у протон, нейтрон та інші складові частинки. Крім того, є ще три частинки спина 1 - електрично заряджені W + , W - бозони і нейтральний Z-бозон, про які попереду. Ну а бозон Хіггса, як говорилося, повинен мати нульовий спин. Тепер ми перерахували всі елементарні частинки, які є у Стандартній моделі.
Масивна частка спина s (в одиницях ћ) має 2s + 1 станів з різними проекціями спина на задану вісь (спин - внутрішній кутовий момент - вектор, так що поняття про його проекцію на задану вісь має звичайний зміст). Наприклад, спин електрона (s = 1/2) у його системі спокою може бути спрямований, допустимо, вгору (s 3 = +1/2) або вниз (s 3 = -1/2). Бозон Z має ненульову масу і спину s = 1, тому станів з різними проекціями спина у нього три: s 3 = +1, 0 або -1. Зовсім інакша справа з безмасовими частинками. Оскільки вони літають зі швидкістю світла, перейти в систему відліку, де така частка спочиває, не можна. Проте можна говорити про її спіральність — проекцію спини на напрямок руху. Так от, хоч спин фотона дорівнює одиниці, таких проекцій тільки дві — у напрямку руху та проти нього. Це і є права та ліва поляризації світла (фотонів). Третій стан з нульовою проекцією спина, яке мало б існувати, якби у фотона маса, заборонено глибокої внутрішньої симетрією електродинаміки, тієї самої симетрією, що призводить до збереження електричного заряду. Таким чином, ця внутрішня симетрія забороняє існування маси у фотона!
Щось не так
Інтерес для нас являють, проте, не фотони, a W ± - і Z-бозони. Ці частки, відкриті в 1983 році на протон-антипротонном колайдері Spp̃S в ЦЕРНі і задовго до цього передбачені теоретиками, мають досить велику масу: W ± -бозони мають масу 80 ГеВ (приблизно в 80 разів важче за протон), а Z-бозон - ? ГеВ. Властивості W ± - і Z-бозонів добре відомі в основному завдяки експериментам на електрон-позитронних колайдерах LEP (ЦЕРН) та SLC (SLAC, США) та протон-антипротонному колайдері Tevatron (Fermilab, США): точність вимірювань цілого ряду величин, що відносяться до W ± - та Z-бозонам, краще 0,1%. Їхні властивості, та інших частинок теж, чудово описує Стандартна модель. Це стосується і взаємодій W ± - і Z-бозонів з електронами, нейтрино, кварками та іншими частинками. Такі взаємодії, до речі, називають слабкими. Вони детально вивчені; один із давно відомих прикладів їхнього прояву — бета-розпади мюона, нейтрону та ядер.
Як мовилося раніше, кожен із W ± - і Z-бозонів може бути у трьох спинових станах, а чи не у двох, як фотон. Проте вони взаємодіють із ферміонами (нейтрино, кварками, електронами тощо) у принципі так само, як фотони. Наприклад, фотон взаємодіє з електричним зарядом електрона і електричним струмом, створюваним електроном, що рухається. Так само Z-бозон взаємодіє з деяким зарядом електрона і струмом, що виникає під час руху електрона, тільки ці заряд і струм мають неелектричну природу. З точністю до важливої особливості, про яку йтиметься незабаром мова, аналогія буде повною, якщо крім електричного заряду електрону приписати ще й Z-заряд. Своїми Z-зарядами мають і кварки, і нейтрино.
Аналогія з електродинамікою тягнеться ще далі. Як і теорія фотона, теорія W ± - і Z-бозонів має глибоку внутрішню симетрію, близьку до тієї, що призводить до закону збереження електричного заряду. У повній аналогії з фотоном вона забороняє W ± - і Z-бозон мати третю поляризацію, а отже, і масу. Ось тут і виходить нестиковка: симетрійна заборона на масу частки спина 1 для фотона працює, а для W± - і Z-бозонів немає!
Дальше більше. Слабкі взаємодії електронів, нейтрино, кварків та інших частинок з W ± - і Z-бозонами відбуваються так, ніби ці ферміони не мали маси! Число поляризацій тут ні до чого: і у масивних, і у безмасових ферміонів поляризацій (напрямів спина) дві. Справа в тому, як саме взаємодіють ферміони з W±- та Z-бозонами.
Щоб пояснити суть проблеми, виключимо спочатку масу електрона (теоретично таке дозволено) і розглянемо уявний світ, у якому маса електрона дорівнює нулю. У такому світі електрон літає зі швидкістю світла і може мати спин, спрямований або за напрямом руху, або проти нього. Як і для фотона, у першому випадку має сенс говорити про електрон з правою поляризацією, або, коротше, про правий електрон, у другому - про лівий.
Оскільки ми добре знаємо, як влаштовані електромагнітні та слабкі взаємодії (а лише в них електрон і бере участь), ми цілком здатні описати властивості електрона у нашому уявному світі. А вони такі.
По-перше, у цьому світі правий і лівий електрони — дві абсолютно різні частинки: правий електрон ніколи не перетворюється на лівий і навпаки. Це заборонено законом збереження кутового моменту (у разі спина), а взаємодії електрона з фотоном і Z-бозоном не змінюють його поляризацію. По-друге, взаємодія електрона з W-бозоном відчуває лише лівий електрон, а правий у ньому взагалі бере участь. Третя важлива особливість, про яку ми обмовилися раніше, у цій картині та, що Z-заряди лівого та правого електрона різні, і лівий електрон взаємодіє із Z-бозоном сильніше, ніж правий. Аналогічні властивості є і в мюона, і тау-лептона, і у кварків.
Підкреслимо, що у уявному світі з безмасовими ферміонами немає жодних проблем з тим, що ліві та праві електрони взаємодіють з W- та Z-бозонами по-різному і, зокрема, що «лівий» і «правий» Z-заряди різні. У цьому світі ліві та праві електрони — частки різні, і справа з кінцем: нас же не дивує, наприклад, що електрон та нейтрино мають різні електричні заряди: -1 та 0.
Увімкнувши масу електрона, ми негайно прийдемо до суперечності. Швидкий електрон, швидкість якого близька до швидкості світла, а спин спрямований проти напрямку руху, виглядає майже так само, як лівий електрон із нашого уявного світу. І взаємодіяти він має майже так само. Якщо його взаємодія пов'язана з Z-зарядом, то значення Z-заряду у нього «ліве», таке саме, як у лівого електрона з уявного світу. Однак швидкість масивного електрона все-таки менша за швидкість світла, і завжди можна перейти в систему відліку, що рухається ще швидше. У новій системі напрямок руху електрона зміниться на протилежний, а напрямок спина залишиться тим самим.
Проекція спина на напрямок руху буде тепер позитивною, і такий електрон виглядатиме як правий, а не лівий. Відповідно і його Z-заряд має бути таким самим, як у правого електрона з уявного світу. Але такого не може бути: значення заряду не повинно залежати від системи відліку. Суперечність очевидна. Наголосимо, що ми прийшли до нього, припускаючи, що Z-заряд зберігається; інакше про його значення для цієї частки й говорити не доводиться.
Ця суперечність показує, що симетрії Стандартної моделі (для певності говоритимемо про неї, хоча все сказане відноситься до будь-якого іншого варіанту теорії) мали б забороняти існування мас не тільки у W ± - і Z-бозонів, а й у ферміонів. Але до чого тут симетрії?
При тому, що вони повинні призводити до збереження Z-заряду. Вимірявши Z-заряд електрона, ми змогли б однозначно сказати, лівий цей електрон чи правий. А це можливе лише тоді, коли маса електрона дорівнює нулю.
Таким чином, у світі, де всі симетрії Стандартної моделі реалізовувалися б так само, як у електродинаміці, всі елементарні частки мали б нульові маси. Але у реальному світі маси вони мають, отже, з симетріями Стандартної моделі щось має відбуватися.
Порушення симетрії
Говорячи про зв'язок симетрії із законами збереження та заборонами, ми згаяли одну обставину. Воно полягає в тому, що закони збереження та симетрійні заборони виконуються лише тоді, коли симетрія є явно. Однак симетрії можуть бути порушеними. Наприклад, в однорідному зразку заліза при кімнатній температурі може бути магнітне поле, спрямоване в якусь сторону; тоді зразок є магнітом. Якби існували мікроскопічні істоти, які усередині нього, вони виявили, що ні напрями простору рівноправні. На електрон, що летить упоперек магнітного поля, діє сила Лоренца з боку магнітного поля, а на електрон, що летить вздовж нього, сила не діє. Електрон вздовж магнітного поля рухається прямою, поперек поля по колу, а загальному випадку — по спіралі. Отже, магнітне поле всередині зразка порушує симетрію щодо обертань у просторі. У зв'язку з цим усередині магніту не виконується і закон збереження кутового моменту: при русі електрона спіралі проекція кутового моменту на вісь, перпендикулярну магнітному полю, змінюється з часом.
Тут ми маємо справу зі спонтанним порушенням симетрії. У відсутність зовнішніх впливів (наприклад, магнітного поля Землі) у різних зразках заліза магнітне поле може бути спрямоване в різні сторони, і жоден з цих напрямків не кращий за інший. Вихідна симетрія щодо обертань, як і раніше, є і проявляється вона в тому, що магнітне поле в зразку може бути спрямоване будь-куди. Але якщо магнітне поле виникло, з'явилося і виділений напрямок, і симетрія всередині магніту виявилася порушеною. На більш формальному рівні рівняння, що управляють взаємодією атомів заліза між собою та з магнітним полем, симетричні щодо обертань у просторі, але стан системи цих атомів – зразка заліза – несиметричний. У цьому полягає явище спонтанного порушення симетрії. Зазначимо, що ми тут говоримо про найвигідніший стан, який має найменшу енергію; такий стан називають основним. Саме в ньому зрештою виявиться зразок заліза, навіть якщо спочатку він був ненамагніченим.
Отже, спонтанне порушення деякої симетрії має місце тоді, коли рівняння теорії симетричні, а основний стан немає. Слово «спонтанне» вживають у разі у зв'язку з тим, що система сама, без нашої участі, вибирає несиметричний стан, оскільки саме воно енергетично найбільш вигідне. З наведеного прикладу ясно, що якщо симетрія спонтанно порушена, то закони збереження і заборони, що випливають з неї, не працюють; у нашому прикладі це стосується збереження кутового моменту. Підкреслимо, що повна симетрія теорії може бути порушена лише частково: у нашому прикладі із повної симетрії щодо всіх обертань у просторі явної, непорушеної залишається симетрія щодо обертань навколо напряму магнітного поля.
Мікроскопічні істоти, що живуть усередині магніту, могли б поставити собі питання: «У нашому світі не всі напрямки рівноправні, кутовий момент не зберігається, але чи справді простір несиметричний щодо обертань?» Вивчивши рух електронів і побудувавши відповідну теорію (у разі електродинаміку), вони зрозуміли, що у відповідь це питання негативний: її рівняння симетричні, але це симетрія спонтанно порушена рахунок «розлитого» всюди магнітного поля. Розвиваючи теорію далі, вони передбачили б, що поле, що відповідає за спонтанне порушення симетрії, повинно мати свої кванти, фотони. І, збудувавши всередині магніту маленький прискорювач, з радістю переконалися б, що ці кванти справді існують – вони народжуються у зіткненнях електронів!
Загалом ситуація у фізиці елементарних частинок схожа на описану. Але є й важливі відмінності. По-перше, ні про яке середовище на кшталт кристалічних ґрат атомів заліза говорити не доводиться. У природі стан із найнижчою енергією - вакуум (за визначенням!). Це не означає, що у вакуумі — основному стані природи — не може бути однорідно «розлитих» полів, подібних до магнітного поля в нашому прикладі. Навпаки, нестиковки, про які ми говорили, свідчать, що симетрії Стандартної моделі (точніше їх частина) повинні бути спонтанно порушеними, а це передбачає, що у вакуумі є якесь поле, що забезпечує це порушення. По-друге, йдеться не про просторово-часові, як у нашому прикладі, а про внутрішні симетрії. Просторово-часові симетрії, навпаки, не повинні порушуватись через присутність поля у вакуумі. Звідси випливає важливий висновок: на відміну від магнітного, це поле не повинно виділяти жодного напряму у просторі (точніше, у просторі-часі, оскільки ми маємо справу з релятивістською фізикою). Поля із такою властивістю називають скалярними; їм відповідають частинки спина 0. Отже, поле, «розлите» у вакуумі і яке призводить до порушення симетрії, має бути досі невідомим, новим. Справді, відомим полям, про які ми явно чи неявно згадували вище - електромагнітному полю, полям W ± - і Z-бозонів, глюонів, - відповідають частинки спина 1. Такі поля виділяють напрямки у просторі-часі та називаються векторними, а нам потрібне поле скалярне. Поля, що відповідають ферміонам (спін 1/2), теж годяться. По-третє, нове поле має порушувати симетрії стандартної моделі не повністю, внутрішня симетрія електродинаміки повинна залишатися непорушеною. Нарешті, і це найголовніше, взаємодія нового поля, «розлитого» у вакуумі, з W±- та Z-бозонами, електронами та іншими ферміонами має призводити до появи мас у цих частинок.
Механізм генерації мас частинок зі спином 1 (у природі це W ± - і Z-бозони) за рахунок спонтанного порушення симетрії запропонували в контексті фізики елементарних частинок теоретики з Брюсселя Франсуа Енглер і Роберт Браут в 1964 році і трохи пізніше - фізик з Едінбург .
Дослідники спиралися на уявлення про спонтанне порушення симетрії (але в теоріях без векторних полів, тобто без частинок спина 1), яке запровадили у 1960-1961 роках у своїх роботах Й. Намбу, він також спільно з Дж. Йона-Лазініо, Ст. Г. Вакс та А. І. Ларкін, Дж. Голдстоун (Йоічіро Намбу отримав за цю роботу Нобелівську премію у 2008 році). На відміну від попередніх авторів, Енглер, Браут і Хіггс розглянули теорію (на той час умоглядну), в якій є як скалярне (спин 0), так і векторне поле (спин 1). У цій теорії є внутрішня симетрія, цілком аналогічна симетрії електродинаміки, яка призводить до збереження електричного заряду і до заборони маси фотона. Але на відміну електродинаміки внутрішня симетрія спонтанно порушена однорідним скалярним полем, що у вакуумі. Чудовим результатом Енглера, Браута і Хіггса стала демонстрація того факту, що це порушення симетрії автоматично спричиняє появу маси у частинки спина 1 – кванта векторного поля!
Досить прямолінійне узагальнення механізму Енглера - Браута - Хіггса, пов'язане з включенням в теорію ферміонів та їх взаємодії з скалярним полем, що порушує симетрію, призводить до появи маси і у ферміонів. Все починає ставати на свої місця! Стандартна модель виходить як подальше узагальнення. У ній тепер є не одне, а кілька векторних полів - фотона, W ± - і Z-бозонів (глюони - це окрема історія, вони до механізму Енглера-Браута-Хіггса не мають відношення) і різних типів ферміонів. Останній крок насправді дуже нетривіальний; за формулювання повної теорії слабких та електромагнітних взаємодій Стівен Вайнберг, Шелдон Глешоу та Абдус Салам отримали у 1979 році Нобелівську премію.
Повернемося 1964 року. Для аналізу своєї теорії Енглер і Браут використовували досить химерний за сьогоднішніми мірками підхід. Напевно, тому вони не помітили, що поряд з масивною частинкою спина 1 теорія передбачає існування ще однієї частинки - бозона зі спином 0. А ось Хіггс помітив, і зараз цю нову частину безспінів часто називають бозоном Хіггса. Як уже зазначалося, така термінологія не цілком коректна: вперше запропонували використовувати скалярне поле для спонтанного порушення симетрії та генерації мас частинок спина 1 все ж таки Енглер і Браут. Не вдаючись більше в термінологію, підкреслимо, що новий бозон з нульовим спином є квантом того самого скалярного поля, яке порушує симетрію. І у цьому його унікальність.
Тут слід зробити уточнення. Повторимо, що якби спонтанного порушення симетрії не було, то W±- та Z-бозони були б безмасовими. Кожен із трьох бозонів W + , W - , Z мав би, як фотон, дві поляризації. Разом, вважаючи частинки з різними поляризаціями неоднаковими, ми мали б 2 × 3 = 6 типів W ± - і Z-бозонів. У Стандартній моделі W ± - і Z-бозони масивні, кожен з них має три спинові стани, тобто три поляризації, разом 3 × 3 = 9 типів частинок - квантів полів W ± , Z. Постає питання, звідки взялися три «зайвих» типи квантів? Справа в тому, що стандартної моделі необхідно мати не одне, а чотири скалярні поля Енглера - Браута - Хіггса. Квант одного з них це бозон Хіггса. А кванти трьох інших у результаті спонтанного порушення симетрії якраз і перетворюються на три «зайві» кванти, що є у масивних W±- та Z-бозонів. Вони давно знайдені, якщо відомо, що W ± - і Z-бозони мають масу: три «зайвих» спинових стану W + -, W - і Z-бозонів – це вони і є.
Ця арифметика, до речі, узгоджується з тим, що всі чотири поля Енглера – Браута – Хіггса – скалярні, їхні кванти мають нульовий спин. Безмасові W ± - та Z-бозони мали б проекції спина на напрямок руху, рівні -1 та +1. Для масивних W ± - і Z-бозонів ці проекції набувають значення -1, 0 і +1, тобто «зайві» кванти мають нульову проекцію. Три поля Енглера – Браута – Хіггса, з яких ці «зайві» кванти виходять, теж мають нульову проекцію спина на напрямок руху просто тому, що їхній вектор спина дорівнює нулю. Все сходиться.
Отже, бозон Хіггса – це квант одного з чотирьох скалярних полів Енглера-Браута-Хіггса у Стандартній моделі. Три інших поїдаються (науковий термін!) W ± - і Z-бозонами, перетворюючись на їх треті, недостатні спинові стани.
А чи так уже потрібний новий бозон?
Найдивовижніше в цій історії полягає в тому, що сьогодні ми розуміємо: механізм Енглера – Браута – Хіггса – аж ніяк не єдиний можливий механізм порушення симетрії у фізиці мікросвіту та генерації мас елементарних частинок, а бозон Хіггса міг би і не існувати. Наприклад, у фізиці конденсованих середовищ (рідин, твердих тіл) є безліч прикладів спонтанного порушення симетрії та різноманітності механізмів цього порушення. І здебільшого нічого схожого на бозон Хіггса в них немає.
Найближчий твердотельний аналог спонтанного порушення симетрії Стандартної моделі у вакуумі - спонтанне порушення внутрішньої симетрії електродинаміки в товщі надпровідника. Воно призводить до того, що у надпровіднику фотон у певному сенсі має масу (як W ± - і Z-бозони у вакуумі). Виявляється це в ефекті Мейсснера - виштовхування магнітного поля з надпровідника. Фотон "не хоче" проникати всередину надпровідника, де він стає масивним: йому там "важко", енергетично невигідно там перебувати (згадайте: Е = mс 2). Магнітне поле, яке можна дещо умовно вважати набором фотонів, має ту саму властивість: воно у надпровідник не проникає. Це і є ефект Мейсснера.
Ефективна теорія надпровідності Гінзбурга Ландау надзвичайно схожа на теорію Енглера Браута Хіггса (точніше, навпаки: теорія Гінзбург Ландау на 14 років старше). У ній теж є скалярне поле, яке однорідно «розлите» надпровідником і призводить до спонтанного порушення симетрії. Проте теорію Гінзбурга — Ландау недарма називають ефективною: вона вхоплює, образно кажучи, зовнішній бік явища, але неадекватна розуміння фундаментальних, мікроскопічних причин виникнення надпровідності. Жодного скалярного поля в надпровіднику насправді немає, в ньому є електрони та кристалічні грати, а надпровідність обумовлена особливими властивостями основного стану системи електронів, що виникають завдяки взаємодії між ними (див. «Наука і життя» № 2, 2004, стаття « ».- Прим.ред.).
Чи не може подібна картина мати місце і в мікросвіті? Чи не виявиться так, що ніякого фундаментального скалярного поля, «розлитого» у вакуумі, немає, а спонтанне порушення симетрії спричинене зовсім іншими причинами? Якщо міркувати суто теоретично і не звертати уваги на експериментальні факти, то відповідь на це запитання ствердна. Вдалим прикладом є так звана модель техніцвіту, запропонована в 1979 році вже згадуваним Стівеном Вайнбергом і незалежно Леонардом Саскіндом.
У ній немає ні фундаментальних скалярних полів, ні бозона Хіггса, а замість них багато нових елементарних частинок, що за своїми властивостями нагадують кварки. Взаємодія між ними і призводить до спонтанного порушення симетрії та генерації мас W±- та Z-бозонів. З масами відомих ферміонів, наприклад електрона, справа гірша, але і цю проблему можна вирішити за рахунок ускладнення теорії.
Уважний читач може запитати: «А як же з аргументами попереднього розділу, які говорять, що порушувати симетрію має саме скалярне поле?» Лазейка тут у тому, що це скалярне поле може бути складним, у тому сенсі, що відповідні йому частинки-кванти не є елементарними, але складаються з інших, «істинно» елементарних частинок.
Згадаймо у зв'язку з цим квантово-механічне співвідношення невизначеностей Гайзенберга Δх ×Δр ≥ ћ, де Δх і Δр — невизначеності координати та імпульсу відповідно. Один з його проявів полягає в тому, що структура складових об'єктів з характерним внутрішнім розміром Δх проявляється лише в процесах за участю частинок з досить високими імпульсами р ≥ћ/Δх, а отже, із досить великими енергіями. Тут доречно нагадати про Резерфорд, який бомбардував атоми електронами високих на той час енергій і таким чином з'ясував, що атоми складаються з ядер та електронів. Розглядаючи атоми в мікроскоп навіть із найдосконалішою оптикою (тобто використовуючи світло — фотони низьких енергій), виявити, що атоми складові, а не елементарні, точкові частинки неможливо: не вистачає дозволу.
Отже, при низьких енергіях складова частка виглядає як елементарна. Для ефективного опису таких частинок при низьких енергіях цілком можна вважати квантами деякого поля. Якщо спин складової частки дорівнює нулю, це поле скалярне.
Подібна ситуація реалізується, наприклад, у фізиці π-мезонів, частинок зі спином 0. До середини 1960-х років не було відомо, що вони складаються з кварків та антикварків (кварковий склад π + -, π - - та π 0 -мезонів - це ud̃, dũ та комбінація з uũ та dd̃ відповідно).
Тоді π-мезон описувалися елементарними скалярними полями. Тепер ми знаємо, що ці частинки складові, але «стара» польова теорія π-мезонів залишається чинною, оскільки розглядаються процеси при низьких енергіях. Лише при енергіях порядку 1 ГеВ і вище починає виявлятися їхня кваркова структура, і теорія перестає працювати. Енергетичний масштаб 1 ГеВ тут з'явився невипадково: це масштаб сильних взаємодій, що зв'язують кварки в π-мезони, протони, нейтрони і т.д., це масштаб мас часток, що сильно взаємодіють, наприклад протона. Зазначимо, що самі π-мезони стоять особняком: тому, про яку ми не будемо тут говорити, вони мають набагато менші маси: m π± = 140 МеВ, m π0 = 135 МеВ.
Отже, скалярні поля, відповідальні за спонтанне порушення симетрії, можуть бути складовими. Саме таку ситуацію передбачає модель технічного кольору. При цьому три безспінові кванти, які поїдаються W ± - і Z-бозонами і стають їх відсутніми спиновими станами, мають близьку аналогію з π + -, π - - і π 0 -мезонами. Тільки відповідний енергетичний масштаб не 1 ГеВ, а кілька ТеВ. У такій картині очікується існування багатьох нових складових частинок — аналогів протона, нейтрону і т.д. - З масами порядку декількох ТеВ. Порівняно легкий бозон Хіггса у ній, навпаки, відсутня. Ще одна особливість моделі в тому, що W ± - і Z-бозони в ній - частки частково складові, оскільки, як ми сказали, деякі їх компоненти аналогічні π-мезон. Це мало б виявлятися у взаємодіях W ± - і Z-бозонів.
Саме остання обставина призвела до того, що модель техніцвета (принаймні, у її початковому формулюванні) була відкинута задовго до виявлення нового бозона: точні вимірювання властивостей W ± - і Z-бозонів на LEP і SLC не узгоджуються з прогнозами моделі.
Ця вродлива теорія була розгромлена впертими експериментальними фактами, а відкриття бозона Хіггса поставило на ній остаточний хрест. Проте для мене, як і для інших теоретиків, ідея про складові скалярні поля привабливішої теорії Енглера — Браута — Хіггса з елементарними скалярними полями. Звичайно, після відкриття в ЦЕРНі нового бозона ідея про складеність виявилася ще складнішою, ніж раніше: якщо ця частка складова, вона повинна досить успішно мімікрувати під елементарний бозон Хіггса. І все ж таки поживемо — побачимо, що покажуть експерименти на LHC, насамперед точніші виміри властивостей нового бозона.
Відкриття зроблено. Що далі?
Повернемося, як робоча гіпотеза, до мінімальної версії теорії — Стандартної моделі з одним елементарним бозоном Хіггса. Оскільки в цій теорії саме поле (точніше, поля) Енглера – Браута – Хіггса дає маси всім елементарним частинкам, взаємодія кожної з цих частинок з бозоном Хіггса жорстко фіксована. Чим більша маса частинки, тим сильніша взаємодія; чим сильніша взаємодія, тим ймовірнішим є розпад бозона Хіггса на пару частинок даного сорту. Розпади бозона Хіггса на пари реальних частинок tt̃, ZZ та W+W- заборонені законом збереження енергії. Він вимагає, щоб сума мас продуктів розпаду була меншою за масу частки, що розпадалася (знову згадуємо Е = mс 2), а у нас, нагадаємо, m н ≈ 125 ГеВ, m t = 173 ГеВ, m z = 91 ГеВ і m w = 80 ГеВ. Наступним по масі стоїть b-кварк з m b = 4 ГеВ, і саме тому, як ми говорили, бозон Хіггса найохочіше розпадається на пару bb̃. Цікавим є і розпад бозона Хіггса на пару досить важких τ-лептонів H → τ + τ - (m τ = 1,8 ГеВ), що відбувається з ймовірністю 6%. Розпад H → μ + μ - (m µ = 106 МеВ) повинен відбуватися з ще меншою, але все ж таки не зникаючою ймовірністю 0,02%. Крім обговорюваних вище розпадів H → γγ; H → 4ℓ та H → 2ℓ2ν, відзначимо розпад H → Zγ, ймовірність якого має становити 0,15%. Всі ці ймовірності можна буде виміряти на LHC і будь-яке відхилення від цих передбачень означатиме, що наша робоча гіпотеза — Стандартна модель — неправильна. І навпаки, згода з передбаченнями Стандартної моделі все більше переконуватиме нас у її справедливості.
Те саме можна сказати і про народження бозона Хіггса у сутичках протонів. Бозон Хіггса може народжуватися поодинці при взаємодії двох глюонів, разом з парою легких кварків високих енергій, разом з одним W або Z-бозоном або, нарешті, разом з парою tt̃. Частинки, що народжуються разом із бозоном Хіггса, можна детектувати та ототожнювати, тому різні механізми народження можна вивчати на LHC окремо. Тим самим вдається витягувати інформацію про взаємодію бозона Хіггса з W±-, Z-бозонами та t-кварком.
Зрештою, важлива властивість бозона Хіггса — його взаємодія із самим собою. Воно має виявлятися у процесі Н* → ПН, де Н* — віртуальна частка. Властивості цієї взаємодії теж однозначно передбачає Стандартна модель. Втім, його вивчення – справа віддаленого майбутнього.
Отже, на LHC є велика програма вивчення взаємодій нового бозона. В результаті її виконання стане більш менш ясно, чи описує природу Стандартна модель або ми маємо справу з якоюсь іншою, більш складною (а можливо, і більш простою) теорією. Подальше просування пов'язані з істотним підвищенням точності вимірів; воно вимагатиме будівництва нового електрон-позитронного прискорювача — е+е-колайдера з рекордною для такого типу машин енергією. Дуже можливо, що на цьому шляху нас чекає безліч сюрпризів.
Замість висновку: у пошуках «нової фізики»
З «технічної» погляду Стандартна модель внутрішньо несуперечлива. Тобто в її рамках можна - хоча б у принципі, а як правило, і на практиці - обчислити будь-яку фізичну величину (зрозуміло, що відноситься до тих явищ, які вона покликана описувати), і результат не міститиме невизначеностей. Проте багато хто, хоч і не всі, теоретики вважають стан справ у Стандартній моделі, м'яко кажучи, не цілком задовільним. І пов'язано це насамперед із її енергетичним масштабом.
Як зрозуміло з попереднього, енергетичний масштаб Стандартної моделі має порядок M см = 100 ГеВ (ми тут не говоримо про сильні взаємодії з масштабом 1 ГеВ, з ним все простіше). Це масштаб мас W ± - і Z-бозонів і бозона Хіггса. Чи багато це чи мало? З експериментальної точки зору — неабияк, а ось з теоретичної...
У фізиці є ще один масштаб енергії. Він пов'язаний з гравітацією і дорівнює масі Планка M pl = 1019 ГеВ. При низьких енергіях гравітаційні взаємодії між частинками дуже малі, але вони посилюються зі зростанням енергії, і при енергіях порядку M pl гравітація стає сильною. Енергії вище M pl - це область квантової гравітації, що б вона собою не являла. Для нас важливо, що гравітація — мабуть, найфундаментальніша взаємодія та гравітаційний масштаб Mpl — найбільш фундаментальний масштаб енергій. Чому ж тоді масштаб Стандартної моделі Мсм = 100 ГеВ такий далекий від M pl = 1019 ГеВ?
У зазначеної проблеми є ще один, тонший аспект. Він пов'язаний із властивостями фізичного вакууму. У квантовій теорії вакуум – основний стан природи – влаштований дуже нетривіально. У ньому постійно народжуються і знищуються віртуальні частки; іншими словами, утворюються та зникають флуктуації полів. Безпосередньо спостерігати ці процеси ми можемо, але вони впливають на спостережувані властивості елементарних частинок, атомів тощо. Наприклад, взаємодія електрона в атомі з віртуальними електронами і фотонами призводить до явища, що спостерігається в атомних спектрах, — лембівського зрушення. Інший приклад: поправка до магнітного моменту електрона або мюона (аномальний магнітний момент) також зумовлена взаємодією з віртуальними частинками. Ці та подібні ефекти обчислені та виміряні (у зазначених випадках з фантастичною точністю!), так що ми можемо бути впевнені, що маємо правильну картину фізичного вакууму.
У цій картині всі параметри, що спочатку закладені в теорію, отримують поправки, звані радіаційними, за рахунок взаємодії з віртуальними частинками. У квантовій електродинаміці вони малі, а от у секторі Енглера – Браута – Хіггса вони величезні. Така особливість елементарних скалярних полів, що становлять цей сектор; в інших полів цієї властивості немає. Головний ефект тут полягає в тому, що радіаційні поправки прагнуть «підтягнути» енергетичний масштаб стандартної моделі M см до гравітаційного масштабу M pl . Якщо залишатися в рамках Стандартної моделі, то єдиний вихід - підібрати початкові параметри теорії так, щоб разом з радіаційними поправками вони призводили до правильного значення M см. Проте з'ясовується, що точність припасування повинна становити величину, близьку до M см 2 /M pl 2 = 10 -34! У цьому полягає другий аспект проблеми енергетичного масштабу Стандартної моделі: видається неправдоподібним, що таке припасування має місце у природі.
Багато (хоч, повторимо, не всі) теоретики вважають, що ця проблема однозначно свідчить про необхідність виходу за рамки стандартної моделі. Дійсно, якщо Стандартна модель перестає працювати або істотно розширюється на енергетичному масштабі «нової фізики — НФ» M нф, то необхідна точність припасування параметрів становитиме, грубо кажучи, М 2 см / М 2 нф, а насправді на два менше. Якщо вважати, що тонкої підстроювання параметрів у природі немає, то масштаб «нової фізики» повинен лежати в області 1—2 ТеВ, тобто саме в області, доступній для дослідження на Великому адронному колайдері!
Якою б могла бути «нова фізика»? Єдності у теоретиків із цього приводу немає. Один варіант - складова природа скалярних полів, що забезпечують спонтанне порушення симетрії, про яке вже йшлося. Інша, теж популярна (поки що?) можливість – суперсиметрія, про яку скажемо тільки, що вона передбачає цілий зоопарк нових частинок з масами в області сотень ГеВ – кількох ТеВ. Обговорюються й екзотичні варіанти на кшталт додаткових вимірів простору (скажімо, так звана М-теорія — див. «Наука і життя» №№ 2, 3, 1997 р., стаття «Суперструни: на шляху до теорії всього». — Прим. ред. .).
Незважаючи на всі зусилля, досі жодних експериментальних вказівок на «нову фізику» не отримано. Це взагалі вже починає вселяти тривогу: а чи правильно ми все розуміємо? Цілком можливо, втім, що ми ще не дісталися «нової фізики» за енергією та кількістю набраних даних і що саме з нею будуть пов'язані нові, революційні відкриття. Основні надії тут покладають знову ж таки на Великий адронний колайдер, який через півтора роки почне працювати на повну енергію 13—14 ТЕВ та швидко набирати дані. Слідкуйте за новинами!
Машини точних вимірювань та відкриттів
Фізика елементарних частинок, яка вивчає найкрихітніші об'єкти в природі, потребує гігантських дослідницьких установок, де ці частинки прискорюються, стикаються, розпадаються. Найпотужніші з них – колайдери.
Колайдер— це прискорювач із зустрічними пучками частинок, у якому частинки стикаються «лоб у лоб», наприклад, електрони та позитрони в е+е-колайдерах. До цього часу були створені також протон-антипротонні, протон-протонні, електрон-протонні та ядро-ядерні (або важкоіонні) колайдери. Інші можливості, наприклад, μ + μ - колайдер, поки що тільки обговорюються. Основними колайдерами для фізики елементарних частинок служать протон-антипротонні, протон-протонні та електрон-позитронні.
Великий адронний колайдер (LHC)- Протон-протонний, він прискорює два пучки протонів один назустріч іншому (може також працювати і як важкоіонний колайдер). Проектна енергія протонів у кожному з пучків становить 7 ТеВ, тому повна енергія зіткнення — 14 ТеВ. 2011 року колайдер працював на половині цієї енергії, а 2012 року — на повній енергії 8 ТеВ. Великий адронний колайдер є кільцем довжиною 27 км, в якому протони прискорюють електричні поля, а утримують поля, створені надпровідними магнітами. Зіткнення протонів відбуваються у чотирьох місцях, де розташовані детектори, що реєструють частинки, що народжуються у зіткненнях. ATLAS та CMS призначені для досліджень у галузі фізики елементарних частинок високої енергії; LHC-b – для вивчення частинок, у складі яких є b-кварки, а ALICE – для досліджень гарячої та щільної кварк-глюонної матерії.
Spp̃S- Протон-антипротонний колайдер у ЦЕРНі. Довжина кільця 6,9 км., максимальна енергія зіткнення 630 ГеВ. Працював із 1981 по 1990 рік.
LEP- Кільцевий електрон-позитронний колайдер з максимальною енергією зіткнення 209 ГеВ, розташований у тому ж тунелі, що і LHC. Працював із 1989 по 2000 рік.
SLC- Лінійний електрон-позитронний колайдер в SLAC, США. Енергія зіткнення 91 ГеВ (маса Z-бозону). Працював із 1989 по 1998 рік.
Tevatron - кільцевий протон-антипротонний колайдер у Fermilab, США. Довжина кільця 6 км, максимальна енергія зіткнення 2 ТЕВ. Працював з 1987 до 2011 року.
Порівнюючи протон-протонні та протон-антипротонні колайдери з електрон-позитронними, потрібно мати на увазі, що протон - складова частка, він містить у собі кварки та глюони. Кожен із цих кварків і глюонів несе лише частину енергії протона. Тому у Великому адронному колайдері, наприклад, енергія елементарного зіткнення (між двома кварками, між двома глюонами або кварка з глюоном) помітно нижче сумарної енергії протонів, що стикаються (14 ТЕВ при проектних параметрах). Через це область енергій, доступних для вивчення на ньому, досягає «всього» 2-4 ТеВ, залежно від процесу, що вивчається. Такої особливості електрон-позитронні колайдери не мають: електрон - елементарна, безструктурна частка.
Перевага протон-протонних (і протон-антипротонних) колайдерів у тому, що навіть з урахуванням цієї особливості досягти високих енергій зіткнень на них технічно простіше, ніж на електрон-позитронних. Є й мінус. Через складову структуру протона, а також через те, що кварки та глюони взаємодіють між собою набагато сильніше, ніж електрони з позитронами, у зіткненнях протонів відбувається набагато більше подій, не цікавих з погляду пошуку бозону Хіггса чи інших нових частинок і явищ. Цікаві ж події виглядають у протонних зіткненнях «бруднішими», у яких народжується багато «сторонніх», нецікавих частинок. Все це створює шум, виділити з якого корисний сигнал складніше, ніж на електрон-позитронних колайдерах. Відповідно нижче і точність вимірів. Через все це протон-протонні (і протон-антипротонні) колайдери називають машинами відкриттів, а електрон-позитронні — машинами точних вимірів.
Стандартне відхилення(Середньоквадратичне відхилення) σ х - характеристика випадкових відхилень виміряної величини від середнього значення. Імовірність того, що виміряне значення величини X випадковим чином виявиться різним на 5 х від істинного, становить всього 0,00006%. Саме тому у фізиці елементарних частинок відхилення сигналу від фону на 5? вважають достатнім для визнання сигналу істинним.
Частинки, Перелічені в Стандартній моделі, крім протона, електрона, нейтрино та їх античасток, нестабільні: вони розпадаються на інші частки. Втім, два типи нейтрино з трьох теж мають бути нестабільними, але їхній час життя надзвичайно великий. У фізиці мікросвіту діє принцип: все, що може відбуватися, справді відбувається. Тому стабільність частки пов'язана із якимось законом збереження. Електрону та позитрону забороняє розпадатися закон збереження заряду. Найлегше нейтрино (спин 1/2) не розпадається через збереження кутового моменту. Розпад протона заборонено законом збереження ще одного «заряду», який називають баріонним числом (баріонне число протона за визначенням дорівнює 1, а легших частинок — нулю).
З баріонним числом пов'язана ще одна внутрішня симетрія. Точна вона чи наближена, чи стабільний протон, чи має кінцевий, хоч і дуже великий час життя — предмет окремої розмови.
Кварки- Один з типів елементарних частинок. У вільному стані вони не спостерігаються, а завжди пов'язані один з одним і утворюють складові частинки – адрони. Єдиний виняток - t-кварк, він розпадається, не встигнувши поєднатися з іншими кварками або антикварками в адрон. До адронів відносяться протон, нейтрон, π-мезони, К-мезони та ін.
b-кварк - один із шести типів кварків, другий за масою після t-кварка.
Мюон - важкий нестабільний аналог електрона з масою m μ = 106 МеВ. Час життя мюона Т μ = 2·10 -6 секунд досить великий для того, щоб він пролітав через весь детектор, не розпадаючись.
Віртуальна часткавідрізняється від реальної тим, що для реальної частки виконується звичайне релятивістське співвідношення між енергією та імпульсом Е 2 = р 2 з 2 + m 2 з 4 а для віртуальної не виконується. Таке можливе завдяки квантово-механічному співвідношенню ΔE·Δt ~ ħ між невизначеністю енергії ΔЕ та тривалістю процесу Δt. Тому віртуальна частка майже миттєво розпадається або анігілює з іншого (її час життя Δt дуже мало), а реальна живе помітно довше або взагалі стабільна.
Лембовський зсув рівнів- невелике відхилення тонкої структури рівнів атома водню та водневих атомів під дією випромінювання та поглинання ними віртуальних фотонів або віртуального народження та анігіляції електрон-позитронних пар. Ефект виявили 1947 року американські фізики У. Лемб і Р. Резерфорд.
У фізиці досі залишається чимало понять та явищ, які є незбагненними для звичайного людського сприйняття. Одним із таких оригінальних понять можна по праву назвати бозон Хіггса. Варто детальніше розглянути, що ми про нього знаємо і наскільки це явище може бути розкрите для пересічних обивателів.
Бозоном Хіггса називають елементарну частинку, яка має властивість виникати у процесі хіггсівського механізму спонтанного порушення електрослабкої симетрії у стандартній моделі фізики елементарних частинок.
Довгі пошуки елементарної частки
Частку постулював британський фізик Пітер Хіггс у фундаментальних статтях, що вийшли в 1964 році. І лише за кілька десятиліть передбачене теоретично поняття було закріплено конкретними результатами пошуків. У 2012 році було виявлено нову частинку, яка і стала найбільш явним кандидатом на цю роль. А вже у березні 2013 року інформація підтвердилася окремими дослідниками. CERN, і знайдену частку визнали бозоном Хіггса.
Для такого роду серйозних досліджень був , на якому багато років продовжуються випробування та розробки. Але навіть виявлені результати фахівці не поспішають відкрито оприлюднити, воліючи більш ретельно все перевіряти ще раз і довести.
Бозон Хіггса є останньою знайденою частинкою стандартної моделі. При цьому в засобах масової інформації офіційний фізичний термін називають «клятою частинкою» – за запропонованим варіантом Леоном Ледерманом. Хоча в назві своєї книги нобелівський лауреат вжив вираз «частка бога», який згодом не прижився.
Хіггсівський бозон доступною мовою
Що таке бозон Хіггса багато вчених намагалися пояснити найдоступніше для середньостатистичного мислення. Міністром науки Великобританії у 1993 році навіть було оголошено конкурс на найпростіше пояснення цього фізичного поняття. Більш доступною при цьому визнали порівняльний варіант із вечіркою. Виглядає варіант наступним чином:
- у велику кімнату, в якій починається вечірка, у певний момент заходить відома особистість;
- за відомою особистістю рухаються гості, які хочуть поспілкуватися з людиною, при цьому ця особа пересувається з меншою швидкістю, ніж решта;
- потім у загальній масі починають збиратися окремі групки (скупчення людей), які обговорюють якусь новину, плітку;
- люди передають новину від групи до групи, унаслідок чого утворюються невеликі ущільнення серед народу;
- в результаті складається враження, що групи людей обговорюють плітку, тісно оточивши відому особистість, але її участі.
У порівняльному співвідношенні виходить, що загальна кількість людей у кімнаті – це і є поле Хіггса, групи людей є обуренням поля, а найвідоміша особа – частка, яка у цьому полі рухається.
Безперечна важливість бозона Хіггса
Важливість елементарної частки, хоч би як вона у результаті називалася, залишається незаперечною. Насамперед вона є необхідною під час здійснення розрахунків, що проводяться в теоретичній фізиці для вивчення будови Всесвіту.
Фізиками-теоретиками було припущено, що бозонами Хіггса заповнено весь простір, що оточує нас. І при взаємодії з іншими видами частинок бозони повідомляють їх про свою масу. Виходить, якщо є можливість обчислення маси елементарних частинок, те й обчислення самого бозона Хіггса вважатимуться справою вирішеним.
Існує стандартна модель, яка описує будову світу. Одна зі складових – бозон Хіггса. Простою мовою - це елементарна частка, що надає іншим масу іншим часткам. Але навіщо вона потрібна? І чому подія у 2012 році викликала такий резонанс та шум у наукових колах?
Стандартна модель
Сучасний опис світу вчених-фізиків називається теорія Стандартної моделі. У ній зазначено, як елементарні частинки взаємодіють між собою. У науці існує чотири фундаментальні взаємодії:
- Гравітаційний.
- Сильне.
- Слабке.
- Електромагнітний.
У Стандартну модель входять лише три, гравітаційне має іншу природу. За теорією речовина має дві складові:
- Ферміони – 12 штук;
- Бозони – 5 штук.
Про бозон Хіггса вперше заговорили 1964 року, але до 2012 року це залишалося лише теорією. Вчені схилялися до того що, що цей елемент відповідає масу інших часток. І ось було доведено експериментально, що бозон Хіггса – квант поля Хіггса, справді забезпечує решті масу.
У колайдері знайдено частинку бозона Хіггса
Пошуки проводилися під час використання колайдера Теватрон (США). Наприкінці 2011 року було виявлено сліди, під час розпаду на b-кварки, елемент бозона Хіггса. У роботі за допомогою Великого адронного колайдера це помітили лише через рік, у 2012. Такий великий часовий проміжок пов'язаний з тим, що в останньому зустрічаються й багато інших елементів.
Потім, щоб упевнитися в результатах, полювання на бозон почали проводити і на інших пристроях.
У результаті піввікова теорія підтвердилася експериментально, а свою назву бозон отримавна честь свого провісника та одного із творців Стандартної моделі - Пітера Хіггса . В даний час фізики впевнені, що змогли довести і заповнити ланку, що бракує, з опису будови світу.
Хто він – Пітер Хіггс?
Всесвітньо відомий британський учений Пітер Хіггс народився 29 травня 1929 року. Його батько був інженером компанії ВВС.
Основні факти та періоди життя:
- Зі шкільної лави Пітер захоплювався математикою та фізикою, читав лекції та роботи популярних наукових діячів.
- Після школи він вступив до Королівського коледжу в Лондоні і благополучно закінчив його, захистивши дисертацію з фізики.
- Починаючи з 1960 року, учений активно почав вивчати ідею Еічіру Намбо про порушення симетрії у надпровідників. Незабаром Пітер зміг довести теорію про наявність у частинок маси. У цій роботі він висунув теорію про існування елементарної частки, яка має нульове обертання, а при контакті з іншими саме вона надає їм масу.
- Йому належить відкриття механізму, який пояснює порушення симетрії. Примітно, що він зміг його вигадати, коли гуляв горами в районі Единбурга. Цей механізм є важливим компонентом стандартної моделі.
- У 2013 році, ще за життя, експериментально було знайдено підтвердження його теорії та виявлено елемент із нульовим спином, який і отримав назву – бозон Хіггса. Сам учений, даючи інтерв'ю, говорив, що не сподівався застати цей момент за життя.
- Лауреат багатьох премій найбільш відомі: медаль Дірака, премія Вольфа з фізики, Нобелівська премія.
Що це за частка і як проходили пошуки?
Цей бозон шукали майже півстоліття. Це з тим, що експеримент простий теорії, але складний насправді. Досліди проводилися за допомогою кількох апаратів:
- електрон-позитронний колайдер;
- теватрон;
- великий адронний колайдер (БАК).
Але сили та можливості колайдера було недостатньо. Експерименти виконували регулярно, але вони не давали точних результатів. Крім цього, сам елемент Хіггса важкий, він залишає лише сліди розпаду.
Для досвіду були потрібні два протони, які рухаються на навколосвітній швидкості. Потім відбувається пряме зіткнення. Внаслідок чого вони розпадаються на складові, а ті у свою чергу – на другорядні елементи. Саме тут має виникнути бозон Хіггса.
Головна особливість та перешкода, яка заважала довести на практиці існування поля Хіггса це те, що частка з'являється на вкрай малий часовий проміжок і зникає. Але залишає сліди, завдяки яким вчені та змогли підтвердити її дійсність.
Складність експерименту та відкриття
Складність експерименту була у тому, щоб вчасно встигнути сфотографувати бозон Хіггса, а й зуміти його розпізнати. А це непросто, тому що він розпадається на різні частини:
- Кварк-антикварк.
- W-бозони.
- Лептони.
- Тау-частинки.
- Ферміони.
- Фотони.
Серед цих складових дуже складно виділити сліди поля Хіггса і навіть неможливо. Колайдер з великою ймовірністю фіксує перехід частки чотири лептона. Але й тут ймовірність становить лише 0,013%.
У результаті вчені змогли розпізнати сліди потрібного бозона та за допомогою численних дослідів довести існування. Як і припускав Пітер Х, цей елемент з нульовим спином, область маси-енергії приблизно 125 ГеВ. Розпадається на пари інших складових (фотони, ферміони та інше) і дає масу решті частинок.
Відкриття, звісно, викликало шквал сенсацій, а й розчарувань одночасно. Адже виходить, що вчені не змогли вийти далі за межі Стандартної моделі, нового витка для вивчення та напряму науки не з'явилося. А теорія, що існує, не враховує деякі важливі моменти: гравітацію, чорну матерію та інші процеси реальності.
Нині фахівці працюють над теорією появи цих явищ та його ролі у Всесвіті.
Після відкриття бозона Хіггса вчені знову відновили роботу над тим, як відбувається розвиток антиречовини до темної енергії. А цей елемент є ключовою складовою цього процесу. Фізики сподіваються, що це відкриття стане мостом і будуть знайдені нові відповіді на хвилюючі питання про те, як влаштований Всесвіт.
Бозон Хіггса простою мовою - це частка, яка надає всім іншим масу. Завдяки експериментальному підтвердженню у 2012 році вчені підібралися ближче до розгадки створення всесвіту.
Відео: просто про складне - що таке бозон Хіггса?
У цьому ролику фізик Арнольд Дейвер розповість, як і навіщо відкрили цю частинку, навіщо потрібно було будувати адронний колайдер:
