История бозона Хиггса

Если говорить образно, то после открытия бозона Стандартная модель стала похожа на здание, строители и архитекторы которого совсем не знают, откуда они берут материалы. И вот, руководствуясь этой аналогией, мы должны признать, что бозон Хиггса оказался тем кирпичиком, после положения которого стало ясно, что это здание построить по ранее утвержденному плану невозможно.

А.А.Ростовцев

Гонка за бозоном

Летом прошлого, 2012 года по локальной компьютерной сети, связывающей международное детище ЦЕРНа — Большой адронный коллайдер, или просто БАК с двумя сотнями научных центров мира, прошла долгожданная весть: обнаружены следы новой частицы — бозона Хиггса. После первых восторженных сообщений началась тщательная проверка результатов, занявшая около года, и вот — признание свершившегося факта Нобелевским комитетом.

Так выглядело одно из событий, связанное с рождением бозона Хиггса, зафиксированное детектором ALICE. Линии - траектории разлета частиц после столкновения двух протонов

В физике элементарных частиц об открытии новой частицы судят по результатам ее гибели и превращению в какие-то известные частицы. Пересчитав их с помощью детекторов и определив энергии, можно вычислить тип и массу частицы, рожденной в столкновениях быстрых электронов или протонов.

В отношении массы бозона Хиггса теория не дает ответа. Однако можно дать оценку для интервала, в котором следует искать эту частицу. С самого момента признания механизма Энглера — Браута — Хиггса этот интервал был очень широк — от 300 МэВ до 1 ТэВ, потом он постепенно сокращался. Поначалу физики недооценили трудность проблемы. Академик Л.Б.Окунь вспоминает, как в 1981 году был уверен, что мощности существовавших на тот момент ускорителей вполне хватит. Тем не менее даже построенный в 1983 году в ЦЕРНе Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP) с этим делом не справился. Он закончил работу в 2001 году, достигнув энергии столкновения частиц в 208 ГэВ. В ходе работы было зафиксировано несколько признаков неизвестной частицы с массой 114 ГэВ. Однако при детальном анализе экспериментаторы признали, что все наблюдаемые события (так в атомной физике называются столкновения, генерация и распад частиц) не выходят из границ прогнозируемого уровня фона.

В последующие годы эстафету поиска хиггсовского бозона подхватил некогда знаменитый Теватрон (Tevatron) из Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми близ Чикаго, известной во всем мире как «Фермилаб». К 2004 году команда американских физиков провела повторную обработку всех имеющихся данных и сумела существенно уточнить верхнюю границу массы хиггсона, опустив ее до 251 ГэВ.

Следующий шаг в конце первого десятилетия XXI века сделала группа российских физиков из подмосковного Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ, Дубна). На основании сравнения сводных данных ЦЕРНа, Фермилаба и анизотропии космического реликтового излучения ученые сумели дать в 2009 году уточненную оценку массы хиггсона в пределах 118(+-2) ГэВ.

Работы российских физиков сильно помогли их заокеанским коллегам, и в 2010 году в экспериментах на Теватроне впервые получили обнадеживающие результаты. Правда, несколько неожиданные. Оказалось, что обнаруженная небольшая разница в продуктах распада В-мезона в виде мюонов и антимюонов может быть интерпретирована как признак существования целых пяти разновидностей бозона Хиггса. Так в физику элементарных частиц вошло «семейство Хиггса» — заряженные положительно и отрицательно скалярные (легкий и тяжелый), а также псевдоскалярные бозоны. Тем не менее после многих бурных дебатов семейству Хиггса так и не удалось обрести «права гражданства» в мире официальной науки...

Сенсация в ЦЕРНе

До самого последнего момента судьбоносного пресс-релиза, зафиксировавшего открытие бозона Хиггса, продолжалось драматическое состязание двух больших научных коллективов. Со специалистами БАКа соревновались их американские коллеги из Фермилаба, и, хотя их рабочий инструмент — Теватрон — был остановлен осенью 2011 года после 28 лет успешной эксплуатации, они упорно продолжали анализировать данные о 500 триллионах столкновений элементарных частиц, которые за последнее десятилетие произошли в их коллайдере.

Увы! Мощности Теватрона все же немного не хватило, и пальма первенства окончательно перешла к БАКу.

Летом 2011 года БАК наконец-то вышел на «малую крейсерскую скорость», и вскоре сразу две рабочие группы заявили о признаках частицы Хиггса в районе массы 130—150 ГэВ. Теоретики также бурно обсуждали имеющиеся данные и в результате на конференции по высоким энергиям в Гренобле торжественно закрыли верхний диапазон от 150 до 400 ГэВ, оставив там лишь несколько очень узких «окон».

Между тем БАК продолжал наращивать мощности, и все понимали, что дело близится к развязке. К осени 2011 года интервал «доверительной массы» сузился до беспрецедентных 114—141 ГэВ, а высокоэнергетический участок — от 141 до 443 ГэВ — был исключен. Остались только три узких интервала между 220 и 320 ГэВ. Перед тем как уйти на рождественские каникулы, коллаборация творческих коллективов БАКа представила предварительные результаты обработки данных 2011 года. Глубоко разочаровав научных комментаторов отсутствием определенности, физики ЦЕРНа еще раз сузили доверительный интервал массы до 116—130 ГэВ. Интересно то, что несколько независимых измерений указывало на совсем уж конкретные значения — от 124 до 126 ГэВ. Эти предновогодние оценки вызвали большой интерес в сообществе физиков-элементарщиков, но в очередной раз разочаровали интересующуюся публику. Для вынесения вердикта о существовании частицы Хиггса явно требовался больший объем данных, и директор ЦЕРНа Рольф-Дитер Хойер торжественно провозгласил по этому поводу новогодний тост.

Пожелание доктора Хойера исполнилось. Тем не менее 2 июля 2012 года европейским физикам пришлось сильно поволноваться. В этот день сразу две научные коллаборации из Фермилаба и ЦЕРНа заявили, что по результатам анализа данных, оставшихся от Теватрона, имеются признаки неизвестной частицы в массовом диапазоне 115—135 ГэВ. Споры об этом фантомном следе длятся до сих пор, то затухая, то разгораясь вновь. Постепенно мнение ученых все же склоняется к тому, что статистические закономерности не позволяют безусловно говорить об открытии частицы Хиггса.

И вот наконец наступила судьбоносная дата — 4 июля 2012 года. Именно тогда на научном семинаре, проходившем в знаменитом «деревянном» конференц-зале ЦЕРНа, были впервые изложены предварительные результаты экспериментов на датчиках-мишенях БАКа ATLAS и CMS. Оба детектора наблюдали новую частицу с массой около 125—126 ГэВ, что делало ее тяжелейшей из когда-либо обнаруженных бозонов. Началась кропотливая работа по дальнейшей обработке данных, и в итоге в марте 2013 года международная команда специалистов ЦЕРНа окончательно пришла к единому выводу, что в июле 2012 года на детекторах БАКа наблюдалась именно та микрочастица, существование которой предсказал в свое время профессор Хиггс.

Результат моделирования столкновения частиц, которое рождает бозон Хиггса

Бозон Хиггса распадается на четыре лептона 18 мая 2012 года

Как видно, LEP лишь немного недотянул до нужной энергии. Поэтому есть мысль: после окончания работ на БАКе снова в этом же туннеле смонтировать электрон- позитронный коллайдер и создать в нем фабрику по производству бозонов Хиггса с тем, чтобы провести тщательные исследования этого загадочного поля.

Модель Вселенной Хиггса

Итак, одна из основных целей создания БАКа считается достигнутой, и в результате множества экспериментов зафиксирована частица нужной массы. Какой модели физической реальности соответствует новорожденный хиггсон и что это может означать в дальнейшей судьбе нашего мира?

Прежде всего это значение массы не запрещает существование суперсимметрии, теория которой, по мнению многих физиков, должна прийти на смену Стандартной модели. В суперсимметричных моделях (в отличие от Стандартной) есть ограничения на массу легчайшего из бозонов Хиггса: 130 ГэВ. Новый бозон с массой 126 ГэВ отлично укладывается в отведенные для него рамки. Большое значение масса бозона Хиггса имеет для космологии. Об этом неоднократно в свое время писал академик Я.Б.Зельдович. В частности, нельзя исключать, что абсолютный минимум энергии, в котором пребывала Вселенная в момент своего рождения, перестал быть таковым и мы живем в метастабильном мире, который в любой момент может туннелировать в состояние абсолютного минимума энергии. Масса бозона Хиггса поможет оценить вероятность такой ситуации, ведь в нее входит значение энергии поля, приобретаемое в ходе спонтанного нарушения симметрии. Само по себе это нарушение способно разбить Вселенную на домены с разными направлениями избранной оси и, соответственно с разными вакуумами. Эти домены будут разделены стенками, однако астрономы их не видят. Возможно, они исчезли без следа, а возможно, причина иная.

Относительно оптимистичный сценарий будущего Вселенной, где есть массивный бозон Хиггса, на суд научной общественности представил американский физик-теоретик Джозеф Ликкен из Фермилаба. Его версия растягивает катастрофические события на многие миллиарды лет, что, впрочем, не меняет конечный результат — гравитационное схлопывание Мироздания и рождение в пучинах ложного вакуума нового мира. Получается, что теория Ликкена лишь несколько ускоряет «кончину» Вселенной, ведь ее ускоренное расширение под действием темной энергии все равно неминуемо приведет к «Большому Разрыву», или превращению нашего мира в «холодную мертвую пустошь».

Картина может сильно измениться, если, например, справедливы предположения, что нарушение симметрии электромагнитно-слабого взаимодействия связано не с хиггсоном, а с голдстоуновским бозоном в мире сверхтяжелых (более 10 ГэВ) частиц. Космологические следствия из подобных моделей еще не изучены и представляют собой обширную область для дальнейших исследований.

Между тем у частицы Хиггса сохранилось еще много тайн, к примеру, взаимодействуя с тяжелыми кварками, она теоретически может неограниченно увеличивать свою массу. Тут обязательно нужна какая-то частица-партнер, которая обеспечивала бы определенное экранирование поля Хиггса. Поиски этой загадочной микрочастицы будут важнейшей задачей после долгого профилактического перерыва в работе БАКа, который должен продлиться до 2015 года.

Кроме того, не все ясно с топологией частицы: пока предполагается, что этот микрообъект — точечное образование. Но какова его структура на сверхмалых расстояниях? Ко всему прочему, в праздничных речах и поздравлениях руководства ЦЕРНа как-то само собой возникает вопрос: а был ли открытый бозон действительно частицей, следующей из механизма Энглера-Браута-Хиггса? Ведь существуют теоретические разработки и для других скалярных частиц в диапазоне масс до 1 ТэВ. И это один из самых трудных вопросов для современной физики.