Число людей, являющихся специалистами в фундаментальной физике, естественным образом ограниченно. В силу сложности темы, огромного объёма фактического материала и необходимости особых механизмов мышления таковых просто не может быть много. Но даже в науке самого высокого уровня есть понятия, о которых известно значительному числу непосвящённых. В современной физике таковым является бозон Хиггса. Пускай даже подавляющее большинство не понимают толком, что это такое – но когда мировые средства массовой информации сообщают, что бозон Хиггса найден, это становится новостью глобального масштаба.
Частица Бога – бозон Хиггса
Разговор о бозоне Хиггса бесполезен без представления о Стандартной модели. Стандартная модель в современной физике это своего рода теоретическая матрица, которая позволяет на основе имеющихся у человечества знаний объяснять с научной и логической точки зрения возникновение, развитие и функционирование Вселенной. Основано это теоретическое построение на анализе всех элементарных частиц, между которыми осуществляется электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие. Из этой теории исключены гравитация и феномены тёмной материи и тёмной энергии, так как эти направления являются специфическими.
Во второй половине XX века физики пришли к интересной ситуации: сформулированная Стандартная модель прекрасно объясняла все имеющиеся данные и позволяла создать стройную систему, представляющую механизмы жизнедеятельности Вселенной. Однако для полного счастья учёным не хватало одной малости – объяснения того факта, что во время Большого Взрыва (момента образования Вселенной) часть элементарных частиц получила массу, а другая часть (например, фотоны) остались без массы. Британским учёным Питером Хиггсом в 1964 году была сформулирована теория бозона Хиггса, предлагающая вариант ответа на этот вопрос. Согласно ей, помимо классических фундаментальных взаимодействий между элементарными частицами (электромагнитного, сильного, слабого), существует ещё одно скалярное поле, непременно связанное с пустым пространством. При этом оно не тождественно гравитационному полю, а при контакте с ним элементарные частицы получают массу.
Следовательно, те элементарные частицы, что вошли в это поле, названное полем Хиггса, получили массу во время Большого взрыва. Другие частицы, не осуществившие данный вид взаимодействия, остались без массы. Ключевым моментом данной теории являлась элементарная частица поля Хиггса – бозон Хиггса. Именно эта частица и определяет непосредственно при контакте с другими элементарными частицами их инертную массу. Таким образом, роль бозона Хиггса столь важна, что в СМИ его нередко называют частицей Бога как важного фактора рождения Вселенной.
Стандартная модель после публикации теории Хиггса приобрела завершённый теоретический вид, в неё были заложены 12 видов элементарных частиц, характеристики и особенности взаимодействия которых определяют основные закономерности мироздания.
Охота за бозоном Хиггса
Однако с 1964 года и на протяжении почти полувека Стандартная модель продолжала оставаться весьма привлекательной и господствующей, но всё-таки теорией. Дело в том, что постепенно были зафиксированы одиннадцать из двенадцати предполагаемых разновидностей элементарных частиц. Не хватало лишь двенадцатой частицы, того самого бозона Хиггса. Ключевым моментом поисков стала предполагаемая масса бозона Хиггса. С одной стороны, она должна была соответствовать определённому уровню, чтобы обладать необходимыми качествами. С другой, бозон Хиггса как раз и характеризуется способностью изменения своей массы, так что зафиксировать эту частицу неимоверно сложно.
То значение, которое придавалось поискам бозона Хиггса, сложно переоценить.
Если бозон Хиггса найден и это аргументированно доказано, значит, Стандартная модель соответствует действительности, её можно из разряда теорий переводить в область природных законов и основываться на ней при дальнейшем, более глубоком изучении мироздания.
В случае безуспешности поисков возникнет обоснованное сомнение в существовании бозона и, соответственно, в справедливости всей Стандартной модели. Тогда открывается простор для альтернативных теорий, рассмотрение которых притормозит развитие фундаментальной науки. Поэтому учёные так долго и тщательно пытались определить те границы массы элементарной частицы, в пределах которых нужно искать пресловутый бозон.
Открытие бозона Хиггса
Ускорились поиски уже в XXI веке. С помощью различных экспериментов физики постепенно сужали тот «коридор», внутри которого шансы найти неуловимый бозон увеличиваются. К 2004 году он был определён в пределах от 114 до 251 ГэВ (гигаэлектронвольт, единица массы элементарных частиц). Однако и этот промежуток был слишком большим, так как давал слишком много претендентов. Собственно, строительство пресловутого Большого адронного коллайдера многие объясняют именно поисками бозона Хиггса. БАК обладает уникальными условиями, в которых можно производить масштабные беспрецедентные эксперименты по бомбардировке электронных частиц. В ходе этих столкновений возникает возможность оценить их характеристики, в том числе массу.
То обстоятельство, что Большой адронный коллайдер действительно большой, то есть в нём элементарные частицы можно разогнать до очень высоких скоростей, повысило шансы обнаружить бозон Хиггса. Эксперименты на коллайдере начались и к 2011 году учёные продвинулись вперёд. Полученные данные позволили окончательно закрыть (правда, с некоторыми оговорками) диапазон массы элементарных частиц от 150 до 400 ГэВ. Затем интервал бы сужен до коридора межу 116 и 130 ГэВ. 4 июля 2012 года учёные, производившие эксперименты с бомбардировкой частиц, объявили, что обнаружили частицу, оптимально подходящую на роль бозона Хиггса, масса которой составила 125-125 ГэВ. В марте 2013 года было заявлено, что сомнения в том, что бозон Хиггса найден, практически отпали: измеренные чётность и вероятность распада обнаруженной частицы совпали с теоретическими параметрами бозона. На данный момент основная часть научной общественности полагает, что Стандартная модель подтверждена.
Александр Бабицкий
