Всего без одной частицы большинство попыток создать гармоничную модель Вселенной и вещества в ней идут прахом. И вот в ЦЕРНе сообщили, что нечто сходное с этой фундаментальной частицей найдено в экспериментах на Большом адронном коллайдере. Чем же так важен бозон Хиггса для ученых? Читайте короткую справку о поле Хиггса, бозоне Хиггса и о том, почему без них у вещества бы не было массы. Внимание! Вам не придется лезть в дебри физики фундаментальных частиц и разбираться в гроздьях малопонятных терминов, или читать стандартные штампы. Все написано простым и интересным языком!
Бозон Хиггса стал притчей во языцех. Вероятно, не назови его неосторожно Нобелевский лауреат Леон Ледерман «частицей Бога», вряд ли бы известия о нем вызывали бы большой резонанс. Однако если попросить кого-то прокомментировать, чем уж так необыкновенен бозон Хиггса, возникнут трудности. Они связаны с тем, что во второй половине двадцатого века накопилось такое количество не выстраивающейся в стройные логические схемы информации о частицах и их поведении, что без серьезного предварительного экскурса в основы физики элементарных частиц, и в особенности теории симметрии и ее нарушения, нормальному человеку про бозон Хиггса понять невозможно. Чаще всего о нем пишут – он придает массу всем другим частицам, или отвечает за то, как частицы приобретают массу. Это немного не то и не вполне корректно. Ну как одна или несколько частиц могут даровать другим массу… Понятно, от подобных комментариев ничего понятнее не становится. И все же простое объяснение сформировать можно.
Итак, к последней трети XX века накопилось много данных об элементарных частицах и их взаимодействиях. Протоны, электроны, мюоны, нейтрино, мезоны… для всех них была придумана так называемая Стандартная модель, этакая таблица Менделеева для элементарных частиц. Модель была несовершенна: несовместима с теорией относительности, никак не описывала гравитационные взаимодействия. Но при том обладала неплохой предсказательной способностью – многие частицы, постулированные ею были действительно открыты, а свойства их весьма точно совпали с тем, что говорила модель.
Вместе с тем, с самого начала у нее был весьма существенный и странный недостаток – модель предсказывала, что ни у одной из частиц – вообще ни у одной – нет массы. Но это полбеды. Нет массы и ладно, пусть то, что мы что-то можем взвесить, это иллюзия. Самая главная проблема, что без массы частицы должны разлетаться друг от друга со скоростью света (у которого, как известно, массы действительно нет). Весь предыдущий опыт человечества говорил об обратном, и потому вопрос надо было как-то срочно решать. И вот, в 60-х годах английский физик Питер Хиггс предложил в Стандартную модель поправку. Она примиряла наличие массы у частиц и неспособность модели это предсказать. Хиггс предположил, что в космосе существует неизвестное нам поле— его так и назвали впоследствии «полем Хиггса», действующее на все элементарные частицы замедляющим образом – некая вязкая субстанция на просторах Вселенной.
Любые элементарные частицы, движущиеся сквозь время и пространство, движутся также и сквозь поле Хиггса; оно тормозит их. «Массивные» частицы взаимодействуют с полем Хиггса сильнее, легкие — слабее. Можно сказать так: частицы, изначально лишенные массы, попав в поле Хиггса, приобретают некую массу. То есть масса есть мера взаимодействия частицы с полем Хиггса. Данное поле можно обнаружить лишь благодаря частицам, возникающим из него на доли секунды, — хиггс-бозонам, фактически, квантам этого поля, как фотон – квант поля электромагнитного.
Есть несколько аналогий, которые лучше помогают понять действие поля Хиггса.
Представьте себе окрестности футбольного стадиона. Сотни болельщиков рассеянно слоняются из стороны в сторону. Никто не обращает внимания друг на друга. Внезапно, как молния, распространяется новость: «Идет футбольная звезда Бонд! Джеймс Бонд!». Все всматриваются в неприметного молодого человека, пересекающего площадь у стадиона. Новость эта, сказал бы физик, сродни хиггс-бозону. Она наделяет такого же, как все, парня, необычайным весом. Десятки, сотни болельщиков спешат к нему, тянут блокноты, прося об автографе, что-то спрашивают, поддерживают, восхищаются. Его скорость падает почти до нуля, лю6ой наблюдатель может сказать, какой вес обрел этот «элементарная частица большого города».
Сами физики предпочитают прибегать к другому образу: «Представьте себе, все мироздание до краев заполнено вязкой глиной. Все элементарные частицы — эти электроны, нейтрино, кварки, — дефилируют по космосу в каких-нибудь болотных сапогах, и при каждом движении на их обуви остаются комья глины. Вот так же к ним пристает их масса, пока они пробираются сквозь поле Хиггса, а оно вездесуще».
И все-таки, почему бозон Хиггса было так сложно открыть? Дело в том, что эти частицы в индивидуальном состоянии нестабильны. Да, все вместе они создают поле, пронизывающее пространство, но по отдельности не существуют и распадаются. Ближайшая аналогия, пусть и неполная, такова. Мы видим окружающий мир, как сплошную среду, но знаем, что он состоит из атомов, которые в свою очередь состоят из электронов, протонов и нейтронов. Все эти частицы слеплены вместе и индивидуально совершенно не видны, пока мы не будем иметь дело с ядерными реакциями. Если инициировать ядерную реакцию, и выбить нейтрон из атома, то он оказывается нестабилен и в течение нескольких минут распадается. Так же и бозон Хиггса, будучи вынут из своего привычного окружения-поля, быстро уходит со сцены.
Еще одна проблема с бозоном Хиггса – то что это очень крупная частица – ее энергия больше, чем у атома водорода в сотни раз. В частности потому и построили Большой адронный коллайдер – только на нем достижимы столь высокие энергии, только в нем при столкновении разогнанных до высочайших скоростей частиц может родиться пресловутый бозон.
Без изобретения Питера Хиггса уравнения Стандартной модели физики мертвы. Они описывают призрачный мир — мир духов и привидений, мир, в котором ни одна элементарная частица не имеет массы. И тем не менее ученые говорят, что даже если бозон Хиггса поймать не удасться (или же, если то, что нашли в экспериментах Большого коллайдера – не бозон Хиггса), ничего страшного не случится – на подходе так называемые безхиггсовские модели, а также «новая» физика, которая может порадовать всех совершенно невероятными открытиями.
Новая физика – это физика за пределами Стандартной модели. Как мы уже говорили, у последней есть некоторые недостатки.
Во-первых, ее трудно согласовать с теорией относительности.
Во-вторых, она не объясняет гравитацию.
В-третьих, космологические наблюдения говорят нам, что Стандартная модель способна объяснить лишь около 4,5 % материи во Вселенной. Из недостающих 95,5 % процентов около 22,5 % должны быть тёмной материей, то есть материей, которая ведёт себя точно так же как другая материя, которую мы знаем, но которая взаимодействует с полями Стандартной модели очень слабо, и непонятно, почему. Остальное должно быть тёмной энергией, постоянной плотностью энергии вакуума. Однако попытки объяснить тёмную энергию с точки зрения энергии вакуума Стандартной модели приводят к расхождению наблюдаемых и предсказанных величин в 120 порядков – аналогов столь сильного расхождения в истории физики нет.
В-четвертых, согласно Стандартной модели нейтрино являются безмассовыми частицами (даже бозон Хиггса дать им массу не может). Тем не менее, эксперименты с нейтринными осцилляциями показали, что нейтрино имеют массу. Массовые члены для нейтрино могут быть добавлены к Стандартной модели вручную, но это приводит к новым теоретическим проблемам.
И в-пятых, Вселенная состоит по большей части из вещества, антивещества в ней не наблюдается. Тем не менее, Стандартная модель предсказывает, что вещество и антивещество должны были быть созданы в (почти) равных количествах, которые бы уничтожили друг друга, пока Вселенная охлаждалась. Попыток объяснить почему так не произошло, великое множество, но пока ни одна из них не получила исчерпывающего подтверждения.