Хиггс маслом

Тренды
Москва, 18.09.2008
«Русский репортер» №35 (65)
Большой адронный коллайдер все-таки запустили — если считать запуском то, что 10 сентября пучки протонов, разогнанных почти до скорости света, вхолостую прошли круг в одну сторону, потом в другую. Настоящие эксперименты — со столкновениями частиц и на полной мощности — начнутся позже. Главное, чего от них ждут, — получения бозона Хиггса. Бозон уже успели назвать «частицей бога» — что, конечно, впечатляет, но не делает понятнее, зачем ее ищут

Всего год назад судьбу Большого адронного коллайдера (БАК) могла решить одна игральная карта. Вытащи ученые джокера из большой колоды — прибор отправился бы на свалку. Это следствие парадокса, связанного с нарушением причинности и выведенного двумя маститыми физиками-теоре­тиками Хольгером Нильсеном и Масао Ниномия. В своей статье они заверяли коллег, что физика стоит перед лицом нешуточной опасности: одна из частиц, которые собираются синтезировать, способна из будущего помешать своему рождению. Сверхпроводящие магниты начнут рушиться, трубы лопаться, а сотрудники CERN’а увольняться — лишь бы не дать коллайдеру шансов.

Каким конкретно способом частица испортит всем жизнь, не успев родиться, в статье не уточнялось. Но современная физика оставляет простор для воображения. Скажем, квантовая теория (в версии Эверетта) допускает бесконечное множество Вселенных, где события развиваются по-разному. Возможно, сохранились бы только те, где эксперимент провалился. Например, из-за недостатка денег. Или из-за глобального взрыва. Мир, где ученые просто проиграли свой прибор в карты, рассуждали авторы статьи, обойдется дешевле безжизненной планеты. А факт проигрыша даст спокойно, без катастроф свернуть проект.

Ниномия и Нильсен вряд ли читали Стругацких, но ход их рассуждений повторяет логику романа «За миллиард лет до конца света»: теоретик вот-вот выведет свое уравнение — а Вселенная, противясь быстрой разгадке, начинает его смущать то вывороченными с корнем деревьями прямо под окном, то визитами виртуальных подруг. Разница в масштабах проблемы: герой Стругацких только догадывается, что случайно занялся чем-то невероятно важным, а тут профессора и академики знают наверняка.

Частица, со стороны которой ждут провокаций, на­зывается бозоном Хиггса. Именно чтобы ее найти, и построили Большой адронный коллайдер — не испугавшись перспективы сгинуть в черной дыре или раствориться в странной материи. Если с поисками повезет, преемник БАК — Очень Большой Адронный Коллайдер (VLHC) — займется бозоном Хиггса вплотную.

Все потому, что пока на месте бозона зияет единственная дыра в Стандартной модели. А она для физиков то же самое, что таблица Менделеева для химиков. Стандартная модель, в отличие от химической таблицы, перечисляет не атомы, а еще более мелкие элементарные частицы. Мельче, собственно, некуда: их, не в пример атомам, нельзя разобрать на детали.

Закрыть дыру в теории — значит еще и обезопасить себя. Не столько от антивещества с черными дырами, сколько от публичного недоверия. Физиков упрекают: они ищут то, в чем еще не разобрались, однако заранее заявляют, что ничего лишнего не появится. Находка спасет науку, и это будет самый скучный сценарий. Вот, наверное, почему главный астрофизик планеты Стивен Хокинг сделал ставку на то, что открытия не случится. Удачи стимулируют ученых скупать фраки и ездить в Стокгольм. Неудачи — думать дальше.

В популярных статьях бозон называют «частицей бога»: пишут, что он снабжает массой все остальные частицы — как те, из которых состоит вещество вокруг, так и те, которые возникают и гибнут за доли секунды внутри ядер. В частности, заставляет весить сам себя. В голову приходит только волшебная палочка, которая касанием превращает невесомое в тяжелое. Не слишком наглядно.

Физики видят это иначе. Академик Валерий Рубаков предлагает представить себе океан. И рыб:

— Рыба преодолевает сопротивление воды. Чем она крупнее, тем сопротивление больше. Океан — это и есть хиггсовское поле, которое заполняет пространство и мешает частицам разгоняться. Так появляется масса. Но бозона Хиггса в этой картине нет. Он — что-то вроде ряби в океане. Подымается волнение — возникает бозон. Вообще это часто используемая картина. В современной науке со времен появления квантовой механики не различают частицу и волну.

Если «океан» всюду, то что тогда хотят получить физики на Большом адронном коллайдере?

Они хотят сделать рябь. Океан есть везде, а ряби нет. Для того чтобы пошла волна, придется его возмутить. Но это не так просто, нужна большая энергия — получить ее можно только в ускорителе.

Хиггсовское поле существовало всегда?

Такого океана, однородно разлитого, в самом начале Вселенной не было. При сверхвысокой температуре океан, грубо говоря, испарялся. Он был не плотной средой, а — снова неточная метафора — плазмой. И никаких масс у частиц не было — конечно, только на самых ранних стадиях эволюции Вселенной, в первые доли секунды после Большого взрыва. Потом космос подостыл, произошла конденсация. И вот уже поле Хиггса существует во всей Вселенной. По крайней мере в той ее части, которую мы знаем.

А когда во Вселенной возникает новая материя — например, в межзвездном пространстве рождается пара из час­тицы и античастицы, и обе они сколько-нибудь весят, — нужен ли для этого бозон?

Не нужен. Все происходит внутри океана. Частицы сразу после рождения начинают сквозь него протискиваться.

Бозону Хиггса тут нечего делать.

Говорят, что бозон неустойчив. Как он распадается и чем это чревато?

Да ничем не чревато. Он распадается на пару обычных частиц, например фотонов или электронов, и дальше они живут по своим законам, движутся через этот океан. Фотон, правда, так хитро устроен, что хиггсовское поле на него не влияет никак — это и означает, что массы у него нет.

В старых учебниках пишут про гравитоны — частицы, которые переносят гравитационное поле и тем самым притягивают массивные тела. Гравитоны и бозоны Хиггса — это одно и то же?

Почему обязательно в старых учебниках? Во всех новых теориях гравитоны присутствуют, они обязательно должны быть: есть поле тяготения — должен существовать и его квант. Но взаимодействует он не с массой, а с энергией. Вот свет никакой массы покоя не имеет, но создает гравитационное поле и в нем искривляется. Так что бозон Хиггса и гравитон — это абсолютно разные частицы.

А как быть с естественными космическими ускорите­лями? Те же струи вблизи пульсаров, где энергии час­тиц намного больше, чем внутри БАК. Есть ли шансы обнаружить бозон Хиггса там, не ставя экспериментов на Земле?

Знаете, частица распадается мгновенно. Время жизни слишком маленькое — 10-24 секунды. Поэтому мы их никак не увидим, это во-первых. А во-вторых, вам нужна не просто энергия, а много соударений. Космический газ, куда бьют частицы, — все равно очень разряженная вещь. Потока бозонов Хиггса не было и не будет, их рождение — единичный процесс, даже в космосе.

И потом, даже по космическим меркам это огромная энергия. Ну вот совсем по-простому: «Е равно эм це квадрат», так? Если нужен тяжелый объект, то, чтобы его родить, нужно иметь энергию не меньше этого самого эм-це-квадрата.

Стивен Хокинг поставил сто долларов на то, что бозон Хиггса не найдут. Вы бы так поступили?

Ну, маленькую он ставку сделал… Я бы сказал так: если не сам хиггсовский бозон — в самом простом варианте, то его аналог должны найти обязательно. В любом случае час­тицы получают массу по какому-нибудь механизму, так? А этому механизму обязательно отвечает новая частица. Пусть даже ее свойства отличаются от прогноза. Но не сильно. Была популярна модель, где бозон Хиггса не элементарная частица, а составная. Как адроны, которые сами состоят из кварков. Такой вот «адрон Хиггса». А если даже такую частицу не найдут, то, я считаю, всем теоретикам надо скопом подавать в отставку.

Фото: GAMMA/EYEDEA PRESSE/EAST NEWS; ©CERN; Claudia Marcelloni/©CERN

Эйнштейн на фуршете

Лучший способ показать, что же именно открыл Хиггс, придумали 15 лет назад. Британский министр науки Уильям Уальдергрейв устроил ради этого специальный конкурс для физиков с призовым фондом в пять бутылок шампанского. Бутылка за версию, приводимую ниже, досталась Дэвиду Миллеру из Лондонского университетского колледжа.

Представим фуршет: люди заполняют зал, между ними без особых препятствий ходят официанты. Это — поле Хиггса. Внезапно в дверях появляется Эйнштейн, которого сразу окружают желающие поговорить. Останься он незамеченным, он свободно пересек бы зал — так ведут себя безмассовые частицы. Но толпа затрудняет движение и перемещается вместе с Эйнштейном. Теперь он — частица, у которой появилась масса.

Или другая ситуация: Эйнштейн заглядывает в зал, но внутрь не входит. Его замечает кто-то один и восклицает: «Там за дверью — Эйнштейн!» Люди, чтобы переспросить, придвигаются поближе. Потом новость распространяется по залу, и те, кто ее обсуждает, сбиваются в кучу, каждый раз новую. Эта куча, то есть сгущение поля, и есть бозон Хиггса.

Профессор имени бозона

Питер Хиггс — имя одного из «отцов» бозона, 79-летнего физика-теоретика из Эдинбурга. В 1964 году от его статьи, объясняющей, откуда берется масса, отказался журнал Physics Letters, издаваемый CERN’ом. Автору сказали, что его исследование не имеет отношения к физике. После незначительной правки его в том же году напечатали в США. Хиггс добавил всего один абзац — о том, что лучшей проверкой гипотезы станет поиск соответствующей частицы. Именно в этой статье был впервые упомянут бозон.

Второй и третий «отцы» — Роберт Браут с ассистентом Франсуа Энглером, работавшие вместе в Брюссельском университете. О результатах Хиггса бельгийские физики, разумеется, не знали, и оба исследования вышли в одном и том же номере журнала. Так или иначе, всех троих 40 лет спустя наградили за это открытие Вольфовской премией.

Строго говоря, на авторство сразу всех уравнений хиггсовского поля претендовать ни один из них не может. Идея взялась из совсем иной области физики, далекой от частиц и космологии — теории твердых тел. В них тоже встречаются бозоны, хотя и совсем другого сорта. Это так называемые куперовские пары, которые вызывают сверхпроводимость (к слову, магниты Большого адронного коллайдера как раз сверхпроводники). Связать сверхпроводимость и массу первым догадался американский физик Йоширо Намбу, а Хиггс и Браут с Энглером просто исправили его ошибки.

Лепка Большим взрывом

В доли секунды после Большого взрыва поле Хиггса «вылепило» космос таким, каким мы его знаем, утверждает Михаил Шапошников, профессор Политехнической школы Лозанны.

Согласно его недавней работе (написанной вместе с Федором Безруковым), на бозонах Хиггса лежит вина за инфляцию — то есть почти мгновенное раздувание Вселенной, навсегда отрезавшее нашу область космоса от соседних. Те, по представлениям космологов, существуют независимо, и никакой сигнал оттуда до нас никогда не дойдет. Бозон Хиггса — самый удачный кандидат на место гипотетической частицы — инфлатона, которая подпитывала своей энергией это раздувание.

А привычный нам космический ландшафт: галактики, скопления, газовые облака — возник из дефектов (точнее, флуктуаций) в остывающем хиггсовском поле. Будь оно повсюду одинаковым, без отклонений, Вселенная оказалась бы равномерно заполнена материей. Другие поля имеют свои дефекты и в «космические дизайнеры» не годятся.

Но почему именно бозоны Хиггса? Их почетную роль объясняют тем, как одноименное поле взаимодействует с гравитацией. Это взаимодействие Шапошников с Безруковым аккуратно называют «неминимальным».

Тут стоит заметить, что «минимальным» оно бывает у всех остальных полей. Как следствие, хиггсовское поле ослабляет всемирное тяготение. Поскольку поле разлито равномерно по всему пространству, заметить это напрямую трудно. Другое дело — сравнить нынешнее положение вещей с тем, что происходило после Большого взрыва, при раздувании Вселенной: если поле Хиггса было плотнее, а притяжение — слабее, материи было намного легче разлетаться.

У партнеров

    «Русский репортер»
    №35 (65) 18 сентября 2008
    Катастрофа
    Содержание:
    Фотография
    Вехи
    Путешествие
    Фотополигон
    Реклама