Як відкривали бозон Хіггса?

У фундаментальній фізиці довгий час бракувало найважливішої ланки - бозона, який відповідає за інертну масу елементарних частинок. Він був передбачений Пітером Хігсом ще в 1964 році, але його ніяк не вдавалося виявити експериментально. Довгоочікуване відкриття відбулося 4 липня 2012, коли невловимий бозон нарешті «зловили» на Великому адронному колайдері.

Радісну новину про відкриття бозона Хіггса оголосили в Європейському центрі ядерних досліджень (ЦЕРН) на науковому семінарі, що проходив в урочистій і святковій обстановці. Його відвідали не тільки співробітники центру, а й великі фахівці з фізики високих енергій. Це відкриття викликало справжній захват у світі науки, адже його сміливо можна зарахувати до найважливіших досягнень людства початку нинішнього століття.

Стандартна модель

Перш ніж говорити про новий бозон і його функціях, потрібно коротко розповісти про нинішній стан теорії, в рамках якої він розглядається. Ця теорія, звана Стандартної моделлю, описує властивості елементарних частинок і їх взаємодія: сильне (ядерне), слабке і електромагнітне.

Все речовина Всесвіту, за винятком темної матерії і темної енергії, складається з дванадцяти квантових полів з їх квантами - фермионами, об'єднаними в три сімейства: шість лептонів (які включають в себе добре знайомий усім нам електрон), шість кварків (часток, з яких складаються протони , нейтрони) і дванадцять відповідних їм античастинок (антикварки, антинейтрино, позитрон та ін). Ці родини хоч і дуже схожі, але мають велику різницю в масі.

Наступне важливе положення Стандартної моделі: є частинки, які забезпечують фундаментальні взаємодії і служать їх переносниками. Вони не є «будівельним матеріалом світобудови», а утворюють свого роду «скріплює розчин», що не дозволяє Всесвіту розлетітися на шматки. Що це за частинки? Читачам ще з шкільного курсу фізики добре відомо про електрику і магнетизм. Так от, цей тип взаємодій, званий електромагнітним, переносить фотон. Є й інші частинки-переносники: два типи бозонів W і Z, що забезпечують слабку взаємодію і глюони, що відповідають за зв'язок між ядерними силами.

І, нарешті, третє положення свідчить про існування поля Хіггса, який приводить до спонтанного порушення симетрії і описує наявність маси у всіх інших елементарних частинок. Оскільки в квантової теорії кожному полю відповідає своя частка-квант, то у хіггсова поля теж є такий квант - однойменний бозон.

На сцену виходить симетрія

Загальною ознакою практично будь-якої фізичної концепції, будь то класична механіка або спеціальна теорія відносності, є зв'язок кожної симетрії системи з притаманними їй законами збереження. І навпаки, будь-який закон збереження пов'язаний з симетрією. Вперше це було продемонстровано німецьким математиком Еммі Нетер в її знаменитій теоремі.

Наприклад, симетрії відносно однорідності часу, що постулює, що закони фізики однакові і незмінні в кожен часовий період, відповідає закон збереження енергії-симетрії однорідності простору (і на Меркурії, і на Плутоні діє ідентична фізика) - закон збереження імпульса- а симетрії щодо його изотропии (поворотів в ньому) - закон збереження кутового моменту, і т.д. І якби не існувало всіх цих законів, то в макросвіті настав би цілковитий хаос, бо закони збереження одночасно є заборонами.

Але тут присутній дуже цікавий момент: крім «наочних» просторово-часових симетрій, з якими ми маємо справу в повсякденному житті, існують ще й так звані «внутрішні» симетрії. До них відноситься закон збереження електричного заряду, який забороняє елементарним часткам мати маси, включаючи електрон. Але насправді частинок з нульовою масою всього три штуки: фотон, глюони і нейтрино. А це означає, що якби даний заборона діяла в повній мірі, то Всесвіт просто не змогла б «жити».

Цей дивний парадокс можна обійти, припустивши, що в просторі є поле, яке забезпечує спонтанне порушення внутрішньої симетрії і надає масу всім елементарним часткам, крім трьох вищезгаданих. Тобто внутрішня симетрія присутній, як і наказано законом, але вона порушена якимсь скалярним полем.

Все відразу стає на свої місця! Виходить, і вовки ситі, і вівці цілі, а пастух стоїть і задоволено посміхається. Цим талановитим «пастухом» від науки виявився англійський фізик Пітер Хіггс. Саме він першим опублікував наукову статтю, в якій сформулював і описав механізм, згодом названий його ім'ям. Правда, незалежно від Хіггса і навіть трошки раніше, до аналогічного теоретичного обгрунтування прийшли його бельгійські колеги - Роберт Браут і Франсуа Енглер.

Велике відкриття на великому прискорювачі

Ще не встигла вщухнути перша хвиля тріумфу, викликана статтею Хіггса, як дослідники почали подумувати про експериментальну перевірку його сміливого припущення. Відомо, що більшість елементарних частинок можуть розпадатися, перетворюватися один в одного, «реагувати» між собою - це абсолютно звичайна для них явище. Щоб дізнатися, як вони влаштовані, потрібно зіштовхнути їх лоб в лоб на швидкості, близькій до швидкості світла, і подивитися на продукти зіткнень.

Для вирішення цієї наукової задачі потрібно побудувати потужний прискорювач. Ідея проекту з грандіозним назвою «Великий адронний коллайдер» з'явилася ще в далекому 1984 році, але його будівництво почалося сімнадцять років потому. Коллайдер, і правда, дуже великий: довжина його 27-кілометрового кільця розташовується в глибокому тунелі під територією двох держав - Швейцарії та Франції.

У цьому кільці проводиться зіткнення протонів, які по Стандартної моделі є зовсім не фундаментальними частинками, а складовими, так як усередині них знаходяться три кварка, скріплені один з одним глюони «розчином». Зіткнення на високих енергіях руйнують «розчин», і кварки з глюонами йдуть у вільний політ, також стикаючись і взаємодіючи між собою.

Народження бозона Хіггса має чотири основні канали: злиття двох глюонів, злиття WW і ZZ бозонів, поява разом з W і Z бозоном або народження одночасно з t-кварками. На Великому адронному колайдері є чотири детектора, два з яких - ATLAS і CMS - призначені для вивчення розпаду частинок на високих енергіях. За допомогою цих детекторів і був виявлений бозон Хіггса. Виявилося, що його маса становить 125 ГеВ (гігаелектронвольт).

Як використовувати бозон Хіггса в господарстві?

Великий адронний коллайдер зараз на слуху, і у багатьох людей виникає питання: «А яку ж практичну користь можна отримати з відкриття бозона Хіггса і чи варто взагалі займатися фундаментальною фізикою?» З точки зору цих людей, кілограм фініків має очевидну користь, адже їх можна вжити в їжу. Мобільний телефон теж незамінний в побуті. А ось бозон - це безглузда річ, з якої не можна отримати сьогочасної вигоди.

Коли Майкла Фарадея запитували, як можна застосувати відкрите їм явище електромагнітної індукції, він тільки розводив руками і відповідав: «Напевно, можна змайструвати якісь іграшки». Сучасники Фарадея, та й він сам, не вважали це відкриття хоч трохи корисним, а сьогодні воно лежить в основі промислового виробництва багатьох «іграшок», створених на основі електроенергетики та радіотехніки, включаючи комп'ютери і горезвісні мобільні телефони. Тому потрібно розуміти, що фундаментальна наука може зробити наше життя комфортніше нехай і не зараз, але вже точно в довгостроковій перспективі.

Дійсно, яким же практичним додатком може володіти бозон Хіггса? Як би фантастично це не виглядало, але оскільки поле Хіггса відповідає за масу елементарних частинок, то з його допомогою можна змінювати масу предметів. Досить зробити нейтралізатор цього поля і оснастити їм літаки і космічні кораблі. Уявіть собі літальний апарат, який нічого не важить! Настане ера міжзоряних подорожей, і людство, нарешті, здійснить свою давню мрію - відвідає інші планети і галактики.

Але не будемо забігати вперед. Поки ж завдяки відкриттю бозона Хіггса стало ясно, що Стандартна модель повністю вірна в своїй вузькій області та її прогнози збуваються. Так, вона не описує гравітацію, розглянуту в рамках загальної теорії відносності, і не включає в себе темну матерію і темну енергію - попереду ще багато роботи. Але підтвердження існування бозона Хіггса - це величезний стрибок у розумінні природи елементарних частинок і будови Всесвіту в цілому, а отримання же наукових знань - штука вельми корисна, сама по собі.