Бозон Хиггса — ступенька, на которую может опереться человечество
По просьбе корреспондента «ВП» астрофизик Александр ИВАНЧИК рассказал специально для «чайников» об открытии века
О таком физическом феномене, как бозон Хиггса, многие слышали, но мало кто понимает, что это такое. Перефразируя шекспировскую цитату, можно было бы сказать: «Что нам бозон, что мы — бозону?» Почему же тогда сообщение о его открытии в начале июля из узких научных кругов выплеснулось на страницы практически всех мировых СМИ? Открытие это еще не подтверждено окончательно, а только на 99,9 процента. Сейчас мир затаил дыхание и ждет, когда же ученые заявят: да, мы действительно нашли его, это — он, бозон Хиггса, на 100 процентов. Почему это так важно?
Астрофизик Александр Иванчик.
Под землей крутятся очень большие деньги
Этот вопрос мы задали старшему научному сотруднику сектора теоретической астрофизики Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе Александру Иванчику и попутно попросили его растолковать предельно популярно, что же такое этот самый бозон и как соотносится он с нашей повседневной жизнью и соотносится ли вообще.
— Огромный интерес обывателей к бозону Хиггса подогревает то, что на его поиски затрачена сверхогромная сумма. Специально «под бозон Хиггса» построен Большой адронный коллайдер — один из самых дорогостоящих физических экспериментов в истории человечества, в котором воплотились последние достижения научной и инженерной мысли. Его стоимость сравнима с космическими проектами. Как вы понимаете, это — средства налогоплательщиков. Они хотят знать, во что вкладываются их деньги. Отсюда — широкий пиар коллайдера. Кроме того, в какой-то момент в обществе возникли панические настроения, был подан иск в суд: обыватели боялись, что эксперимент может закончиться страшной катастрофой, угрожающей всему живому. Но суд иск отклонил как несостоятельный. На самом деле коллайдер никому ничем не угрожает. Стоит также сказать, что это — уникальнейший международный эксперимент, в который вовлечено большое количество стран, в основном европейских. Коллайдер, как многие знают, находится на границе двух стран. Часть — в Швейцарии, часть — во Франции. На глубине ста метров под землей прорыт очень мощный тоннель по типу метро, внутри которого проложено кольцо протяженностью 30 км. В нем разгоняются частицы — протоны. Так что, фигурально выражаясь, можно сказать, что под землей крутятся очень большие деньги.
— Школьная программа по физике практически забыта за ненадобностью, поэтому возникают глубоко невежественные вопросы: что такое протоны и откуда они берутся в трубе коллайдера?
— Протон — ядро водорода — простейшего химического элемента, одна из стандартных структурных единиц, которые есть где угодно, в том числе и в нашем воздухе. В трубе коллайдера установлены специальные машины. В них поступает обычный водород, который там ионизируется, в результате чего атом этого вещества, состоящий из ядра — протона и вращающегося вокруг него электрона, разбивается и получаются отдельно свободный электрон и отдельно ядро атома водорода — протон. Вот эти ядра и запускаются в трубу коллайдера. В ней с помощью различных сложных устройств создаются электрические поля, которые разгоняют протоны до огромных скоростей; и магнитные поля, которые заставляют их двигаться по кругу. Протоны запускаются сразу из двух эжекторов, таким образом два пучка протонов двигаются навстречу друг другу.
На протяжении тридцати километров в кольце коллайдера на определенных участках установлены четыре мощных прибора — детекторы, которые корректируют траектории движения протонов. Внутри этих приборов магнитные поля устроены так, что два встречных пучка протонов направляются лоб в лоб, то есть происходят лобовые столкновения протонов, разогнанных до очень больших скоростей — практически до скорости света. Это, как мы знаем, предельная скорость, известная человечеству. Разгоняясь, протоны накапливают огромные энергии, можно сказать даже — гигантские, а в физике элементарных частиц энергия эквивалентна массе. Поэтому протоны, разгоняясь, получают массу, превышающую массу самих протонов, находящихся в состоянии покоя, в тысячу раз. По теории относительности при столкновении частиц с такой тяжелой массой могут высекаться или рождаться новые элементарные частицы. Вообще коллайдеры предназначены для изучения структуры материи и рождения новых элементарных частиц, которые нестабильны и очень быстро распадаются. А непосредственно Большой адронный коллайдер строился, как уже было сказано, под программу поиска бозона Хиггса, однако попутно он решает много задач, которые требуют изучения в физике элементарных частиц.
Детектор направляет протоны лоб в лоб.
Следующий шаг — поиск новых форм материи
— Как ученые догадались, что перед ними та самая частица?
— Все открытые до сих пор элементарные частицы обладали особым набором свойств: определенной массой, спином (собственный момент вращения), отрицательным или положительным зарядом, а у бозона Хиггса спин равен 0, у него нет электрического заряда — он нейтрален, и у него огромная масса, то есть очень большая энергия. Если бы мы на одну чашу весов положили электрон, а на другую бозон Хиггса, то второй перевесил бы очень сильно. Эта частица нестабильна, она моментально распадается на более легкие элементарные частицы. Все эти параметры были предсказаны. Бозоны Хиггса рождаются в результате возмущения, понятнее говоря, всплеска поля Хиггса, который вызывает столкновение протонов на огромных скоростях. Это можно сравнить с водой: когда происходит всплеск, рождаются капли. То, что эта частица обладает очень большой энергией, затрудняло ее открытие. До сих пор у человечества не было таких мощных ускорителей, в которых можно было бы получать такие энергии.
— Допустим, бозон Хиггса обнаружен. Что изменилось?
— Если его удалось обнаружить, это будет подтверждением фундаментальной теории строения материи. Если бы поле Хиггса не удалось обнаружить, пришлось бы пересматривать полностью концепцию построения материи. Но физики сегодня понимают: нарисованная ими картина строения материи уже не является полной. Возможно, существуют новые частицы, еще не открытые. Более того, современные космология и астрофизика говорят о том, что 90 процентов вещества во Вселенной состоит не из обычной материи, а из новых форм материи, и физика элементарных частиц уже может дать приблизительный ответ, какие это новые формы. Чтобы развивать физические знания дальше, необходимо быть уверенными, что принципы, на которых мы работаем, верны. В этом смысле бозон Хиггса — та самая ступенька, на которую, как это ни странно, и в прямом и в переносном смысле может опереться человечество, международное сообщество ученых, чтобы пойти дальше. Следующий шаг в экспериментах на коллайдерах — поиск новых форм материи, которые необычны и непривычны и из которых, возможно, состоит большая часть Вселенной.
— Известно, что наши российские ученые тоже принимают участие в экспериментах, проводимых на Большом адронном коллайдере…
— Россия входит в число стран-наблюдателей вместе с США, Индией, Японией, Израилем и другими.
— Значит, Нобелевская премия за открытие бозона Хиггса нам не грозит?
— Именно так. Хотя наша страна участвовала в изготовлении некоторых элементов оборудования коллайдера и наши ученые постоянно присутствуют в ЦЕРНе. Но основные результаты будут принадлежать европейцам, поскольку именно им удалось реализовать этот грандиозный проект.
Схема Большого адронного коллайдера.
Как из хаоса рождается порядок
— Ученые действительно еще не до конца уверены, что открыли именно бозон Хиггса, а лишь на 99,9 процента?
— Бозон Хиггса относится к элементарным частицам, которые живут мизерные доли секунды, поэтому засечь его чрезвычайно трудно. В результате столкновения протонов в коллайдере рождаются миллионы элементарных частиц. Они разлетаются по всему детектору, большая часть из них — те, которые уже известны науке и поэтому неинтересны ученым. Надо отобрать одну-единственную из миллионов, которая будет соответствовать предсказанным параметрам новой частицы — бозона Хиггса. CERN (ЦЕРН) — Европейский центр ядерных исследований — так официально называется весь исследовательский комплекс — представляет собой не только установку для разгона протонов, но и мощнейший компьютерный центр, где установлено огромное количество компьютеров и обрабатывающих систем, перемалывающих непрерывный поток информации в режиме онлайн. Они отбирают и регистрируют новые элементарные частицы, возникающие в коллайдере, а уже известные отсеивают. И вот наконец было заявлено, что две независимые группы на 99,9 процента уверены, что нашли бозон Хиггса. Сейчас ведется более детальная компьютерная обработка данных, но заявление достаточно обнадеживающее. К нему нужно относиться с оптимизмом, и тем не менее в физике имеется много примеров, когда такие заявления потом сходили на нет.
— Почему так важно было найти этот бозон?
— Сегодня физики знают, как устроен мир с точки зрения фундаментального строения материи. Нам известно, что мы сами и вся материя, которая нас окружает, — словом, все состоит из молекул, молекулы — из атомов, атомы — из ядра и вращающихся вокруг него электронов. Это знает любой школьник. Из чего состоит ядро, тоже известно: из протонов и нейтронов. Они — в свою очередь — из кварков. Существует так называемая стандартная модель строения материи. Она называется кварк-лептонная. Эта теория учит, что кварки и лептоны (электроны) — это первокирпичики, из которых построена вся наша материя, считается, что они уже неделимы. Это — мельчайшие элементарные частицы. Проведено огромное количество экспериментов по изучению элементарных частиц, из которых состоят земля, человек, цветы, деревья — все видимое, и их взаимодействия. Они подтверждают верность кварк-лептонной модели. В ней полностью есть все, за исключением одного элемента. В этой теории предсказывается, что кварки и лептоны обретают массу за счет взаимодействия с полем Хиггса. Оно было предсказано теоретически. Это единственный элемент, который не был наблюдаем на практике. Все остальные компоненты модели строения материи наукой открыты, а этот — нет.
— Этот элемент был предсказан, как, допустим, таблица Менделеева, где вначале были пустые клеточки для химических элементов, которые только должны были открыть, а сейчас вся эта таблица заполнена?
— Совершенно верно. Так же и здесь. Было предсказано, что кварки и электроны без бозона Хиггса были бы безмассовыми. То есть не обладали бы массой покоя и непрерывно, хаотично двигались бы со скоростью света. Чтобы из них можно было что-то составить — планету, человека, — они должны обладать массой покоя, которая у них возникает только при взаимодействии с полем Хиггса. Предсказал это поле ныне здравствующий британский ученый Питер Хиггс около 50 лет назад. Оно пронизывает все сущее, и протоны, из которых мы состоим, и кварки, из которых состоят протоны, взаимодействуют с этим полем и поэтому обладают массой, то есть, образно говоря, поле Хиггса из хаоса рождает порядок. А бозон Хиггса — мельчайшая частица этого поля. Не случайно один японский ученый назвал этот элемент частицей Бога.
