Версия для печати
Вернуться к списку

СЛАВА БОГУ, У НАС ЕСТЬ МАССА

Открытие бозона Хиггса легализовало массу обычного вещества Вселенной. Однако обольщаться не стоит — за 95% остальной вселенской массы отвечает что-то другое

Историческая пресс-конференция в Женеве началась 4 июля в 9.00 по центральноевропейскому времени, прямая трансляция велась десятками ведущих мировых СМИ. После многих лет унылого пребывания на задворках новостей былые кумиры второй половины ХХ века, физики-ядерщики, снова оказались в центре внимания международной общественности. К объявлению результатов статистического анализа данных, которые получили две команды специалистов, работающие на Большом адронном коллайдере (LHC) в ЦЕРНе, крупнейшем в мире международном центре экспериментальных исследований в области физики высоких энергий, было приковано внимание миллионов профессионалов и любителей.

Общая атмосфера в женевской аудитории очень напоминала концерт звезд рок-музыки. Доклады двух главных спикеров неоднократно прерывались шумными овациями, свистом и восторженными криками слушателей, значительная часть которых простояла в очереди всю ночь ради того, чтобы попасть на утреннее шоу. Маститые ученые-физики не скрывали эмоций, по свидетельствам очевидцев, многие из присутствовавших в зале теоретиков и экспериментаторов плакали от радости.

Всеобщий триумф и эйфорию вызвала сбывшаяся наконец-то мечта нескольких поколений профессиональных охотников за мельчайшими объектами мироздания: два детектора LHC зафиксировали распад самого экзотического представителя «зоопарка элементарных частиц» — бозона Хиггса. Пойманная участниками параллельных экспериментов ATLAS и CMS частица стала последним, 17-м, кирпичиком в прихотливом фундаменте Стандартной модели (СМ) физики элементарных частиц, заложенном еще в начале 70-х годов прошлого века.

Учеными, работающими на LHC, сделано научное открытие, которое можно считать как минимум крупнейшим достижением фундаментальной физики начала ХХI века — после того как в 1995 году на Теватроне в Fermilab (Чикаго, США) в полном соответствии с теоретическими предсказаниями СМ была обнаружена самая тяжелая из известных науке к настоящему времени частиц — верхний (top) кварк массой в 176 ГэВ (гигаэлектронвольт). Более того, по мнению многих ученых, фактическое открытие в ЦЕРНе новой частицы, непосредственно отвечающей за таинственный механизм приобретения масс всеми прочими элементарными частицами, — настоящий прорыв в этой области научных исследований за последние несколько десятилетий. И хотя сами непосредственные участники женевских экспериментов пока предпочитают осторожничать, называя частицу лишь «новым бозоном» или «частицей, которая в целом ведет себя в соответствии с теоретическими предположениями об основных физических характеристиках бозона Хиггса», сделать заявление об официальном открытии им мешает только научная этика — требуется обширный набор строгих доказательств.

Бурные празднества вызвал еще один фактор. Пока не был официально найден бозон Хиггса, новые научные мегапроекты, и прежде всего международный линейный коллайдер (ILC), предварительная оценка стоимости строительства которого варьируется в диапазоне 20–25 млрд долларов, долгое время находились в подвешенном состоянии, их дальнейшая финансовая поддержка напрямую зависела от результатов экспериментов на LHC и альтернативных измерений на Теватроне. Лоббистов строительства этих дорогостоящих экспериментальных установок часто обвиняли в том, что получаемые ими из различных госбюджетных источников средства по большей части тратятся ради удовлетворения абстрактного научного любопытства, — теперь у них появился мощнейший козырь.

Гипотеза о нарушении

Первые слухи о возможной научной суперсенсации появились в специализированных электронных СМИ в двадцатых числах июня — сразу после того, как руководство ЦЕРНа объявило о срочной организации незапланированной в официальном графике пресс-конференции в канун открытия в Мельбурне (Австралия) крупнейшей международной конференции по физике высоких энергий. На популярном научном сайте PhysicsWeb читатели даже срочно провели интернет-голосование на тему, будет ли объявлено 4 июля об открытии бозона Хиггса или нет; с минимальным перевесом победили те, кто верил.

Оптимистическая версия о том, что неуловимый бозон наконец-таки попался в сети женевских экспериментаторов, приобрела статус основной, когда стало известно о специальном приглашении на церновское мероприятие самого Питера Хиггса. Этот 83-хлетний британский патриарх теоретической физики почти полвека назад, в начале 1964 года, предложил первую модель и предсказал возможное наличие в природе этого бозона.

Справедливости ради надо сказать, что профессор Эдинбургского университета Питер Хиггс, с фамилией которого на протяжении многих лет устойчиво ассоциировались гипотетическая частица и новое поле, не был единственным теоретиком, разработавшим основы новой модели. В том же 1964 году независимо от него схожие теоретические конструкции предложили две команды: Франсуа Энглер и Роберт Браут, а также Дик Хаген, Джералд Гуралник и Том Киббл. А с учетом того, что долгожданное экспериментальное подтверждение их гипотезы, очевидно, напрашивается в ближайшие год-два на присуждение очередной Нобелевки, Шведской академии наук предстоит сделать весьма трудный выбор. По официальным правилам в каждой из научных номинаций разрешается присуждать не более трех премий, тогда как потенциальных кандидатов пока остается пятеро (единственный ученый, не доживший до исторической пресс-конференции в Женеве, Роберт Браут).

Итак, откуда же и зачем появилась в современной физической теории эта странная частица, прозванная позднее в околонаучных кругах «частицей Бога»?

Теоретики Стандартной модели, научного мейнстрима последних 40 лет (основными разработчиками считаются Стивен Вайнберг, Шелдон Глэшоу и Абдус Салам), достаточно успешно одолели три из четырех выявленных в природе фундаментальных взаимодействий — электромагнитного, слабого и сильного. Единственной проблемой, так и не решенной в рамках СМ, остается физическая природа четвертого — гравитационного взаимодействия. Этим четырем фундаментальным взаимодействиям отвечают соответствующие элементарные частицы, называемые частицами — переносчиками взаимодействий. Так, фотоны (или гамма-кванты) — переносчики электромагнитного взаимодействия, глюоны — сильного взаимодействия, W- и Z0-бозоны — слабого взаимодействия (в роли потенциальных переносчиков гравитационного взаимодействия пока выступают так называемые гравитоны, которые до сих пор экспериментально не обнаружены). Созданная теоретиками СМ объединенная теория электрослабого взаимодействия (теория Вайнберга—Салама—Глэшоу) весьма убедительно объясняет все аспекты электромагнитных и слабых взаимодействий, которые сразу же после породившего нашу Вселенную Большого взрыва обладали определенной симметрией.

Однако в этой ранней симметричной сверхгорячей Вселенной все элементарные частицы были безмассовыми, тогда как в современном нам мире ничего подобного не наблюдается. Исходя из этого противоречия между теорией и практикой напрашивался очевидный вопрос к авторам СМ: откуда же и благодаря чему у всех элементарных частиц (не считая так и оставшихся безмассовыми фотонов и глюонов) впоследствии появилась масса, точнее говоря, так называемая масса покоя?

При ответе на этот вопрос теоретики СМ постулировали, что вскоре после Большого взрыва электрослабая симметрия самопроизвольно нарушилась и с тех достопамятных времен так и не восстановилась. А в качестве главного виновника случившегося нарушения симметрии ими был изобретен «хиггсовский механизм», физическая природа возникновения которого, впрочем, так и осталась необъясненной. Иными словами, создатели СМ предположили, что этот самый механизм, а точнее, новое поле (поле Хиггса), которое быстро распространилось по всей Вселенной, и стал причиной последующего обретения большинством частиц пресловутой массы покоя.

Согласно новой экзотической модели, к созданию которой приложили руки и головы Питер Хиггс и его коллеги, именно хиггсовское поле непосредственно влияет на движение частиц в космическом пространстве, слегка притормаживая их и делая инертнее, то бишь придавая им массу, которая, в свою очередь, оказывается тем большей, чем сильнее элементарные частицы взаимодействуют с частицами-переносчиками. Таким образом, теоретиками СМ заодно с полем Хиггса был выдуман и его переносчик — бозон Хиггса, очередная гипотетическая элементарная частица. Ее затем было предложено обнаружить коллегам-экспериментаторам.

Долгие поиски

Поставленная теоретиками новая задача оказалась весьма сложной.

Как отметил в беседе с «Экспертом» заведующий лабораторией теории элементарных частиц ИТЭФ им. Алиханова, член-корреспондент РАН Михаил Высоцкий, «рождение бозона Хиггса экспериментально зафиксировать практически невозможно. Он, согласно теоретическим прикидкам, живет лишь чуть дольше 10–21 секунд, в среднем пролетая до распада на более легкие частицы дистанцию, составляющую менее одной сотой расстояния между соседними атомами (около 10–10 сантиметра)». Поэтому основным механизмом косвенного обнаружения в природе этой частицы стало ее изучение post mortem, то есть анализ различных предположительных продуктов распада бозона Хиггса.

Однако, поскольку, по словам Михаила Высоцкого, точных теоретических расчетов массы самого «массообразующего» бозона Хиггса разработчики СМ так и не предложили (они, по сути, ограничились лишь тем, что изначально обозначили крайне расплывчатый диапазон ее возможных значений — от 10 до 1000 ГэВ), физики-экспериментаторы были вынуждены учитывать самые разные гипотетические варианты процессов его распада. Например, в зависимости от того, какой на самом деле окажется масса хиггсовского бозона, эта частица в теории могла распадаться на пары b-анти-b кварков (вариант «легкого бозона Хиггса» с массой в районе 120 ГэВ) и более увесистые пары WW- и ZZ-бозонов («тяжелый» вариант с массой 250 ГэВ).

Отметим также, что «частица Бога» ранее уже неоднократно «открывалась» с последующим быстрым «закрытием». Скажем, еще в 1986 году на международной физической конференции в Лейпциге было объявлено, что бозон Хиггса наконец найден и его масса составляет порядка 80 ГэВ, но это сообщение, как и ряд более поздних его аналогов, оказалось информационным пшиком.

По большому счету, начало по-настоящему серьезных попыток экспериментального обнаружения бозона Хиггса было положено лишь во второй половине 1990-х годов, когда к систематическим поискам подключились женевский предшественник LHC — LEP (Большой электрон-позитронный коллайдер) и исследователи, работающие на американском ускорителе Теватрон.

Однако ни на LEP, ни на Теватроне поймать Хиггса так и не удалось (LEP прекратил свою работу еще в 2000-м, а его американский собрат официально был остановлен годом позже), хотя участники двух многолетних экспериментов на Теватроне (CDF и DZero) смогли в итоге вычислить предполагаемый узкий диапазон значений массы этой частицы. На непосредственно предварявшем пресс-конференцию в Женеве аналогичном мероприятии, прошедшем в Чикаго двумя днями раньше, его организаторы объявили, что, согласно полученным им статистическим данным, бозон Хиггса, если он существует в природе, должен иметь массу в промежутке от 115 до 135 ГэВ. Более того, представили предварительные результаты своих последних экспериментов, которые свидетельствовали со статистической погрешностью в 2,9 сигмы (то есть с вероятностью примерно 550 к 1) о наличии искомого сигнала его распада на пару нижних кварков (b-анти-b). Однако жесткие физические традиции диктуют: чтобы официально заявить об открытии какой-либо новой частицы, экспериментаторы обязаны добиться уровня статистической погрешности в 5 сигм (соответствующей вероятности случайной ошибки в 0,00003%). И чикагские результаты так и остались в промежуточной категории «весьма вероятных».

Зато участникам двух более поздних экспериментов на запущенном в 2008 году женевском LHC — ATLAS и CMS — все-таки удалось совершить этот статистический подвиг. Точнее говоря, официальный спикер эксперимента CMS Джо Инкандела рапортовал, что он и его коллеги выявили новую частицу с вероятностью ошибки в 4,9 сигмы, тогда как представительница конкурирующей команды исследователей из ATLAS Фабиола Джанотти заявила об обсчитанной «правильной погрешности» ровно в 5 сигм и предполагаемой массе бозона Хиггса 126 ГэВ «с копейками».

В обоих экспериментах ЦЕРНа, в отличие от американских, исследовался более экзотичный механизм распада бозона Хиггса на пару фотонов, который, однако, в отличие от типичных распадов на кварки оказалось намного проще зарегистрировать.

Далее исследователям, работающим на детекторах ATLAS и CMS, предстоит удостовериться, что косвенно вычисленная ими новая частица полностью соответствует расчетным физическим характеристикам. В частности, не выяснено пока значение ее спина, а без этого определения она формально не может быть окончательно классифицирована в качестве «того самого бозона».

Промежуточная победа

Можно ли после исторической победы Стандартной модели говорить о том, что физики-теоретики наконец успешно расставили все точки над i?

Разумеется, ответ будет отрицательным. Более того, имеет смысл скорее говорить о том, что теперь СМ полностью реализовала свой ограниченный прогностический потенциал и далее на повестке стоит сложнейшая задача ее серьезной доработки или даже полной замены на обновленную теорию.

Одна из самых таинственных загадок — проблема недостающей массы, или, строже, массы-энергии Вселенной. Ведь согласно текущим теоретическим расчетам на долю обычного вещества, то есть тех самых элементарных частиц, из которых состоят более сложные атомы и которые непосредственно взаимодействуют с пресловутым полем Хиггса, приходится всего около 5% от общего объема массы-энергии всей Вселенной. Еще около 30% предположительно содержится в так называемой темной материи. Она, скорее всего, должна целиком состоять из до сих пор не открытых супермассивных частиц, для которых, правда, предусмотрительные теоретики уже успели придумать названия. Наконец, ученым сих пор практически ничего не известно о самом большом «акционере» Вселенной — темной энергии, на нее, если верить расчетам, приходится порядка 70% массы-энергии. Что это такое, из чего состоит, да и существует ли на самом деле? Внятных ответов современная физическая теория пока дать не в состоянии.

Кристаллы в Богородицке больше не растут

Создать мюонный спектрометр CMS, который зарегистрировал бозон Хиггса, удалось только благодаря участию Богородицкого завода технохимических изделий из Тульской области. В середине 1990-х представители CERN, к своему ужасу, осознали, что это никому не известное дотоле предприятие из глухой российской провинции — единственное в мире, способное обеспечить строящийся ускоритель LHC кристаллами вольфрамата свинца.

Дело в том, что для решения сверхзадач, которые ставились перед строящимся коллайдером, нужен был не просто какой-то вольфрамат свинца, а десятки тысяч абсолютно одинаковых суперкачественных кристаллов — правильной структуры (без дефектов) и высочайшей чистоты (без примесей). Только российский завод сумел выполнить все требования этого, пожалуй, самого технологически сложного проекта современности. Под него в Богородицке создали промышленную технологию выращивания кристаллов по методу Чохральского. К 2001 году заводские технологи-ростовики научились «ловить» и удерживать на поверхности расплава (разброс температур которого от 1300 до 1800 градусов Цельсия) температуру фазового перехода из жидкого состояния в кристаллическое и подсыпать в техпроцесс по 25–30 атомов легирующих добавок на миллион атомов основного материала. Специалисты предприятия управляли процессом формирования кристаллической решетки вольфрамата свинца столь виртуозно, что тысячи выращенных кристаллов, точно наштампованные, обладали практически одинаковыми характеристиками.

В марте 2008 года Богородицкий завод вырастил и отправил в CERN последние из 82 тыс. кристаллов, необходимых для запуска CMS. Именно этими бесцветными, прозрачными, как стекло, брусками в форме параллелепипеда или усеченной пирамиды с гладко отполированными гранями в итоге заполнили весь внутренний объем калориметра (он имеет диаметр 3 м и длину почти 6 м). А само предприятие, имея безупречную репутацию поставщика CERN, стало мировым лидером на рынке высокотехнологичных материалов-сцинтилляторов.