В октябре в Стокгольме были объявлены имена лауреатов Нобелевских премий за 2013 год. Отрадно было видеть, что Нобелевские премии по физике, физиологии и медицине были присуждены за работы, тематика которых давно и прочно стоит в ряду приоритетных направлений исследований, ведущихся в нашем институте. В связи с этим наша редакция попросила сотрудников Отделения теоретической физики и Отделения Молекулярной и Радиационной Биофизики нашего института популярно рассказать о сути научных достижений, получивших высокую награду,

Нобелевская Премия за предсказание частицы нового типа

Нобелевская премия по физике 2013 года была присуждена профессору Эдинбургского университета Питеру Хиггсу и профессору Свободного университета в Брюсселе и Тель-Авивского университета Франсуа Энглеру за публикации примерно 50-летней давности с предсказанием существования новой частицы, которую принято называть «бозоном Хиггса». (Читайте «Научные среды» №№ 221. 241, 263). Вообще-то, такое предсказание опубликовали независимо и почти одновременно шесть теоретиков. Но Нобелевская премия вручается не более, чем трем ученым. Третий возможный претендент, Роберт Браут, соавтор Энглера, скончался в 2011 году, а Нобелевские премии не присуждаются посмертно.

Бозон(ы) Хиггса - это сейчас одна из «горячих» тем как в научных и научно-популярных статьях, так и просто в разговорах о науке. Конечно, в значительной степени горячка была инициирована сообщением о возможном открытии этого бозона, обнародованным летом прошлого, 2012 года. Чем же так замечательна нобелевская частица? Зачем она нужна? Для того, чтобы ответить на эти вопросы, обратимся к фундаментальным физическим теориям.

При описании элементарных частиц необходимо учитывать несколько видов взаимодействий. Гравитация, которую мы ощущаем на каждом шагу в нашей повседневной жизни, на частицы влияет чрезвычайно слабо (фактически ее влияние не обнаружено). Зато достаточно важен электромагнетизм, знакомый даже школьникам. Его влияние на элементарные частицы, подчиняющиеся квантовым законам, описывается Квантовой Электродинамикой, которая позволяет вычислять многие эффекты с очень высокой точностью и в хорошем согласии с экспериментом.

Есть и такие взаимодействия, которых мы обычно не замечаем. Примером их являются сильные взаимодействия. Они определяют один из видов радиоактивных распадов, альфа-распад, а больше вроде бы и не видны. Но именно они определяют существование стабильных ядер атомов, в том числе и тех, из которых мы состоим. Сегодня специалисты убеждены, что теорией, описывающей сильные взаимодействия, является Квантовая Хромодинамика. Это математически довольно сложная теория, и пока еще не все ее следствия хорошо изучены. Но основные черты этой теории представляются надежно установленными.

Еще одним видом взаимодействий, незаметных в повседневности, являются слабые взаимодействия. Такое название связано с тем, что интенсивность их мала по сравнению с сильными и электромагнитными взаимодействиями. Все же они тоже определяют один из типов радиоактивных распадов, бэта-распад. Казалось бы, слабые взаимодействия больше никак не влияют на нас. А между тем, и им мы обязаны своей жизнью. Все знают, что мы пользуемся, прямо или косвенно, энергией Солнца. Она выделяется при синтезе гелия из водорода. Вроде бы, такой же процесс происходит и при взрыве водородной бомбы. Но в бомбе взрывается смесь тяжелых изотопов водорода, дейтерия и трития. А внутри Солнца в гелий превращается самый легкий изотоп водорода, и такой процесс не может идти без участия слабых взаимодействий, которые «тормозят» синтез. Именно поэтому Солнце (как и другие звезды) не взрывается подобно бомбе, а «тлеет» много миллиардов лет, создавая условия для возникновения и поддержания органической жизни.

Теория слабых взаимодействий тоже в основном уже построена. Но она имеет необычную структуру. Наиболее простая для расчетов формулировка получается, если считать, что все частицы, участвующие в слабых взаимодействиях, изначально не имеют массы, но приобретают ее в результате взаимодействия с каким-то постоянным «мировым полем», которое пронизывает всю Вселенную. За его «всеобъемлющую» роль это поле иногда звучно называют полем Бога!

Франсуа Энглер и Питер Хиггс. фото с сайта: www.ntvmsnbc.com

При всей «возвышенности» такого названия, происхождение его довольно банально. В 90-х годах один из известных физиков написал популярную книгу об изучении материи от Демокрита до наших дней. Он назвал ее “Goddamn Particle” = ”Проклятая Частица”, имея в виду, что хиггсовский бозон никак не поддавался наблюдению, несмотря на большие усилия. Но издатель заявил, что книгу с таким названием не будут покупать. Подумав, он «сократил» название и придал ему вид “God Particle” = “Божественная Частица” (или “Частица Бога”). Новое название вызвало ажиотаж (правда, в основном среди нефизиков), который не проходит и до сих пор.

Странная, на первый взгляд, идея «мирового поля» и его влияния на массы частиц была предложена в 60-х годах прошлого века, почти одновременно несколькими авторами. Среди них был и британский теоретик Питер Хиггс. Хотя он, похоже, был не самым первым, за этим полем закрепилось название поля Хиггса. Подобные случаи не очень редки: континент «Америка» называют вовсе не по имени его первооткрывателя; в физике дифракция Френеля была еще до Френеля описана Юнгом. Впрочем, сейчас уже встречается и более полное название «поле Браута-Энглера-Хиггса». Для простоты в этой статье традиционно используется лишь одна фамилия.

Означает ли присутствие «мирового» поля Хиггса в расчетах, что оно существует вполне реально? Вообще говоря, не обязательно. В физике известны примеры, когда для упрощения используют вспомогательные объекты, которых на самом деле нет. Пусть, например, мы хотим найти электрическое поле заряда вблизи проводящей (скажем, металлической) плоскости. Его легко рассчитать, если предположить, что с другой стороны плоскости (в «зазеркалье») находится еще один заряд, противоположного знака, хотя в реальности его там, конечно же, нет. Но здесь проявляется одно из различий квантовой и классической физики. В классике после проведения расчетов можно забыть про вспомогательные объекты. А в квантовой физике присутствие даже, казалось бы, фиктивного поля не позволяет устранить проявление его квантов. Вот эти кванты, связанные с «мировым полем», и есть знаменитые бозоны Хиггса. Заметим, что в нынешней теории можно не использовать «мировое поле» и не считать частицы изначально безмассовыми. Но бозоны Хиггса все равно потребуется учесть, чтобы теория была самосогласованной. Так что поле Хиггса должно быть действительно существующим, даже если оно не является «мировым». Правда, структура расчетов без «мирового поля» получается более громоздкой, но это вопрос «технический».

Итак, мы столкнулись с довольно неожиданной ситуацией: считалось, что мы знаем, какие частицы (или хотя бы типы частиц) участвуют в слабых взаимодействиях. И вдруг оказалось, что должны существовать еще какие-то частицы, которых никто никогда не видел и даже не подозревал, что они существуют. Более того, если вернуться к языку «мирового поля», оказалось, что может быть несколько таких полей. Соответственно, может быть несколько разных типов хиггсовских частиц (их совокупность называют хиггсовским сектором). Иначе говоря, в природе может (и должен?) существовать целый набор частиц, о которых мы пока ничего не знаем. Даже предсказание их свойств зависит от предположений о структуре хиггсовского сектора, в частности, от неизвестного пока числа «мировых полей». Конечно, кое-что о Хиггсовских бозонах мы можем узнать уже сейчас по их косвенным проявлениям. Но извлеченные так сведения имеют пока большую неопределенность. Например, если бы «измеренная» косвенным образом масса бозона Хиггса была правильной, то эксперименты могли бы обнаружить его уже лет десять назад. Однако ничего обнаружить тогда не удалось, что поддерживало сомнения: а есть ли вообще в природе бозон(ы) Хиггса?

Вернемся теперь к нынешней экспериментальной ситуации. Как известно, возле Женевы существует международный центр ЦЕРН (это французское сокращение от полного названия «Европейский Центр Ядерных Исследований»), в котором построен и запущен Большой Адронный Коллайдер. В нем навстречу друг другу летят по круговым орбитам протоны с самой высокой энергией, достигнутой на Земле. На Коллайдере установлены четыре больших детектора. В отличие от существовавших некогда детекторных приемников, довольно-таки миниатюрных, каждый из этих детекторов имеет размеры с многоэтажный дом и напичкан многочисленной сложной аппаратурой. Каждый детектор построен и обслуживается отдельной коллаборацией. Слово «коллаборация» в переводе на русский означает просто «сотрудничество». Сейчас так называют объединения большого числа групп физиков, работающих в разных университетах и институтах многих стран (не только европейских). На Коллайдере в каждой коллаборации состоит более тысячи физиков (среди них и российские физики, в том числе из ПИЯФ). Каждый детектор фиксирует и запоминает события, возникающие при столкновениях протонов в Коллайдере. Затем эти события тщательно анализируются. Следует отметить, что разные детекторы построены так, что имеют различную чувствительность к разным типам событий. В результате они не дублируют, а дополняют и как бы контролируют друг друга.

4 июля 2012 года на семинаре в ЦЕРНе представители двух коллабораций, работающих на Коллайдере, сообщили, что они, видимо, наблюдают какую-то новую частицу, которая могла бы быть бозоном Хиггса. Высказывания были довольно осторожными («частица, похожая на бозон Хиггса»), так как даже само существование новой частицы выглядело еще недостаточно убедительным. Кроме того, имелись некоторые нестыковки между результатами этих двух коллабораций. Тем не менее, доклады вызвали большой интерес и у специалистов, и среди неспециалистов. Последовал всплеск теоретических статей с детальным обсуждением ожидаемых свойств новой частицы при самых различных предположениях о структуре хиггсовского сектора и о возможной «новой физике».

Тем временем, экспериментаторы накапливали и анализировали новые данные. В результате, существование новой частицы, с массой примерно в 130 раз больше массы протона, стало выглядеть гораздо убедительнее. Начали проясняться и ее более детальные свойства (спин и четность, свойства распадов). Все они, видимо, не противоречат ожиданиям для бозона Хиггса. Это повлияло и на дирекцию ЦЕРНа, которая предложила не использовать в дальнейших публикациях термины типа «частица, похожая на бозон Хиггса», а также на Нобелевский комитет, решивший присудить премию 2013 года за предсказание «божественной» частицы.

Следует подчеркнуть, что Нобелевская премия дана сейчас именно за предсказание бозона Хиггса, а не за его обнаружение. Изучение свойств новой частицы продолжается. Прежде всего, нужно более надежно установить ее спин и четность. Очень важны и свойства распадов, по которым, видимо, все еще нет полного согласия между двумя коллаборациями. Измеренные свойства не противоречат предположению, что есть лишь одно «мировое поле», но допускают и возможность нескольких полей. Например, возможно, что именно с этим связано различие прямого и косвенного измерений массы. Поэтому предстоит тщательный поиск других частиц, «похожих на бозон Хиггса» (он уже ведется, но пока без результатов). А затем, скорее всего, будет присуждена еще одна Нобелевская премия, уже за экспериментальные достижения. Если эксперименты подтвердят существование хиггсовского сектора (а похоже, что так и будет) и изучат его структуру, у нас укрепится уверенность, что мы правильно понимаем теорию слабых взаимодействий, которая является одной из основ так называемой Стандартной Модели элементарных частиц. Но, конечно, и это не будет завершением физики элементарных частиц. Вопросов останется достаточно много, чтобы и дальше возбуждать интерес исследователей.

Я.И.Азимов