 |
||||||||||||||||
Итак, в среду, 4 июля, в Европейской
лаборатории физики элементарных частиц Церн было торжественно объявлено,
что получено экспериментальное подтверждение существования бозона, совместимого
по свойствам с ожидаемым бозоном Хиггса! Формулировки, в которых
было представлено открытие, были осторожны: было сказано, что найден
бозон с массой, близкой к ожидаемой массе бозона Хиггса. Но требуется
дополнительная работа, чтобы достоверно убедиться, является ли найденный
бозон бозоном Хиггса или это какая-нибудь иная новая частица. Если это действительно
не бозон Хиггса, а нечто другое, то это тоже весьма интересно. Но допустим,
что найденная новая частица – бозон Хиггса, и разберемся в вопросе значимости
такого открытия.
Чтобы по достоинству оценить значимость
открытия бозона Хиггса, надо приложить некоторое умственное усилие.
Вернемся коротко в прошлое: почти 100 лет тому назад впервые было высказано
предположение о двойственности – или, как принято говорить, «дуальности»
– материи, которая ведет себя и как волна, и как частица. Эта гипотеза
была высказана Эйнштейном в 1905 году, чтобы объяснить явление фотоэффекта.
Не отвлекаясь на подробности, эту гипотезу можно сформулировать так,
что свет является не только волновым явлением, но обладает и корпускулярными
свойствами, иначе говоря, свойствами частиц, которые получили название
фотонов. Такая смелая мысль была принята с трудом. Даже великий
Макс Планк, когда он в 1914 году давал Эйнштейну рекомендацию на профессуру
в Берлине, счел нужным оговорить, что не надо ставить в упрек Эйнштейну
его странную идею о корпускулярных свойствах света. Зато молодой Луи
де Бройль принял гипотезу дуальности и творчески применил к электрону,
показав, что новые в те годы правила квантования энергии – то есть правила,
согласно которым энергия испускается и поглощается не непрерывным образом,
как было принято считать, а только порциями, названными Планком «квантами»,
– что эти правила являются следствием волновой природы электрона.
Почти одновременно с де Бройлем, Девиссон и Джермер экспериментально
обнаружили волновые свойства электрона, а Эрвин Шредингер несколько
лет спустя гипотезу дуальности развил в стройную волновую механику,
с помощью которой удалось получить математическое объяснение атомных,
молекулярных и ядерных явлений. Таким образом, выработалось представление,
что пространство наполнено волновыми полями – или, как проще говорят,
«полями»; каждому виду частиц – фотонам, электронам, протонам
и всем прочим, – соответствует определенное поле, а частицы являются
квантами этих полей: фотон – квант электромагнитного поля, электрон
– квант электронного поля и т.д. Во второй половине 20-го века стал
развиваться новый раздел физики: физика элементарных частиц. Было обнаружено
– сначала в космических лучах, а затем и на ускорителях, – что существует
большое количество элементарных частиц кроме электронов, протонов и
нейтронов, из которых состоят все атомы. В обычной жизни эти частицы
незаметны, потому что они живут только очень непродолжительно – микросекунды
и меньше. Было установлено, что все элементарные частицы можно разбить
на три класса: лептоны, мезоны и барионы. Лептоны – это в первую очередь электрон
и его античастица – позитрон, затем мюон и тау-лептон. Эти лептоны носят электрический заряд, либо единицу
положительного, либо отрицательного заряда. Кроме того к лептонам относятся
электрически нейтральные частицы – нейтрино, причем каждому заряженнму
лептону соответствует определенный тип нейтрино – электронный-, мюонный-,
тау-лептонный нейтрино, – и, конечно, у каждого нейтрино есть и антинейтрино.
Таким образом, имеется 6 видов лептонов и 6 антилептонов. С мезонами и барионами обстоит иначе.
Уже к концу 50-х годов прошлого века их обнаружено было такое множество,
что возникли сомнения в элементарности этих частиц. И действительно,
к концу 60-х годов было найдено, что протоны и нейтроны и вообще все
барионы и мезоны являются составными частицами, а именно, что они состоят
из частиц, получивших название «кварков». Замечательным образом
было установлено, что кварков, как и лептонов, имеется 6 видов. С помощью
этих шести видов кварков можно обьяснить существование всего огромного
множества разных мезонов и барионов, которых совокупно называют «адронами».
Лептоны и кварки совокупно принято называть «фундаментальными частицами». Но одним перечнем частиц мы не ограничиваемся. Нужно еще выяснить, как все частицы взаимодействуют, ибо свойства частиц проявляют себя только в их взаимодействиях. Оказалось, что есть всего 4 вида взаимодействий: гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное. Гравитационное взаимодействие в мире элементарных частиц роли не играет. Слабое взаимодействие проявляет себя, например, в радиоактивности: атомное ядро испускает электрон и антинейтрино, превращаясь в смежное в таблице Менделеева ядро. Одно из проявлений электромагнитного взаимодействия – удержание электронов в атомах. Аналогично, сильное взаимодействие связывает кварки в адронах; удержание протонов и нейтронов в атомных ядрах – отражение сильного взаимодействия.
Важно проявление взаимодействий при
столкновениях частиц. Например, когда электрон близко подходит к другому
электрону, то между ними может перескочить фотон, и это приводит к отталкиванию
их друг от друга. Это проявление электромагнитного взаимодействия. Слабое
взаимодействие в чистом виде проявляет себя при столкновении нейтрино
с электроном или кварком, причем перескакивает между сталкивающимися
частицами носитель слабого взаимодействия – так называемый W- или Z-бозон. В отличие от фотона,
у которого масса нулевая, W- и Z-бозоны весьма тяжелые: их масса равна массе атома
где-то в середине таблицы Менделеева. С этой большой массой связано
затруднение, с которым физики-теоретики бились долгое время. Большая масса W- и Z-бозонов стала трудно преодолимой проблемой, когда начались попытки построения теории, объединяющей электромагнитное взаимодействие со слабым. Такое объединение получалось, если предположить, что массы W- и Z-бозонов нулевые, как и масса фотона. Но это противоречило эмпирически большой их массе. Выходом из дилеммы оказалась гипотеза Питера Хиггса о существовании некого поля – его называют «скалярным» по его математическим свойствам, – с которым взаимодействуют все другие частицы, в том числе и W- и Z-бозоны: в результате взаимодействия со скалярным полем Хиггса частицы приобретают массу. Бозон, который мы называем бозоном Хиггса, является квантом этого скалярного поля. Таким образом, с помощью введения скалярного поля Хиггса теория объединения электромагнитного и слабого взаимодействия оказалась законченной, и ее принято называть теорией электрослабого взаимодействия. Вместе с теорией сильного взаимодействия – квантовой хромодинамикой – она составляет Стандартную модель элементарных частиц.
Стандартная модель предсказывает множество свойств бозона Хиггса: с какой вероятностью он рождается в столкновениях протонов, и как он распадается – а есть несколько реакций распада, и продукты распада известные частицы, которые регистрируются в детекторах. Но одно важное свойство бозона Хиггса теория не предсказывает – его массу. Однако, зная массы частиц, которым масса дана скалярным полем Хиггса и которые экспериментально измеряются с большой точностью, можно получить косвенное указание на массу бозона Хиггса. Таким образом, экспериментатор имеет целый арсенал сведений, по которым может выстроить поиск бозона Хиггса. Трудность, однако, заключается в том, что, во-первых, бозон Хиггса весьма редко рождается, а, во-вторых, есть очень много реакций, продукты которых неотличимы от распадов бозона Хиггса. Поэтому поиск бозона Хиггса строится так, что моделируют все реакции столкновений протонов с протонами для двух случаев: предполагая отсутствие или наличие бозона Хиггса. Экспериментальные данные затем сравниваются с предсказаниями этого моделирования. В результате, экспериментальные группы, работающие в Церне на детекторах ATLAS и CMS, пришли к выводу, что данные, набранные в этих детекторах, подтверждают существование с большой степенью вероятности некоторого бозона, который может быть бозоном Хиггса. Итак, если действительно найден бозон
Хиггса, то тем самым мы впервые получили ответ на вопрос, что такое
масса, откуда она берется. Такой вопрос до недавнего времени вообще
не задавался – массу любого тела принималась как данность. Тем не менее,
тайна массы назревала в течение веков. Уже Ньютону было известно, что
масса проявляет себя двояким образом: как тяжелая (гравитационная) и
как инертная масса, и далеко не очевидно, что эти массы одной природы.
Обычно мы не очень задумываемся, когда записываем уравнение движения
планеты вокруг солнца, где с одной стороны стоит инертная масса планеты,
а с другой ее гравитационная масса: пишем ту же букву «m» и сокращаем, и, получая
эллипс Кеплера, успокаиваемся, что все правильно сделали. Ясность внес
Эйнштейн, сформулировав принцип эквивалентности. Но это еще не значит,
что понято было происхождение масс частиц. Такое понимание пришло только
в результате работ Питера Хиггса – и некоторых других теоретиков, которые
почти одновременно трудились на этом поприще – и возможно, что получило
свое завершение благодаря многолетним трудам экспериментаторов и инженеров,
которые создали Большой адронный коллайдер и его детекторы и проанализировали
результаты миллиардов столкновений протонов с протонами при энергии,
которая до этого наблюдалась только в космических лучах. В этом и заключается
эпохальное значение сделанного в Церне открытия. Д-р. физ.-мат.н. В.Б. фон Шлиппе Ссылки на статьи
о БАКе в «Научных средах»: «Большой адронный коллайдер и его глаза»,
http://hepd.pnpi.spb.ru/ioc/ioc/line0878/nn0878.htm «Первый год Большого
адронного коллайдера», http://hepd.pnpi.spb.ru/ioc/ioc/line9-10-2010/nn2010910.htm Ссылки на работы Хиггса и других, в которых развивалась гипотеза о приобретении массы
частицами в результате их взаимодействия с скалярным полем (взяты с
сайта http://www.ph.ed.ac.uk/higgs/): P.W. Higgs, Phys. Rev. Letters 13 (1964) 508; Physics Letters 12 (1964) 132. P.W. Higgs, Phys. Rev. 145 (1966) 1156-1163. F. Englert and R. Barout, Phys. Rev. Letters 13 (1964) 321. G.S. Guralnik, C.R. Hagen and T.W.B. Kibble, Phys. Rev. Letters 13 (1964) 585. T.W.B. Kibble, Phys. Rev. 155 (1967) 1554-1561.
|
||||||||||||||||
