Эксперт Эксперт - Эксперт № 41 (2013)

Полвека в ожидании награды

Присуждение Нобелевской премии по физике Питеру Хиггсу и Франсуа Энглеру можно считать самым предсказуемым. Именно они фигурировали в качестве главных фаворитов во всех прогнозных физических рейтингах, чего, к слову, не скажешь про лауреатов 2013 года по медицине и химии, фамилии которых практически никем из «научных нострадамусов» не упоминались даже в качестве кандидатов второго эшелона.

Об исторической неизбежности этой премии стали говорить сразу же после того, как в начале июля прошлого года руководители параллельных экспериментов ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере (БАК) в Женеве торжественно объявили о долгожданной поимке бозона Хиггса — полулегендарной частицы, задолго до своего экспериментального обнаружения и без особых на то оснований прозванной в научно-популярной литературе «частицей Бога».

Лауреатами премии по физике стали Питер Хиггс...

Фото: AP

Согласно канонам физики, в природе существуют четыре фундаментальных взаимодействия: электромагнитное, слабое, сильное и гравитационное. И у каждого из этих фундаментальных взаимодействий имеются особые элементарные частицы-переносчики — кванты полей, также называемые бозонами. В частности, переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны, а сильного взаимодействия — глюоны. Все прочие частицы (в том числе элементарные или фундаментальные частицы — электроны, кварки, нейтрино, а также составные, например протоны и нейтроны, «сконструированные» из кварков), относятся к так называемым фермионам.

В 1960-е годы физикам удалось объединить электромагнитное и слабое взаимодействия. В выводах из этого объединения содержалась гипотеза о существовании сразу трех частиц — переносчиков слабого взаимодействия: положительно и отрицательно заряженных W- и нейтральных Z-бозонов. Более того, было предсказано, что эти бозоны должны обладать огромными массами (порядка 100 ГэВ) и при этом быть очень короткоживущими (менее 10–18 секунд).

В течение следующего десятилетия эти важнейшие гипотезы из-за отсутствия достаточно мощных ускорителей экспериментально проверить не удавалось. Наконец, в конце 1970-х в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) начались работы по переделке действующего ускорителя SPS (суперпротонного синхротрона) в протон-антипротонный ускоритель на встречных пучках (коллайдер).

...и Франсуа Энглер

Фото: AP

Перестроенный SPS с рекордной для того времени длиной окружности почти в 20 километров начал свою работу в 1982 году, и уже в январе 1983 года ученые объявили об открытии W+ и W– бозонов. Буквально через несколько месяцев экспериментаторам удалось обнаружить и нейтральную Z-частицу.

Однако, как ни странно это прозвучит, экспериментально подтвержденная гипотеза о том, что W- и Z-бозоны имеют массу (причем массу очень значительную по меркам физики частиц), оказалась весьма серьезной помехой для теоретиков.

Дело в том, что исходя из базовых постулатов так называемой калибровочной теории взаимодействий (одной из важнейших составных частей Стандартной модели физики частиц, СМ) все бозоны должны быть безмассовыми (иметь нулевую массу).

И два из четырех бозонов — фотон, переносчик электромагнитного взаимодействия, и глюон, переносчик сильного взаимодействия, согласно многочисленным данным, действительно являются безмассовыми (до сих пор не открытый четвертый предполагаемый бозон, гравитон, вроде бы тоже должен иметь нулевую массу), чего, увы, отнюдь нельзя было сказать про бозоны — переносчики слабого взаимодействия.

Более того, если руководствоваться этой калибровочной теорией во всех математических расчетах для частиц, обладающих высокой энергией (и прежде всего для W- и Z-бозонов), возникают совершенно несуразные результаты или, попросту говоря, получаемые ответы дают бесконечности, причем даже с учетом различных хитроумных надстроек, так называемых перенормировок.

Найти выход из этой практически тупиковой ситуации физикам удалось во многом благодаря усилиям Питера Хиггса, Франсуа Энглера и его коллеги Роберта Браута(увы, не дожившего до присуждения долгожданной Нобелевской премии), в 1964 году придумавших весьма изощренный механизм, который позволил найти «лазейку» в калибровочной теории.

Магическим образом этот механизм, названный позднее механизмом Хиггса, точнее говоря, постулированное его разработчиками наличие во Вселенной особого физического поля, также названного хиггсовским, с одной стороны, позволяет всем частицам, известным ученым к настоящему времени (причем как бозонам, так и фермионам, за исключением уже упоминавшихся фотонов и глюонов), обладать массой, но, с другой стороны, не дает им свободно перемещаться на большие расстояния.

Согласно уточненным постулатам СМ, сразу же после породившего нашу Вселенную Большого взрыва все виды физических взаимодействий, которые короткое время представляли собой единое взаимодействие, изначально обладали симметрией, и никаких частиц, обладавших массой, в ней не было. Однако по мере охлаждения Вселенной и ее постепенного расширения эта симметрия «спонтанно нарушилась» (конкретный механизм этого так называемого спонтанного нарушения исходной симметрии очень сложен, и мы не будем пытаться его здесь изложить). И основной причиной случившегося нарушения симметрии оказалось быстро распространившееся во Вселенной густое поле-конденсат, которое, что особенно важно, несло заряд слабого взаимодействия, как бы «размазывая» его по всему космическому пространству, в том числе даже в вакууме, полностью лишенном частиц. Именно этот заряд, заполнивший вакуум, эффективно «блокирует» слабые бозоны, когда они пытаются распространить взаимодействия на большие расстояния, причем схожим образом эта «блокировка» действует и на прочие частицы, которые также испытывают слабое взаимодействие.

Предложенный Хиггсом механизм одновременно удовлетворяет как исходному формальному требованию существования внутренней симметрии для слабых взаимодействий (что и являлось основной проблемой для теоретиков), так и привнесенному новой схемой требованию необходимости ее нарушения, хотя, справедливости ради, уточним, что физическая природа возникновения особого фонового (хиггсовского) поля в ранней Вселенной так и остается до сих пор не проясненной в рамках современной теории.

Безусловно, впервые разработанная Хиггсом, Энглером и Браутом новая надстройка выглядит чрезмерно изощренной и даже искусственной, однако с ее помощью физикам удалось в дальнейшем успешно решить многие теоретические проблемы — в частности, инкорпорировать ее в новую теорию электрослабого взаимодействия. Более того, постулировавшееся в ней существование специфической частицы-переносчика массообразующего взаимодействия, «того самого» бозона Хиггса, долгое время оставалось как бы на втором плане: мол, сам механизм хорошо работает, а уж экспериментальное обнаружение важнейшего участника — дело наживное.