Знание-сила, 2007 № 10 (964)

В отличие от них протоны, нейтроны и электроны обладают массой покоя и — благодаря этому — могут находиться в покое, будучи наделены определенной инерцией, то есть сопротивляясь попыткам изменить скорость их движения. Нужно затратить энергию, чтобы сдвинуть их с места, так же, как нужно затратить энергию, чтобы остановить их. Чем же объясняется их поведение? Почему одни частицы оказываются инертнее других? Почему одним требуется больше энергии, чтобы начать движение, чем другим?

Все ответы неминуемо сводятся к одному — к «Массе частиц», этому важнейшему ориентиру в мире физики, за которым расстилается непроницаемый мрак. Можно лишь гадать, что находится за ним. Здесь в цепочке логических рассуждений возникает сингулярный разрыв — белое пятно на карте физических экспериментов, проведенных в последние десятилетия. Пятно, само существование которого объясняется, может быть, тем, что у физиков «не хватало энергии», чтобы добраться в этот неведомый край. Новейший коллайдер под Женевой — лучший пока транспорт для езды в незнаемое. Возможно, он доставит их к «полю Хиггса». Ведь большинство физиков убеждено сейчас в том, что именно это поле наделяет элементарные частицы массой.

Итак, со времен Эйнштейна было известно, что все частицы, чья масса покоя равняется нулю, движутся со световой скоростью, и, наоборот, частицы, обладающие массой покоя, не могут достичь световой скорости.

В 1964 году шотландский физик Питер Хиггс предположил, что существует некое, не известное пока науке поле, напоминающее, скорее, тягучий, растекшийся мед. Все мироздание заполнено им. Оно всегда, при самой низкой энергии, отлично от нуля. Любые элементарные частицы, движущиеся сквозь время и пространство, движутся также и сквозь поле Хиггса; оно тормозит их. Массивные частицы взаимодействуют с ним сильнее, легкие — слабее. Можно сказать так: частицы, изначально лишенные массы, попав в поле Хиггса, приобретают некую массу. Лишь некоторые частицы, — вспомним снова фотоны, — беспрепятственно минуют это поле.

Кстати, нечто подобное происходит, когда заряженная частица летит, ускоряясь под действием электромагнитного поля — она тоже получает некий прирост массы от этого поля. В этом отношении поле Хиггса ничем не отличается от электромагнитного.

Пытаясь пояснить, каким образом элементарные частицы приобретают массу, физики нередко прибегают к различным образам. «Представьте себе, все мироздание до краев заполнено вязкой глиной. Все элементарные частицы дефилируют по космосу в каких-нибудь болотных сапогах, и при каждом движении на их обуви остаются комья глины. Вот так же к ним пристает их масса, пока они пробираются сквозь поле Хиггса, а оно вездесуще».

Таким образом, масса любой элементарной частицы представляет собой не что иное, как результат ее взаимодействия с полем Хиггса, пронизывающим весь космос. Сами по себе частицы, повторим, не имеют массы покоя. Если бы не поле Хиггса, все они двигались бы со световой скоростью — лишь это поле наделяет их инерцией. Его напряженность везде одинакова. В отличие от электрических и магнитных полей, в поле Хиггса нет никаких силовых линий. Оно, как говорят физики, является «скалярным полем». Поэтому любые частицы одного и того же вида, где бы они ни находились и в каком бы направлении ни двигались, наделены одинаковой массой.

Каким же образом физики намерены доказать, что поле Хиггса существует? По квантовой теории, любое физическое поле может обнаружить себя благодаря частицам, порождаемым им. Ведь энергия излучается определенными порциями — квантами, которые можно воспринимать как частицы. Например, квантами электромагнитного (в узком смысле — светового) излучения как раз и являются фотоны.

Так вот, если в поле Хиггса произойдет достаточно мощное столкновение элементарных частиц, например, протонов, разогнавшихся почти до световой скорости, то выделятся «кванты» этого поля — так называемые частицы Хиггса — хиггс-бозоны, которые, правда, тут же распадутся на более легкие частицы, но по характерным продуктам распада можно будет восстановить случившееся.

Хиггс-бозоны должны иметь, кстати, некоторые странные особенности, которые резко отличают их от других бозонов. Например, спин. Все бозоны обладают только целыми значениями спина, а вот у хиггс-бозона спин равен нулю. Далее, этот бозон по-разному ведет себя с другими частицами и тем самым дает им разную массу. Все частицы, начиная с электронов и кончая крохотными нейтрино, получают массу от хиггс-бозонов.

Как ожидают ученые, в экспериментах на коллайдере, наконец, удастся обнаружить хиггс-бозон, если, конечно, он существует и ведет себя, как предсказано. В этом случае детекторы коллайдера будут, по всей вероятности, два-три раза в час регистрировать его. До сих пор его не удавалось обнаружить, возможно, потому, что энергия столкновений частиц во время экспериментов на коллайдерах прежних типов оказывалась недостаточно велика для этого. Известно, что масса хиггс-бозона — в энергетических единицах — должна быть больше 110 и меньше 250 гигаэлектронвольт.

По мнению некоторых ученых, имеется пять разновидностей хиггс-бозонов: три нейтральные и две заряженные. Однако Стандартная модель физики не позволяет точно рассчитать массу этих загадочных частиц; она ничего не говорит о том, как возникло поле Хиггса и как быстро распадаются хиггс-бозоны.

Итак, предположим вслед за Хиггсом, что названное в честь него поле наделяет элементарные частицы определенной массой. Роль этого поля, — а значит, и роль хиггс-бозонов, — столь важна, что некоторые физики, кто иронично, а кто велеречиво, именуют эти неуловимые бозоны «частицами Бога», «святым Граалем», «провозвестницами земли обетованной». «И увидел Бог, что это скучно» — такими словами начинает повествование о хиггс-бозонах американский физик и нобелевский лауреат Леон Ледерман, назвавший эти частицы «божественными». Однако все поиски хиггс-бозонов были напрасны. Поле Хиггса не удалось зафиксировать ни в одном эксперименте.

Так, осенью 2000 года из лаборатории ЦЕРН пришло известие, взволновавшее научный мир: при столкновении позитронов и электронов, разогнанных до невероятно большой скорости, похоже, обнаруживались следы хиггс-бозонов. Но подтвердить этот результат так и не удалось.

Понятно, с каким нетерпением физики ждут завершения строительства Большого адронного коллайдера. «Дни хиггс-бозонов сочтены», — слышится вновь и вновь.