Знание-сила, 2007 № 10 (964)

Но если во время экспериментов на коллайдере удастся доказать существование хиггс-бозонов, значит ли это, что проблема массы элементарных частиц раз и навсегда будет решена?

Скорее, нет. Мы и тогда будем лишь самым схематичным образом представлять себе, как частицы приобретают массу. Непонятно, например, почему массы различных элементарных частиц разнятся. Почему у протона одна масса покоя, у нейтрона — другая, у электрона — третья?

Вопрос кажется таким же наивным, как и вопрос «Почему Иванов — блондин, Петров — брюнет, а Сидоров — рыжий?», которым задаются разве что первоклашки. Но ведь последний, на самом деле, приводит нас к одной из фундаментальных проблем мироздания — к осознанию того, что у всего живого есть уникальный генетический код, окрашивающий шевелюру того же Петрова в темные тона. Так что же «окрашивает» протоны с электронами, бороздящие всемирное поле Хиггса? «С открытием частиц Хиггса загадка существования массы фактически будет лишь отодвинута дальше в сторону», — полагает физик- теоретик Харальд Фрицш из Мюнхенского университета.

Тут даже не скажешь, что, обнаружив поле Хиггса, физики облегчат себе жизнь. Наоборот, они столкнутся со все новыми проблемами. Так, вычисляя плотность энергии Вселенной, пришлось бы неминуемо, в каждой ее точке, учитывать это вездесущее энергетическое поле, причем разница между тем, что наблюдают астрономы, и тем, что явствует из расчетов, еще больше увеличилась бы.

Чтобы объяснить эту разницу, приходится прибегать ко все новым гипотезам, например, предполагать, что пространство «истинного вакуума» до того, как его заполнило поле Хиггса, было повсеместно отрицательно искривлено. Мы опять вступаем в «сплошные физические потемки». Поиск частиц Хиггса в женевском коллайдере не поможет решить эту проблему — мы лишь убедимся в том, что сделали шаг в верном направлении (а физики почти не сомневаются в этом и сейчас). Но какие открытия нас ждут на этом пути?

Тип: кольцевой ускоритель, в котором будут сталкиваться преимущественно протоны. Назначение: поиск частиц Хиггса и суперсимметричных частиц.

Место расположения: ЦЕРН, Женева (Швейцария).

Размеры: периметр — 27 километров; ускоритель расположен в 50-150 метрах под землей.

Отличительная особенность: самой большой в мире ускоритель элементарных частиц.

Начало строительства: 2001 год.

Ввод в эксплуатацию: осень 2007 года.

Стоимость: 3,9 миллиарда евро.

Страны, финансировавшие строительство: Австрия, Бельгия, Болгария, Великобритания, Венгрия, Германия, Греция, Дания, Испания, Италия, Нидерланды, Норвегия, Польша, Португалия, Словакия, Финляндия, Франция, Чехия, Швейцария, Швеция.

В планировании и строительстве коллайдера принимали участие также исследователи из Израиля, Индии, Канады, России, США, Японии и некоторых других стран.

Как шутят физики, работа на новом ускорителе сродни плаванию Колумба: мы тоже ищем путь в Индию, но, возможно, обнаружим попутно что-то иное, например, суперсимметричные частицы (см. «З-С», № 8/02, с. 53). В самом деле, энергия соударений частиц в новом коллайдере будет так высока, что при их распаде могут обнаружиться частицы, чье существование предсказано теорией суперсимметрии. Их открытие станет важным шагом на пути к созданию Единой модели мироздания, которая объединит все известные нам фундаментальные взаимодействия.

Кстати, если принять существование суперсимметричных частиц, из него автоматически вытекает одно странное свойство поля Хиггса. Все другие виды полей добавляют Вселенной энергию, а поле Хиггса, как показали расчеты, ее убавляет. Иначе говоря, для того, чтобы Вселенная пришла в состояние с самой низкой энергией, все другие поля должны исчезнуть, а поле Хиггса, наоборот, должно существовать.

Это свойство поля Хиггса позволило американскому физику Алану Гуту и его российскому коллеге Андрею Линде объяснить, как родилась наша Вселенная. В начале она была очень горяча, а при высоких температурах поле Хиггса «съеживается» до нуля. Но нулевое значение поля Хиггса означает, что энергия Вселенной не минимальна, а больше нуля. Иными словами, в начальной Вселенной была запасена огромная энергия. Ее было так много, что Вселенная какое-то — очень малое — время расширялась и охлаждалась даже ниже той точки, когда должно было появиться поле Хиггса. Вселенная, так сказать, «переохладилась», и это привело ее в особое состояние «ложного вакуума». Это такое состояние, когда возникает сила отрицательного давления, проще говоря, расширение.

Как ищут новые элементарные частицы? Для начала теоретики предсказывают, какой примерно должна быть масса этой частицы в энергетических единицах, в миллионах электрон-вольт, каково должно быть время ее жизни и на какие частицы она, скорее всего, должна распадаться. Экспериментаторы создают устройства, способные регистрировать следы распада этой частицы, разгоняют электроны или протонный пучок в своем ускорителе до нижней границы указанной им энергии и начинают ловить результаты столкновения этого пучка с мишенью. Если искомая частица имеет массу на нижнем пределе, эксперимент должен сразу привести к рождению большого числа таких частиц и к большому числу распадов — приборы тотчас это заметят. Если нет, нужно повысить энергию разгона и повторить эксперимент. И вот, наконец, «пик» на горизонтали графика, «ухаб на гладкой дороге» — следы распада, те вторичные частицы, которые, по словам теоретиков, должны появиться только при распаде той самой долгожданной частицы. «Ухаб» — реальное свидетельство успеха, если, конечно, он пришелся на соответствующую энергию и сопровождался теми вторичными частицами, что нужно.

Именно такой «ухаб» и обнаружился в декабре 2006 года в эксперименте Джона Конвэя из знаменитой лаборатории имени Ферми в Чикаго. Этот «ухаб» — результат распада гипотетической частицы Хиггса на две более легкие, а тех на еще более легкие — пришелся на энергию в 160 миллионов гигаэлектронвольт. Подобная энергия — как раз та минимальная энергия, которую теория предсказывает для одного из видов частицы Хиггса. В пользу неслучайности результата говорит еще один факт: одновременно с Конвэем этот «ухабчик» обнаружила работавшая совершенно независимо группа Дорриго. Что-то покажут ближайшие эксперименты?

Как только Вселенная пришла в это состояние, она начала стремительно расширяться, что было названо инфляцией. Инфляция продолжалась безумно короткое время, но за него Вселенная успела охладиться уже настолько, что поле Хиггса наконец появилось, как кристалл возникает из охлаждающегося раствора. Как только оно родилось, то тут же дало фотону и частицам слабых сил разные массы. Прежде массы этих частиц были нулевыми, и соответствующие им силы — электромагнитные и слабые — были одной и той же единой «электрослабой» силой, а теперь она разделилась на две.