Брайан Кокс - Почему Е=mc²? И почему это должно нас волновать

В этой фантастической картине есть одна загвоздка: ни один эксперимент еще не смог обнаружить частицу Хиггса. Все остальные частицы стандартной модели были выявлены в ходе экспериментов, так что бозон Хиггса – недостающая часть головоломки. Если он действительно существует, как было предсказано, то стандартная модель снова одержит победу и сможет включить объяснение происхождения массы во впечатляющий список своих достижений. Подобно взаимодействиям всех остальных частиц, стандартная модель точно определяет, как частица Хиггса должна проявляться в ходе экспериментов. Единственное, чего стандартная модель нам не говорит, – какова масса этой частицы. Однако мы знаем массу частицы W и верхнего кварка, так что теория позволяет оценить диапазон, в котором находится масса частицы Хиггса. Большой электрон-позитронный коллайдер мог бы увидеть бозон Хиггса, если бы его масса находилась в более легкой части прогнозируемого диапазона. Но поскольку на этом коллайдере частицу Хиггса так и не удалось обнаружить, можно сделать предположение, что она слишком тяжела, чтобы получить ее на БЭПК (не забывайте, согласно уравнению E = mc ² для создания более тяжелых частиц требуется больше энергии). Во время написания этих строк коллайдер Tevatron, расположенный в Национальной лаборатория ускорителей имени Ферми (Fermilab) неподалеку от Чикаго, пытается выявить частицу Хиггса, но пока безрезультатно. Вполне возможно, что у коллайдера Tevatron также недостаточно энергии для того, чтобы получить четкий сигнал о существовании частицы Хиггса, хотя он и принимает активное участие в ее поисках. Большой адронный коллайдер – самый мощный ускоритель среди всех когда-либо построенных. Он действительно должен решить вопрос существования бозона Хиггса, поскольку его энергия намного превышает верхний предел энергии, указанный стандартной моделью. Немного ниже мы объясним, почему так уверены в том, что БАК выполнит задачу, которую не смогли решить его предшественники, но сначала хотели бы объяснить, как именно предполагается получать частицы Хиггса в БАК.

Большой адронный коллайдер построен в том же 27-километровом кольцевом тоннеле, который использовался для БЭПК, однако, кроме самого тоннеля, все остальное изменилось. Совершенно новый ускоритель занимает теперь ту площадь, которую когда-то занимал БЭПК. Этот ускоритель способен разгонять по тоннелю в противоположных направлениях протоны до энергии, более чем в 7 тысяч раз превышающей их энергию массы. Благодаря возможности сталкивать протоны друг с другом на уровне таких энергий физика элементарных частиц вступает в новую эру, и если стандартная модель справедлива, это приведет к образованию множества частиц Хиггса. Протоны состоят из кварков, поэтому, если мы хотим понять, что должно произойти в БАК, все, что нам нужно, – определить соответствующие диаграммы Фейнмана.

Самые важные вершины, соответствующие взаимодействиям между обычными частицами стандартной модели и бозоном Хиггса, показаны на рис. 22, где частица Хиггса, изображенная точечным пунктиром, вступает во взаимодействие с самым тяжелым кварком – истинным кварком (обозначенным как t ), а также с достаточно тяжелыми частицами W и Z. Пожалуй, вряд ли стоит удивляться тому, что частица, которая отвечает за происхождение массы, предпочитает вступать во взаимодействие с самыми массивными частицами. Зная, что протоны представляют собой источник кварков, наша задача – найти способ внедрения вершины частицы Хиггса в более крупную диаграмму Фейнмана. После этого мы сможем понять, как в БАК могут образоваться бозоны Хиггса. Поскольку кварки взаимодействуют с бозонами W (или Z ), не составляет труда определить, как бозоны Хиггса могут быть образованы с помощью частиц W (или Z). Результат показан на рис. 23: кварки, полученные от каждого из сталкивающихся протонов (обозначенных как p ), испускают частицу W (или Z ), затем эти частицы сливаются воедино и образуют бозон Хиггса. Считается, что этот процесс, названный слиянием промежуточных бозонов, станет ключевым процессом, протекающим в БАК.

Рис. 22

Рис. 23

Механизм образования истинного кварка немного сложнее. Истинных кварков в протонах нет, поэтому нам необходимо найти способ перейти от легких (верхних или нижних) кварков к истинным. Так вот, истинные кварки взаимодействуют с более легкими кварками посредством сильного взаимодействия – другими словами, с помощью испускания и поглощения глюона. Результат показан на рис. 24. Этот процесс очень напоминает процесс слияния промежуточных бозонов, за исключением того, что здесь место частиц W и Z занимают глюоны. В действительности, поскольку этот процесс осуществляется посредством сильного взаимодействия, он представляет собой самый вероятный способ образования бозонов Хиггса в БАК, известный как слияние глюонов.

Рис. 24

В настоящее время механизм Хиггса представляет собой общепризнанную теорию происхождения массы во Вселенной. Если все пойдет по плану, БАК либо подтвердит, либо опровергнет принятое в стандартной модели описание происхождения массы. Именно это делает несколько следующих лет волнующим периодом для физиков. Мы находимся в классической научной ситуации, когда есть теория, прогнозирующая, что именно должно произойти в ходе эксперимента, а значит, по его результатам она либо уцелеет, либо погибнет. Но что, если стандартная модель ошибочна? Не может ли случиться нечто совершенно иное и непредвиденное? Ведь не исключено, что она не совсем точна и нет никакой частицы Хиггса. Безусловно, такой сценарий возможен. Специалисты по физике элементарных частиц особенно взволнованны, поскольку знают, что БАК должен открыть нечто новое. Вероятность того, что это не произойдет, вообще не рассматривается, поскольку без бозона Хиггса стандартная модель абсолютно не имеет смысла на уровне энергий, которые способен генерировать БАК, а прогнозы стандартной модели в таком случае просто рассыплются в прах; БАК – первый коллайдер, который проникнет в эту неисследованную область. Строго говоря, если две частицы W сталкиваются друг с другом при энергиях, в тысячу раз превышающих энергию массы протона (что определенно происходит в БАК), то, просто выбросив частицы Хиггса из основного уравнения, мы потеряем возможность расчета происходящего. Включение частиц Хиггса в уравнение делает такие расчеты рабочими, но есть и другие способы рассеяния частиц W , так что механизм Хиггса – не единственный вариант. Какой бы способ ни выбрала Вселенная, БАК абсолютно неизбежно зафиксирует нечто содержащее такие физические явления, с которыми мы еще никогда не сталкивались. Ученым очень редко удается проводить эксперименты с явной гарантией того, что в их ходе будет обнаружено нечто интересное. Именно это делает эксперименты в БАК самым ожидаемым событием за многие годы.