Джим Бэгготт - Бозон Хиггса. От научной идеи до открытия «частицы Бога»

Главный вывод у Джанотти был примерно такой же, что и у ее коллеги по CMS. Объединив данные за 2011 и 2012 годы, они получили избыток энергии 126,5 ГэВ в канале Н → γγсо значимостью 4,5 сигмы, что несколько больше (вдвое), чем предсказывает Стандартная модель. Соответствующие данные для канала H → Z 0Z 0→ l + l — l + l —показали избыток на 125 ГэВ со значимостью 3,4 сигмы. Соединив данные по двум каналам распада, коллаборация получила избыток со значимостью 5,0 сигмы, тогда как Стандартная модель предсказывала 4,6 сигмы. Итог изображен на рис. 27, в . Обе коллаборации получили данные со статистической значимостью 5 сигм, достаточной, чтобы заявить об открытии. Снова аплодисменты.

Хойер заявил: «Как неспециалист, я бы сказал, что, помоему, у нас получилось. Вы согласны?» [185]Бесспорно, ученые открыли нечто очень похожее на бозон Хиггса Стандартной модели, и на взгляд неспециалиста это действительно был он. Но физики оперируют более точными критериями. Они решили не распространяться, о каком именно открытии только что объявили, и под мягким нажимом журналистов на последующей пресс-конференции предпочли говорить, что новая частица совпадает с бозоном Хиггса. Они не захотели втягиваться в рассуждения о том, действительно ли это тот самый бозон Хиггса или нет.

Рис. 27

Предварительные результаты, о которых 4 июля 2012 года сообщили коллаборации CMS и ATLAS. Графики показывают варианты p-значения – величины статистической значимости – в сравнении с массой бозона Хиггса. ( a ) Результаты CMS показывают избыток событий для каналов Н → γγ и H → Z 0Z 0→ l + l — l + l —и их сочетания, которое достигает решающего уровня 5 сигм. Пунктирной линией показан избыток, который предсказывает для бозона Хиггса Стандартная модель. ( b ) Аналогичный график коллаборации ATLAS показывает примерно такой же результат. Источник: © copyright CERN

Очевидные факты были таковы: новый бозон имел массу в пределах 125–126 ГэВ и взаимодействовал с другими частицами Стандартной модели именно таким образом, который прогнозировался для бозона Хиггса. Помимо наблюдаемого превышения в канале распада H →γγ, формы распада нового бозона на другие частицы так же соотносятся друг с другом, как это ожидается от бозона Хиггса в Стандартной модели. Хотя оба эксперимента, ATLAS и CMS, ясно показывают, что это бозон, ни тот ни другой не могут точно определить его спин, который может иметь значение 0 или 2. Однако единственная частица с ожидаемым спином 2 – это гравитон, гипотетический переносчик гравитационного взаимодействия. Поэтому спин 0 был гораздо более вероятен. Перефразируя Руббиа, есть соблазн сказать, и не без оснований: «Он выглядит как бозон Хиггса Стандартной модели, он пахнет как бозон Хигг са Стандартной модели, значит, это и есть бозон Хигг са Стандартной модели».

В действительности эти результаты открывают врата в новое долгое путешествие. Открыт бозон, который в глазах всего мира выглядит как бозон Хиггса. Но какой бозон Хиггса? Стандартной модели нужен только один, чтобы нарушалась электрослабая симметрия. Минимальной суперсимметричной Стандартной модели нужно пять. У других теоретических моделей другие требования. Единственный способ выяснить, какая именно частица открыта, – это исследовать ее свойства и поведение в дальнейших экспериментах.

В пресс-релизе ЦЕРНа говорилось так [186]: «Чтобы уверенно установить характеристики новой частицы, требуется значительное время и усилия. Но каков бы ни оказался характер частицы Хиггса, вскоре мы сделаем большой шаг вперед в понимании фундаментальной структуры материи».

После заслуженных поздравлений и одобрительных похлопываний по спине семинар закончился. Когда у Питера Хиггса спросили, что он думает, он поздравил лабораторию с потрясающим успехом и сказал: «Это поистине невероятно, что такое событие случилось еще при моей жизни» [187].

Важный этап в наших попытках понять фундаментальную природу материи подходит к концу. Вскоре начнется новый увлекательный путь.

Из чего сделан мир?

В середине 1930-х мы могли бы сказать, что вся материальная субстанция в мире состоит из химических элементов, а каждый элемент состоит из атомов. Каждый атом, в свою очередь, состоит из ядра, а ядро – из разного числа положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов. Окружают ядро отрицательно заряженные электроны, связанные силой электрического притяжения. Электрон может иметь ориентацию спин вверх или спин вниз, а на каждой атомной орбитали может находиться два электрона при условии, что у них спаренные спины. Электроны могут перейти с одной орбитали на другую за счет поглощения или испускания электромагнитного излучения в виде фотонов.

Мы бы сказали, что вес 18-граммового кубика замерзшей воды состоит из общей массы 10 800 миллиардов триллионов протонов и нейтронов.

В наши дни ответ стал гораздо точнее.

Протоны и нейтроны в ядре в действительности не являются элементарными частицами. Они состоят из кварков с дробными зарядами. Протон состоит из трех кварков с разными «ароматами» – двух верхних и одного нижнего.

Кварки также различаются «цветом»: красным, синим и зеленым. Два верхних кварка и нижний кварк в протоне имеют разные цвета, и получившаяся комбинация называется «белой». Нейтрон состоит из одного верхнего кварка и двух нижних, и все кварки в нем тоже разных цветов.

Цветовое взаимодействие между кварками переносят восемь разных видов силовых частиц, которые называются общим термином «глюоны». Это взаимодействие становится сильнее не по мере приближения кварков друг к другу, как можно было бы ожидать, но по мере их разделения. Сильное ядерное взаимодействие между протонами и нейтронами – всего лишь остаток, «пережиток» цветового взаимодействия между составляющими их кварками.

Открытие новой частицы в ЦЕРНе позволяет уверенно предположить, что массы кварков возникают благодаря взаимодействию с полем Хиггса. Это взаимодействие преображает безмассовые кварки в частицы с массой. Взаимодействие придает частицам глубину и заставляет их замедляться. Такое сопротивление ускорению мы называем массой.

Но массы кварков очень малы, и на их долю приходится только 1 процент массы протона или нейтрона. Остальные 99 процентов – это энергия, переносимая безмассовыми глюонами, которые движутся между кварками и связывают их.