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

Когда он в конце концов дошел до дела, главный тезис его выступления вызвал всеобщий трепет. Объединив данные по столкновениям с энергией 7 ТэВ за 2011 год и с энергией 8 ТэВ за 2012 год, коллаборация установила избыток событий в районе 125 ГэВ в канале Н -> со значимостью 4,1 сигмы. Аналогичное объединение данных для канала H -> Z⁰Z⁰– > l+ l^— l+ l^— показало избыток событий со значимостью 3,2 сигмы. После сопоставления данных по обоим каналам статистическая значимость составила 5,0 сигм. Для избытка, который ожидался для бозона Хиггса Стандартной модели с такой массой, достаточно было 4,7 сигмы. «Приятно получить пятерку», – сказал Инкандела [184] .

184

Incandela J. Latest update in the search for the Higgs boson // семинар ЦЕРНа. 4 июля 2012.

Зал взорвался овацией.

Оставалось еще сообщить о некоторых других результатах по другим каналам распада, но они мало что добавили к общей картине. Объединенный результат показан на рис. 27, a на примере p-значения – мере статистической значимости результатов – в сравнении с массой бозона Хиггса.

После этого, учитывая нехватку времени, семинар сразу же перешел к второй детекторной коллаборации. Фабиола Джанотти представила результаты эксперимента ATLAS. Она выступила примерно в том же духе, подчеркнув важные технические аспекты эксперимента. Меня поразил один необычайный факт: при целых 10,7 обратного фемтобарна данных количество избыточных событий с энергией 126 ГэВ, которое прогнозировалось в канале Н -> , было оценено всего в 170. Количество фоновых событий с той же энергией прогнозировалось на уровне 6340, таким образом, отношение сигнал – фон составляло всего 3 процента.

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 -> со значимостью 4,5 сигмы, что несколько больше (вдвое), чем предсказывает Стандартная модель. Соответствующие данные для канала H -> Z⁰Z⁰– > 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.

185

Heuer R. Latest update in the search for the Higgs boson.

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 -> и H -> Z⁰Z⁰– > 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:

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 ->, 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.

186

Пресс-релиз ЦЕРНа, 4 июля 2012.

187

Higgs P. Latest update in the search for the Higgs boson.

Эпилог Конструкция массы

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.

В Стандартной модели концепция массы как неотъемлемого свойства или количественной характеристики исчезает. Масса полностью состоит из энергии взаимодействий между элементарными квантовыми полями и их частицами.

Бозон Хиггса – часть механизма, объясняющего, откуда берется масса всех частиц Вселенной. Все вещество в мире может состоять из кварков и лептонов, но самой своей вещественностью оно обязана энергии, происходящей из взаимодействия с полем Хиггса и обмена глюонами.

Без этих взаимодействий материя была бы так же эфемерна и невещественна, как свет, и не было бы ничего.

Словарь терминов

ATLAS. Сокращение от A Toroidal LHC Apparatus, тороидальный аппарат БАК, одна из двух детекторных коллабораций, занимающихся поисками бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе.

CMS. Сокращение от Compact Muon Solenoid, компактный мюонный соленоид, одна из двух детекторных коллабораций, участвующих в поисках бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере ЦЕРНа.

g-фактор. Коэффициент пропорциональности между (квантованным) моментом импульса элементарной или составной частицы и ее магнитным моментом, то есть направлением, которое приобретает частица в магнитном поле. У электрона есть три g-фактора: один связан со спином, другой с моментом импульса орбитального движения электрона в атоме и третий, связанный с суммой спина и орбитального момента импульса. Релятивистская квантовая теория электрона, сформулированная Дираком, предсказывает g-фактор 2 для электронного спина. В 2006 году комитет CODATA Международного совета по науке рекомендовал g-фактор 2,0023193043622. Разница объясняется квантовыми электродинамическими эффектами.