Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира

Предположим, что мы захотели узнать, как может распасться мюон. Мы видим, что существует диаграмма, где мюон испускает W^–– бозон и превращается в мюонное нейтрино, но это не может произойти само по себе, так как W^–– бозон тяжелее мюона. Не бойтесь, все в порядке, пока W^–– бозон остается виртуальным и распадается на что-то более легкое, чем мюон, например, электрон и его нейтрино. Все, что нам нужно сделать, это склеить линии, соответствующие W^–– бозонам, из двух предыдущих диаграмм правильным способом.

А еще мы можем замыкать линии – образовывать петли. Вот диаграмма, которая участвовала в настоящих поисках бозонов Хиггса на БАКе: бозон Хиггса, распадающийся на два фотона. Петля виртуальных частиц в середине может содержать любую частицу, которая взаимодействует и с бозоном Хиггса (так, чтобы существовала вершина слева) и с фотонами (так, чтобы существовали вершины справа). Частицы, которые взаимодействуют сильнее, будут сильнее влиять на конечный результат. В данном случае это будет истинный кварк, он является наиболее массивной частицей Стандартной модели, и, следовательно, сильнее всех взаимодействует с бозоном Хиггса.

Наконец, вот некоторые из важнейших процессов, в которых бозоны Хиггса в реальности создавались на БАКе (а затем сразу распадались). Существует канал, называемый «слиянием глюонов», когда два глюона сливаются, чтобы образовать бозон Хиггса. Из-за того что глюоны безмассовые, в процессе должна участвовать виртуальная массивная частица, которая чувствует сильное взаимодействие, а именно кварк.

Существует также процесс, который называется «слияние векторных бозонов», при этом имеется в виду, что W– и Z-бозоны иногда называют «векторными бозонами». Так как они массивны, они могут непосредственно объединяться и превращаться в бозон Хиггса.

Наконец есть два различных вида «ассоциированного рождения», когда бозон Хиггса появляется вместе с чем-либо еще: либо вместе с W– или Z-бозоном, либо с парой кварк-антикварк.

Главный урок из того, что мы рассказали здесь, состоит не в определении входящих и выходящих частиц во всех различных процессах, участвующих в появлении бозона Хиггса и его распаде. Главное, что мы поняли: оба процесса сложные и могут осуществляться самыми разными способами, но у нас есть четкие правила, позволяющие нам разобраться в том, что происходит. Трудно было даже себе вообразить, что эти маленькие комиксы позволяют уловить самую глубокую сущность поведения нашего микромира.

Для дальнейшего чтения

Aczel A. Present at the Creation: The Story of CERN and the Large Hadron Collider. Crown Publishers, 2010.

CERN. CERN faq: LHC, the guide.cern.ch/multimediagallery/Brochures.aspx, 2009.

Close F. The Infinity Puzzle: Quantum Field Theory and the Hunt for an Orderly Universe. Basic Books, 2011.

Crease R. P., Mann C. C. The Second Creation: Makers of the Revolution in Twentieth-Century Physics. Collier Books, 1986.

Halpern P. Collider: The Search for the World’s Smallest Particles. Wiley, 2009.

Kane G. The Particle Garden: The Universe as Understood by Particle Physicists. Perseus Books, 1995.

Lederman L., Teresi D. The God Particle: If the Universe is the Answer, What’s the Question? Houghton Mifflin, 2006.

Lincoln D. The Quantum Frontier: The Large Hadron Collider. Johns Hopkins, 2009.

Panek R. The 4 Percent Universe: Dark Matter, Dark Energy, and the Race to Discover the Rest of Reality. Mariner Books, 2011.

Randall L. Knocking on Heaven’s Door: How Physics and Scientific Thinking Illuminate the Universe and the Modern World. Ecco, 2011.

Sample I. Massive: The Missing Particle that Sparked the Greatest Hunt in Science. Basic Books, 2010.

Taubes G. Nobel Dreams: Power, Deceit, and the Ultimate Experiment. Random House, 1986.

Traweek Sh. Beamtimes and Lifetimes: The World of High Energy Physicists. Harvard University Press, 1988.

Weinberg S. Dreams of a Final Theory. Vintage, 1992.

Wilczek F. The Lightness of Being: Mass, Ether, and the Unification of Forces. Basic Books, 2008.

Литература

Пролог

Глава 1. Зачем нужна физика элементарных частиц

Глава 2. Прикосновение к божественному

Lederman L., Teresi D. The God Particle: If the Universe is the Answer, What’s the Question? Houghton Mifflin, 2006, p. xi.

Глава 4. История ускорителя

Jamieson V. «CERN Extends Search for Higgs», Physics World, October 2000.

Preface to the 1995 edition of The Physicists: The History of a Scientific Community in Modern America.

Anderson P. W. Letter to the Editor, New York Times, May 21, 1987.

Глава 5. Величайшая машина всех времен

Глава 6. Что нам открывают столкновения

Cowan E. «The Picture that Was Not Reversed», Engineering and Science, 46 (2). pp. 6-28 (1982).

CERN press release: http://press.web.cern.ch/press/PressReleases/Releases2008/PR10.08E.html

Computing tiers: Brumfield, http://www.nature.com/news/2011/110119/full/469282a.html

Greek Security Team: Roger Highfield, http://www.telegraph.co.uk/science/large-hadroncollider/3351697/Hackers-infiltrate-Large-Hadron-Collider-systems-and-mock-ITsecurity.html

Глава 8. Разбитое зеркало