Вакуум взвесят в коллайдере

Самый мощный ускоритель элементарных частиц современности проверит интуицию древних греков

Еще до начала реальных экспериментов их можно провести виртуально с помощью суперкомпьютеров. Хиггсовский бозон — частица неустойчивая, и, родившись, он быстро распадется на кварки и лептоны. Образовавшиеся свободные кварки еще быстрее превратятся в адронные струи. Компьютер подскажет, какую картинку надо ждать от детектора. Иллюстрация: CERN copyright

В минувший понедельник из Женевы пришло сообщение: под давлением различных организаций, преимущественно финансовых, руководитель строительства Большого адронного коллайдера (Large Hadron Collider) Лин Эванс (Lyn Evans) назначил новую дату ввода ускорителя в действие — май 2008 года. Это уже второй перенос: сначала его запуск планировался на 2005 год, а потом на конец 2007 года. Конечно, создание такого сложного, громоздкого и дорогого сооружения — большая и трудно предсказуемая задача, нельзя пенять выполняющим её людям на непредвиденные задержки. И тем не менее физики — да и не только они одни — с нетерпением ждут окончания строительства и появления результатов первых экспериментов. Вопрос идет о бозоне Хиггса, гипотетической пока частице, ответственной за довольно-таки диковинное явление природы — спонтанное нарушение симметрии вакуума. Пока ничего похожего никто не видел, но если какие-то следы хиггсовского бозона будут обнаружены, можно будет говорить о проницательности и интуиции древних греков, два тысячелетия назад повлекших их к поиску первоматерии, единой во всех вещах и лишь по-разному себя проявляющей.

Единое во множественном

Первые греческие философы верили в существование материального начала (архэ), из которого рождается все сущее. И если некоторые из них — как Фалес или Гераклит — сводили всё многообразие окружающего их (и нас) мира к некому существующему элементу: либо воде, либо огню, либо воздуху, либо земле, то другие — например, Анаксимандр — предлагали в этом качестве чувственно не воспринимаемые сущности — например, апейрон. Впрочем, подобная идея (об универсальном единстве мира) не всегда поддерживалась интеллектуальной элитой человеческой цивилизации. В частности, Аристотель достаточно чётко разделял мир на мир земной, который, по его мнению, состоял из вышеуказанных элементов, и мир небесный (космос), который, по его мнению, состоял из особой космической субстанции — эфира.

Наука Нового времени рождалась из критики аристотелизма. И в сочинениях Джордано Бруно (Giordano Bruno, 1548–1600), и в написанных несколько позже трактатах Бенедикта Спинозы (Benedictus de Spinoza, 1632–1677) в той или иной мере говорилось о единой для всего и всех субстанции, проявляющейся в многообразии окружающего нас материального мира, несмотря на то что последний представлен многообразием частиц, из которых состоит. Утверждение классического атомизма благодаря открытию в конце XIX века периодического закона можно считать триумфальным реваншем аристотелизма — только элементов оказалось не четыре, как было у Аристотеля, а сто четыре. Согласно этой теории, основой всякого химического вещества являются молекулы — его первичные «кирпичики», состоящие из атомов — неделимых частиц, название которых, в силу схожести функций, учёные XIX века позаимствовали у античных атомистов — Демокрита, Левкиппа и Эпикура. Разнообразие химических свойств вещества объяснялось разнообразием атомов и их комбинаций.

В эту общую картину не вписывалась экзотическая форма материи — электромагнитное поле. Гипотезу о его существовании высказали Майкл Фарадей (Michael Faraday, 1791–1867) и Джеймс Максвелл (James Clerk Maxwell, 1831–1879). Частным видом этого поля являлся свет, представляющий собой электромагнитную волну. Эта волна была аналогична обычной механической волне, а среда, в которой эта волна распространялась, была аналогична сплошной механической среде. Поскольку электромагнитные волны (в частности, радиоволны) распространяются везде и практически без ограничений, то эта сплошная, механически подобная среда должна была заполнять собой абсолютно всё пространство. По аналогии с эфиром Аристотеля её назвали эфиром.

Стандартная модель демонстрирует поразительную симметрию: на звание по-настоящему элементарных частиц материи могут претендовать двенадцать квантов вещества — шесть кварков и шесть лептонов — и четыре кванта, переносящих взаимодействия. Иллюстрация: Fermilab/US DoE

Таким образом, к концу XIX века идея универсальности и единства мира вынуждена была «отступить» под «напором», как казалось тогда, упрямых и неопровержимых фактов. Многообразие атомов и «наличие» эфира никак не вписывалось в концепцию «единых начал». Лишь по прошествии нескольких десятилетий была открыта внутренняя структура атома и ситуация радикально изменилась. Стало ясно, что атом состоит из более простых, чем он сам, частиц, которые снова получили название «элементарные». Вместе с тем стало ясно, что эфира как универсальной среды не существует, и что свет — это не волна, а поток частиц, способных проявлять волновые свойства (в частности, огибать препятствия на своем пути). Идея поля и идея частицы слились друг с другом, и идея систематизировать «элементы», описав их единым принципом, обрела второе дыхание.

Наши стандарты

Современную версию «теории элементов» физики наших дней называют «стандартной моделью» элементарных частиц. Она в значительной степени вбирает в себя все достижения прошедшего века в отношении исходных принципов строения материи, хотя есть ряд гипотез, не входящих в стандартную модель. Суть этой теории состоит в следующем.

Фундаментальными частицами вещества (которые получили название фермионов) в стандартной модели признано два класса: лептоны и кварки. Каждый из классов представляет собой «набор» из шести частиц. Самые известные из лептонов — электрон, открытый ещё в самом начале ХХ столетия, и его античастица — позитрон. Кроме того, лептонами являются три типа нейтрино, вопрос о наличии массы у которых обсуждался порядка двух десятилетий, а так же положительные и отрицательные тау и мю лептоны. При этом нейтрино являются электрически нейтральными частицами, а заряды положительных и отрицательных тау и мю лептонов равны соответственно зарядам позитрона и электрона.

Кварки так же представлены шестью видами, причём каждый из них может находиться в трёх специфических состояниях, называемых «цветом». Кварки u, c, t имеют положительный электрический заряд, равный ²/₃ заряда позитрона, а кварки d, s, b — отрицательный заряд, равный ¹/₃ заряда электрона. Сами кварки не существуют в свободном состоянии, они всегда «связаны» в частицах, которые они образуют. Самыми «значимыми» частицами, которые образованы кварками, являются нуклоны (протоны и нейтроны) — частицы, из которых состоят атомные ядра.

Эти «главные» частицы должны ещё и взаимодействовать друг с другом, а для этого они обмениваются частицами поля. Современная физика выделяет четыре типа полей, и у каждого собственная частица-переносчик. У сильного (внутриядерного) поля — частица глюон, у слабого (ответственного за радиоактивный распад) — вион (W, Z бозоны), у хорошо знакомого электромагнитного — так же хорошо знакомый фотон, у гравитационного — гравитон. Глюон и W и Z бозоны обнаружены экспериментально, а гравитон является гипотетической частицей.

Разделения взаимодействий происходит по мере остывания материи: вскоре после Большого взрыва, пока Вселенная еще очень горячая, было только одно фундаментальное взаимодействие. Первым выделилось гравитационное, это означает, что гравитон — если он существует — должен быть очень массивной частицей. При наиболее низких энергия разделились слабое и электромагнитные излучения. Иллюстрация: DESY in Hamburg

Из всех четырех фундаментальных взаимодействий последним было открыто слабое — именно в силу его слабости. Это произошло ещё в первой половине ХХ века. Но только к концу этого века появилась надежда взаимодействия объединить. В 1960-е годы Глэшоу (Sheldon Lee Glashow, р. 1932), Салам (Abdus Salam, 1926–1996) и Вайнберг (Steven Weinberg, р. 1933) построили теорию электрослабого взаимодействия, за которую они в 1979 году получили Нобелевскую премию по физике. В 1983 году были экспериментально обнаружены W и Z бозоны — переносчики электрослабого взаимодействия, и тем самым теория электрослабого взаимодействия получила эмпирическое обоснование.

В стандартной модели к ним добавляется и сильное взаимодействие, однако проверить её справедливость и в этом пока невозможно: переносчики этого объединённого взаимодействия пока не были обнаружены — а следовательно, считаются пока гипотетическими частицами.

Как добавить к стандартной модели гравитацию, не понятно пока даже теоретически, из-за отсутствия квантовой теории гравитации. В общей теории относительности гравитация вводится как геометрические свойства пространства, что отличает её от всех остальных полей, не являющихся геометрическими. Определённый теоретический прорыв вероятен при развитии теории струн и М-теории, однако сейчас эти теории ещё очень далеки от окончательной формулировки. И в любом случае останутся проблемы с эмпирической верификацией этих теорий.

Название	Объединяемые взаимодействия	Переносчики объединенного взаимодействия	Масса покоя переносчиков взаимодействия
Электрослабое	Электромагнитное + слабое	фотон + W и Z бозоны	- 80, 90 ГэВ
Великое	Электрослабое + сильное	Х, Y бозоны	10¹⁴ 10¹⁵ ГэВ
Суперобъединение	Великое + гравитационное	???	10¹⁸ 10¹⁹ ГэВ

Тяжелый вакуум

Но кроме полей, отвечающих трем фундаментальным взаимодействиям — электромагнитному, сильному и слабому, — стандартной модели требуется ещё одно поле, которое практически неотделимо от пустого пространства и не совпадает с гравитационным полем. Его принято называть полем Хиггса. Считается, что все пространство заполнено этим полем и что все фундаментальные частицы приобретают массу в результате взаимодействия с полем Хиггса. Те частицы, которые сильно взаимодействуют с полем Хиггса, являются тяжелыми, а слабовзаимодействующие — легкими. Поле Хиггса должно иметь своего носителя — частицу — квант этого поля, называемый бозоном Хиггса, или хиггсовским бозоном.

Хиггс — имя собственное. Оно принадлежит английскому физику-теоретику Питеру Хиггсу (Peter Higgs, р. в 1929), который в 1964 году придумал, как должно быть устроено поле, в котором вакуумному состоянию отвечает ненулевое значение поля. Придуманное им стали называть «механизмом спонтанного нарушения локальной симметрии вакуума». Оказалось, что из-за этого механизма фотон, если бы он взаимодействовал с хиггсовским полем, имел бы ненулевую массу покоя. Но W и Z (Х и Y) бозоны — этот как раз и есть нечто вроде фотонов с массой. Так что без хиггсовского механизма вся конструкция стандартной модели принципиально не могла бы иметь места. Иными словами, «поимку» бозона Хиггса надо рассматривать как прямую эмпирическую проверку стандартной модели. Правда, пока нет точных оценок значения массы покоя этой частицы, а кроме того она теоретически должна быть нестабильной и её можно обнаружить только косвенно, с той или иной долей вероятности по «продуктам» распада.

Надежду внушает то, что существуют достаточно жесткие экспериментальные ограничения на энергию нейтрального хиггсовского бозона как снизу, так и сверху. Нижнее ограничение на массу Хиггса получено в экспериментах на Большом электрон-позитронный коллайдере LEP (Large Electron-Positron Collider) и составляет на лето 2001 года 114,4 ГэВ при 95% достоверности. Ограничение сверху получается из анализа вклада бозона в различные измеренные на эксперименте параметры стандартной модели и составляет 196 ГэВ при том же уровне достоверности.

По поводу нижней границы следует сказать особо, поскольку именно эксперименты, связанные с ней, наделали много шуму и всерьёз заинтриговали научное сообщество. Работы проводились во всемирно известном европейском центре исследования элементарных частиц (CERN) который представляет собой туннель длинной 26,7 км, который проложен на глубине около ста метров на территории Франции и Швейцарии. До 2001 года его занимал LEP, который в 2001 был демонтирован. Именно в занимаемом им ранее туннеле монтируется теперь Большой адронный коллайдер, на который мы смотрим с такой надеждой. Разница между первым и вторым заключается в их мощности: если LEP способен был достигать энергий порядка 114,4 ГэВ, LHC — более чем в десять раз больше.

Большой адронный коллайдер строится в тоннеле, прорытом для Большого электронно-позитронного коллайдера. Последний вплотную подошел к обнаружению хиггсовского бозона. Впрочем, насколько вплотную станет ясно к концу 2008 года, когда закончится монтаж и будут получены первые результаты. Фото: CERN copyright

В 2000 году был проведен ряд наблюдений, которые с достаточно высокой вероятностью говорили о том, что хиггсовский бозон всё-таки обнаружен. Однако уровень достоверности в эксперименте был таким, чтобы позволить и оптимистам заявить об открытии хиггсовского бозона, и пессимистам — усомниться в словах оптимистов, причём вполне обосновано.

Иными словами, эмпирические возможности исследовательских приборов LEP находились на самой границе величин энергии, необходимой для обнаружения бозона Хиггса, и эта своеобразная «пограничная ситуация» создала неоднозначность и в толковании результатов. Плановое закрытие и демонтаж LEP перенесли на несколько месяцев, в надежде на то, что за это время бозон Хиггса всё-таки будет обнаружен достоверно, однако этого не случилась. Работы весны — лета 2000 года «выжали» из LEP всё, на что он был способен. Надежды на окончательное решение проблемы «открыто-неоткрытого» бозона Хиггса возлагаются на LHC, или на другой подобный ускоритель, например протон-антипротонный ускоритель Tevatron (FNAL, США). Однако ни тот, ни другой ещё не начинали роботы, и будем надеется, что после запуска LHC физики CERNа всё-таки доведут начатое дело до конца и в 2008 году ещё одной тайной природы станет меньше, если, конечно, не появится несколько новых, что при любом результате экспериментов гораздо более вероятно. Обнаружение тяжелого хиггсовского бозона придаст стандартной модели ещё больший научный вес, и опираясь на неё как на достоверно подтверждённую теорию, можно будет развивать более общие теории об основаниях мира, подойдя во всеоружии современной физики к решению тех вопросов, которые так волновали античных греков, но так и остались без ответа.

Читайте также в журнале «Вокруг света»:

Яков Тарароев, 28.06.2007