Святой Грааль физики: Краткая история бозона Хиггса

В этом месяце исполняется 10 лет со дня открытия бозона Хиггса, настоящего "Святого Грааля" науки, который не удавалось обнаружить почти 50 лет. Но что это за частица и почему она так важна? Чему она научила нас за десятилетие, прошедшее с момента ее открытия, и, что более важно, чему она может научить нас в грядущие десять лет?

Эта диаграмма показывает процесс рождения бозона Хиггса в ЦЕРНе. Коллаборация ATLAS

Стандартная модель элементарны частиц предсказывает, что Вселенная состоит из 12 фундаментальных частиц материи, четырех частиц-переносчиков силовых взаимодействий и последней частицы, которая увязывает все воедино - бозона Хиггса. Долгое время Хиггс был последней недостающей частью головоломки, что было большой проблемой, поскольку без него остальная картина не имела смысла.

Его существование было впервые предсказано в 60-х годах прошлого века его "однофамильцем" Питером Хиггсом и независимо от него командой Франсуа Энглера и Роберта Брута. Физики пытались ответить на вопрос, как именно элементарные частицы приобретают массу. Они пришли к выводу, что это происходит благодаря их взаимодействию с квантовым полем, пронизывающим нашу Вселенную. Согласно этой модели, так называемое поле Хиггса также должно иметь свою собственную частицу. Так родилась концепция бозона Хиггса

Однако предсказать его — это одно, а вот обнаружить - совершенно другое. В соответствии с моделью, бозон Хиггса распадается на другие частицы почти мгновенно, что оставляет для наблюдателей очень маленькое окно. К тому же масса частицы в теории могла колебаться от 10 до 1 000 гигаэлектронвольт (ГэВ). Поэтому в течение десятилетий поиски хиггсовской частицы считались невыполнимой задачей.

Открытие

Генеральный директор ЦЕРН Рольф Хойер (слева) поздравляет Франсуа Энглера и Питера Хиггса с анонсом открытия бозона Хиггса 4 июля 2012 года. CERN

Только в 1980-х годах технология наконец-то стала набирать обороты. Физики поняли, что частицы Хиггса образуются при столкновении частиц высокой энергии. И хотя время жизни бозонов чрезвычайно мало, их сигнатуру можно определить, изучив частицы, образующиеся в результате распада Хиггса.

Даже благодаря созданию целой серии коллайдеров, работающих на все больших мощностях, бозон Хиггса оставался незамеченным в течение нескольких последующих десятилетий. Впрочем, каждый неудачный эксперимент помогал сузить диапазон возможных энергий, так что уже в первые годы работы Большого адронного коллайдера (БАК) ЦЕРНа он сократился до 115-130 ГэВ.

Особое внимание было сосредоточено на области около 125 ГэВ, где ученые БАК заметили избыток событий, совпадающих с теорией бозона Хиггса. В CERN надеялись, что полученные данные "должны дать ответ" к концу 2012 года: либо подтвердить, либо опровергнуть существование бозона Хиггса.

И действительно, 4 июля 2012 года ученые, занимающиеся физикой элементарных частиц, объявили об историческом открытии новой частицы. Данные, полученные двумя независимыми командами ЦЕРН, ATLAS и CMS, пришли к одному заключению - они "обнаружили частицу с массой около 125,3 ГэВ и множеством других свойств, характерных для бозона Хиггса".

Дальнейшие эксперименты также подтвердили, что это давно "разыскиваемый" бозон Хиггса. Это открытие принесло Питеру Хиггсу и Франсуа Энглерту Нобелевскую премию по физике за 2013 год. 

Однако, каким бы впечатляющим ни было в то время это открытие, в последнее время стали все чаще поговаривать о том, что с тех пор бозон Хиггса стал довольно "скучным", поскольку его открытие для физики не принесло ничего нового. Так что же на самом деле произошло за прошедшие десять лет с момента его "рождения"?

Спустя десять лет…

Модель столкновения частиц в Большом адронном коллайдере с образованием бозона Хиггса. ATLAS/CERN

Первые несколько лет ученые внимательно изучали новый частицу, чтобы понять, насколько она соответствует всем свойствам, предсказанным Стандартной моделью. Например, ее спин должен быть нулевым, а то, как она взаимодействует с другими частицами, должно зеркально повторять ее поведение с античастицами. И как оказалось, оба случая соответствовали ожиданиям модели.

Эксперименты на БАК также подтвердили одно из главных предсказаний бозона Хиггса - что другие частицы Стандартной модели приобретают свою массу, взаимодействуя с полем Хиггса. Это, в свою очередь, подтверждает роль Хиггса в некоторых фундаментальных силах - например, если бы бозон Хиггса не существовал, нам потребовалось бы новое объяснение таких вещей, как реакция ядерного синтеза, которая питает Солнце. 

Во время второго этапа работы БАК было произведено около восьми миллионов бозонов Хиггса, и недавно специалисты ATLAS и CMS опубликовали новые данные, основанные на этих исследованиях. Они включают в себя информацию о том, как часто происходит его рождение в результате различных процессов, в какие именно частицы он распадается, а также насколько сильным является его взаимодействие с другими частицами. Почти в каждом эксперименте, который проводили ученые, квант поля Хиггса соответствовал предсказаниям Стандартной модели. 

Грядущее десятилетие

Поперечное сечение 3D-изображения Большого адронного коллайдера. CERN/Maximilien Brice

Несмотря на довольно впечатляющее совпадение со Стандартной моделью, более детальное изучение бозона Хиггса может стать нашим билетом к разгадке физики, которая лежит за пределами этой концепции.

Возьмем, к примеру, темную материю. Есть основания полагать, что эта загадочная субстанция пронизывает Вселенную и удерживает вместе такие структуры, как галактики и скопления, благодаря своему сильному гравитационному взаимодействию. До сих пор ее не удавалось обнаружить с помощью экспериментов, в основном потому, что темная материя редко взаимодействует с обычной материей. Однако существует высокая вероятность того, что бозон Хиггса может взаимодействовать с темной материей гораздо сильнее, чем уровень взаимодействия между темной материей и обычной барионной материей, который, как мы знаем, стремится к нулю.

Компактный мюонный соленоид (CMS) детектор элементарных частиц общего назначения Большого адронного коллайдера. CERN

Еще одна интересная головоломка, связанная с новыми измерениями Хиггса, заключается в том, что Вселенная может быть не так стабильна, как кажется на первый взгляд. В настоящее время она может существовать в так называемом состоянии ложного вакуума, но в любой момент Вселенная (или большая ее часть) может внезапно схлопнуться в состояние абсолютного вакуума. Это может полностью стереть всю материю, а если нам повезет, то может просто переписать существующие законы природы.

Тот факт, что Вселенная все еще существует, говорит о том, что она более стабильна, чем предполагают наши модели, благодаря действию других неведомых нам сил. Бозон Хиггса может помочь обнаружить такие силы.

Возможно, он также даст некоторые подсказки к другой давней загадке, почему космос не уничтожил сам себя еще на заре своего существования. Наши современные модели утверждают, что материя и антиматерия должны были образоваться в равных количествах в результате Большого взрыва, но если бы это было так, то все это должно было бы схлопнуться и аннигилировать миллиарды лет назад. Очевидно, этого не произошло, что указывает на то, что по какой-то неизвестной причине материи было создано несколько больше, чем антиматерии. Возможно, Хиггс поможет нам выяснить, что именно склонило чашу весов в нашу пользу.

Физик Питер Хиггс, именем которого назван бозон Хиггса, во время посещения Большого адронного коллайдера в 2008 году. CERN/Maximilien Brice

Ответы на эти фундаментальные вопросы могут быть найдены уже в ближайшее время. В начале июля БАК был запущен в третий раз, причем на энергиях многократно превышающих результаты всех предыдущих экспериментов. А в 2029 году после масштабной технологической модернизации установка начнет новую жизнь как БАК высокой светимости (HL-LHC), который поможет ученым проникнуть в физику глубже, чем когда-либо прежде. И Бозон Хиггса будет центральной фигурой в этих экспериментах.

Источники: CERN, Max Planck Institute, APS Physics, The Conversation 
1. (https://physics.aps.org/articles/v15/98)
2. (https://www.mpg.de/18895232/0629-phys-10-years-of-the-higgs-boson-151955-x)
3. (https://home.cern/news/press-release/physics/higgs-boson-ten-years-after-its-discovery)
4. (https://home.cern/news/news/physics/atlas-and-cms-release-results-most-comprehensive-studies-yet-higgs-bosons)
5. (https://theconversation.com/higgs-boson-ten-years-after-its-discovery-why-this-particle-could-unlock-new-physics-beyond-the-standard-model-186076)