Почему частица Хиггса так важна

Большинство из нас учило в школе или из книг, что все окружающие нас материалы – всё, что мы едим, пьём, чем дышим, все живые существа, сама Земля – состоит из атомов. Их бывает порядка 100 типов, они называются «химическими элементами» и обычно организованы в виде молекул, так же, как буквы можно организовать в слова. Эти факты, касающиеся нашего мира, мы принимаем, как само собой разумеющееся, но в конце XIX века по этому поводу всё ещё шли жаркие дебаты. Только в районе 1900-го года, когда на основе нескольких умозаключений стало возможным подсчитать размер атомов, и когда был открыт электрон, субатомная частица, населяющая окраины атомов, атомная картинка мира, наконец, сложилась.

Но и сегодня некоторые части этой картинки не совсем чётко просматриваются. Остаются нерешёнными загадки возрастом в сотню лет. И вся эта шумиха по поводу «бозона Хиггса» как раз напрямую связана с этими глубокими вопросами, находящимися в самом сердце нашего существования. Вскоре расплывчатые части нашей картинки смогут стать более чёткими и открыть нам детали относительно нашего мира, которые нам пока неясны.

В школе мы учили, что масса у атома в основном есть благодаря его небольшому ядру. Электроны, формирующие размытое облако вокруг ядра, добавляют к этой массе не более одной тысячной её части. Но что нам обычно не рассказывают, если только не заниматься физикой углублённо – так это то, что размер атома зависит в основном от массы электрона. Если бы вы каким-то образом смогли уменьшить массу электрона, то обнаружили бы, что атомы выросли и стали более хрупкими. Уменьшите массу электрона в тысячу раз, и атомы станут такими непрочными, что даже оставшееся от Большого взрыва тепло сможет разрушить их. Поэтому вся структура и существование обычных материалов связана с, казалось бы, эзотерическим вопросом: почему у электронов вообще есть масса?

Масса электрона и её происхождение ставили в тупик физиков со времени её первого измерения. Многие открытия, связанные с другими, казалось бы, элементарными частицами, сделанные в последние сто лет, усложняли и обогащали эту загадку. Во-первых, было установлено, что свет также состоит из частиц под названием фотоны, вообще не имеющих массы. Затем, что атомное ядро состоит из частиц под названием кварки, обладающих массой. Недавно мы обнаружили признаки того, что нейтрино, неуловимые частицы, стадами бегущие из недр Солнца, тоже обладают массой, хотя и совсем небольшой. Поэтому вопрос по поводу электрона перешёл в категорию более крупных вопросов: почему у частиц, типа электронов, кварков и нейтрино, есть масса, а у фотонов – нет?

В середине прошлого века физики узнали, как записывать уравнения, предсказывающие и описывающие поведение электронов. Хотя они и не знали, откуда берётся масса электрона, они обнаружили, что эту массу довольно легко внедрить в уравнения вручную, и решили, что полное объяснение её происхождения появится когда-нибудь потом. Но когда они углубились в изучение слабого ядерного взаимодействия, одного из четырёх известных в природе, у них появилась серьёзная проблема.

Физики уже знали, что электрические силы связаны с фотонами, и затем поняли, что слабое взаимодействие связано с частицами, названными «W» и «Z». Но при этом у частиц W и Z было отличие от фотона в виде массы – они сравнимы по массе с атомом олова, более чем в сотню тысяч раз тяжелее электрона. К сожалению, физики обнаружили, что не могут внедрить массы частиц W и Z в уравнения вручную: получавшиеся уравнения давали бессмысленные предсказания. А когда они изучили, как слабое взаимодействие влияет на электроны, кварки и нейтрино, они обнаружили, что старый способ внедрения массы в уравнения не работает – он тоже ломает всю систему.

Для объяснения того, как известные элементарные частицы могут обладать массой, требовались свежие идеи.

Эта загадка постепенно проявлялась в 1950-е и 1960-е. И в начале 1960-х появилось возможное решение – тут мы и знакомимся с Питером Хиггсом и другими (Браутом, Энглертом, Гуральником, Хагеном и Кибблом). Они предложили то, что сейчас мы называем «механизмом Хиггса». Допустим, говорит они, в природе есть ещё одно, неизвестное пока поле – как и все поля, это некая субстанция, существующая во всех областях пространства – ненулевое и однородное во всём пространстве и времени. Если это поле – которое теперь зовётся полем Хиггса – будет нужного типа, его присутствие заставит частицы W и Z проявить массу, а также позволит физикам вернуть в уравнения массу электрона. Это по-прежнему отложит вопрос о том, почему масса электрона именно такая, но, по крайней мере, тогда можно будет записать уравнения, в которых масса электрона не равна нулю!

В последовавшие десятилетия идею механизма Хиггса проверяли разными способами. Сегодня из подробнейших исследований частиц W и Z известно, что решение загадки, появившейся благодаря слабому взаимодействию, лежит где-то именно в этой области. Но детали этой истории нам неизвестны.

Что такое поле Хиггса, как его понять? Оно невидимо для нас и мы его не чувствуем, как ребёнок не чувствует воздух, или как рыба – воду. И даже больше – ибо, если вырастая, мы начинаем осознавать течение воздуха вокруг наших тел и чувствовать его при помощи осязания, никакие наши чувства не дают нам доступа к полю Хиггса. Мы не только не можем обнаружить его при помощи чувств, мы не можем сделать этого напрямую и при помощи научных инструментов. Так как же мы можем быть уверены, что оно существует? И как мы можем надеяться узнать что-либо о нём?

Аналогия между воздухом и полем Хиггса хорошо работает в следующем примере: если потревожить любую из этих двух сред, они завибрируют, и будут создавать волны. В воздухе такие волны создать легко – можно крикнуть или хлопнуть в ладоши – и тогда наши уши обнаружат эти волны в виде звука. В поле Хиггса волны создать сложнее и сложнее их наблюдать. Для этого понадобится гигантский ускоритель частиц, Большой адронный коллайдер. А для их обнаружения нужны научные инструменты размером с дом, например, ATLAS или CMS.

Как это работает? Хлопок в ладоши обязательно создаст громкие звуковые волны. Столкновение двух высокоэнергетических протонов на БАК создаст очень тихие волны Хиггса, притом необязательно – к этому приведёт лишь одно столкновение из десяти миллиардов. Получившаяся волна будет самой тихой из возможных волн в поле Хиггса (говоря техническим языком, одним квантом этого типа волн). Мы называем эту волну «частицей Хиггса» или «бозоном Хиггса».

Иногда СМИ называют её «частицей бога». Этот термин придумал один издатель, чтобы его книга лучше продавалась, поэтому он происходит из рекламы, а не науки или религии. Учёные этим термином не пользуются.

Создать частицу Хиггса – это только часть процесса, и относительно лёгкая. Гораздо тяжелее обнаружить её. Звуковые волны свободно перемещаются от ваших ладоней через всю комнату до уха другого человека. А частица Хиггса дезинтегрируется на другие быстрее, чем вы сможете сказать «бозон Хиггса». На самом деле, быстрее, чем требуется свету, чтобы пройти диаметр атома. ATLAS и CMS лишь максимально осторожно измеряют остатки взорвавшейся частицы Хиггса и пытаются отмотать произошедшее назад, словно детективы, распутывающие дело по уликам, чтобы определить, могла ли частица Хиггса стать источником этих остатков.

На деле всё ещё сложнее. Мало создать одну частицу Хигса, поскольку её остатки невозможно различить. Часто столкновение двух протонов приводит к появлению обломков, напоминающих то, что получается в результате распада частицы Хиггса. Так как же нам установить, что частица Хиггса возникала? Ключ в том, что хотя частицы Хиггса встречаются редко, но их обломки появляются довольно регулярно, в то время, как другие процессы происходят часто, но более случайным образом. Точно так же, как ваше ухо может распознать поющий голос даже сквозь обильные помехи на радио, экспериментаторы могут разобрать регулярный звон поля Хиггса среди случайной какофонии, созданной другими похожими процессами.

Провернуть всё это оказывается чрезвычайно сложно и трудно. Но это было проделано в рамках триумфа человеческой изобретательности.

Зачем же вообще было заниматься такими геркулесовыми подвигами? Из-за чрезвычайной важности поля Хиггса для самого нашего существования. С этой важностью по величине может сравниться только наше невежество по поводу его происхождения и свойств. Мы даже не знаем, существует ли одно такое поле; их может быть несколько. Поле Хиггса может само по себе оказаться составным, состоящим из других полей. Мы не знаем, почему оно ненулевое, и не знаем, почему оно по-разному взаимодействует с разными частицами, и придаёт, допустим, электрону, массу совсем не такую, как масса верхнего кварка. Поскольку масса играет важную роль не только в определении размеров атомов, но и во множестве других свойств природы, наше понимание Вселенной и нас самих не может быть полным и удовлетворительным, пока поле Хиггса остаётся таким загадочным. Изучение частиц Хиггса – волн в поле Хиггса – даст нам глубокие познания о природе этого поля, точно так же, как о воздухе можно узнать по звуковым волнам, о камне – изучая землетрясения, и о море – наблюдая волны на пляже.

Кто-то из вас наверняка (и справедливо) спросит: это всё очень вдохновляет, но какую пользу это может принести обществу в практическом смысле? Ответ вам может не понравиться. История показывает, что социальные выгоды от исследований фундаментальных вопросов могут не проявляться десятилетиями, даже столетие. Подозреваю, что сегодня вы пользовались компьютером. Сомневаюсь, что когда Томпсон открыл в 1897 году электроны, кто-нибудь из его окружения смог бы догадаться, как сильно электроника сможет изменить общество. Мы не надеемся представить технологии следующего столетия или то, как кажущееся эзотерическим знание, полученное сегодня, может повлиять на далёкое будущее. Инвестиции в фундаментальные исследования – это всегда немножечко азартная игра, но на основании знаний. В худшем случае мы узнаем о природе нечто глубокое и имеющее неожиданные последствия. Такое знание, хотя и не обладающее ценностью в денежном выражении, в обоих смыслах бесценно.

Для краткости я кое-что упростил. Не обязательно всё должно было быть именно так. Было возможно, что волны на поле Хиггса невозможно было бы обнаружить – это могло напоминать попытку создать волны на асфальтовом озере или в густом сиропе. Волны могли бы затухнуть ещё до того, как полностью сформировались. Но мы знаем достаточно о частицах природы, чтобы знать, что такой вариант был бы возможен, только если бы существовали другие неоткрытые частицы и взаимодействия – а какие-то из них обязательно можно было бы найти на БАК. Или же частица (частицы) Хиггса могла бы существовать, но таким образом, что её было бы гораздо сложнее произвести, или она могла дезинтегрироваться каким-то неожиданным образом. Во всех таких случаях могло пройти бы ещё несколько лет до того, как поле Хиггса стало открывать бы свои секреты. Так что мы были готовы ждать, хотя и надеялись, что нам не придётся объяснять СМИ все эти сложности.

Но волновались мы зря.

Открытие частицы Хиггса – это поворотный момент в истории. Триумф тех, кто предложил механизм Хиггса и тех, что работает на БАК, ATLAS и CMS. Но оно не означает завершения наших загадок, связанных с массой известных частиц – это только начало нашей надежды разрешить эти загадки. В будущем энергии и количество столкновений на БАК будут увеличиваться, и ATLAS и CMS будут всесторонне и систематически исследовать частицу Хиггса. То, что они узнают, может позволить нам разрешить загадки этого производящего массу океана, в котором все мы плаваем, и направит нас дальше по эпическому пути, начавшемуся более ста лет назад, который может занять ещё десятилетия и столетия, и простирается за пределы наших сегодняшних горизонтов.

Автор оригинала: Matt Strassler
Перевод: GeekTimes