Шон Кэрролл - Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира
И вот они – эти результаты. Несколько графиков, которые покажутся неискушенному взгляду неинтересными, но на них видна систематически повторяющаяся особенность: при некоторых определенных энергиях видно большее количество событий (наборов частиц, образующихся при одном столкновении), чем ожидалось. Все физики в аудитории немедленно понимают, что это значит: появилась новая частица. Действительно, на Большом адронном коллайдере обнаружено уникальное явление природы, которое никогда до этого не видели! Инкандела и Джанотти объясняют, какой кропотливый статистический анализ был проведен для того, чтобы отделить реальные события от случайных статистических флуктуаций. Результаты в обоих случаях недвусмысленно доказывают: эффект реально есть.
Раздались аплодисменты. И в Женеве, и в Мельбурне, и по всему миру. Результаты были такими точными и прозрачными, что даже ученые, многие годы занимавшиеся экспериментом, были поражены. Лин Эванс – физик из Уэллса, который более чем кто-либо другой сделал для того, чтобы без потерь провести этот гигантский корабль – БАК – через рифы к конечной цели, заявил, что он «ошеломлен» превосходным согласием между двумя экспериментами.
Я сам, притворившись журналистом, был в этот день в пресс-центре ЦЕРНа, рядом с главной аудиторией. Журналисты как правило не аплодируют новостям, которые они освещают, но в тот день собравшиеся в пресс-центре тоже поддались захлестнувшим всех эмоциям. Это был не просто успех ЦЕРНа и физики в целом – это был успех всего человечества.
Мы полагаем, что понимаем, что нашли, а именно – элементарную частицу, называемую бозоном Хиггса в честь шотландского физика Питера Хиггса. Хиггс сам тогда находился в ЦЕРНе, в аудитории для семинаров. Ему к тому времени исполнилось 83 года. Он был заметно растроган и все повторял: «Никогда не думал, что увижу это на своем веку». Здесь же присутствовали и еще несколько пожилых физиков, предложивших, как и Хиггс, похожие идеи в том же 1964 году. Не всегда ясно, почему теории называются так или иначе, и это не всегда бывает справедливо, но в тот торжественный момент успех всех объединил.
Так что же такое бозон Хиггса? Это фундаментальная частица природы, которых не так-то и много, но это еще и частица особого рода. Современная физика элементарных частиц знает всего три вида частиц. Есть частицы вещества – такие, как электроны и кварки, составляющие атомы, из которых в свою очередь состоит все, что мы видим вокруг. Есть частицы-переносчики взаимодействия – гравитационного, электромагнитного и ядерного, – которые заставляют частицы вещества держаться вместе. И, наконец, есть бозон Хиггса, образующий свою собственную особую категорию.
Важность бозона Хиггса не в том, что он есть, а в том, что он делает. Частица Хиггса возникает в поле, пронизывающем все пространство, называемом полем Хиггса. В известной нам Вселенной все, что проходит сквозь пространство, движется в поле Хиггса, которое есть везде и всегда. На общим фоне его не видно, однако оно очень важно: без него электроны и кварки были бы безмассовыми, как безмассовы фотоны – частицы света. Они бы летали со скоростью света, не взаимодействовали бы друг с другом, и было бы невозможно собрать их в атомы и молекулы, не говоря уже о том, что жизнь в нашем ее понимании была бы абсолютно невозможна. Поле Хиггса не играет активной роли в поведении обычной материи, но его присутствие в виде фона играет ключевую роль. Без него мир бы был другим. И вот теперь мы это поле нашли.
Несколько слов в порядке предостережения. То, что мы нашли, на самом деле свидетельствует о существовании частицы, очень похожей на бозон Хиггса. Она имеет правильную массу, рождается и распадается примерно так, как, по нашим представлениям, должен вести себя бозон Хиггса. Но еще слишком рано говорить с уверенностью, что мы обнаружили именно тот самый простой бозон Хиггса, предсказанный первоначальными теориями. Это может быть что-то более сложное, или эта частица может быть частью сложного набора связанных между собой частиц. Однако ученые определенно нашли некую новую частицу, и она ведет себя так, как, мы думаем, должен себя вести бозон Хиггса. В этой книге я буду считать 4 июля 2012 года днем объявления об открытии бозона Хиггса. Если реальность окажется более сложной, тем лучше для всех – физики же жить не могут без сюрпризов.
Ученые очень надеются, что открытие бозона Хиггса явит собой начало новой эры в физике элементарных частиц. В науке есть много такого, что мы сейчас не понимаем, а изучение бозона Хиггса может приоткрыть окно в новый, невиданный мир. Экспериментаторы, и среди них Джанотти и Инкандела, получили новый объект для изучения, а теоретики вроде Хьюэтт – новые подсказки для построения более совершенных моделей. Мы сделали огромный шаг вперед в понимании Вселенной, которого долго ждали.
Эта книга – о людях, которые посвятили свою жизнь изучению основ нашего мира, где бозон Хиггса является важнейшим элементом. О теоретиках, которые сидят за столами с ручками и бумагой и прокручивают в своих головах абстрактные идеи, черпая энергию в чашечках эспрессо и жарких спорах с коллегами. Об инженерах, конструирующих установки, напичканные электроникой, превосходящей по уровню сложности все существующие технологии. И, самое главное, об экспериментаторах, стремящихся открыть что-то новое, объединив мощь ускорителей и теоретических идей. Современная физика – та, что находится на переднем крае науки, – двигается вперед благодаря проектам, стоящим миллиарды долларов и длящимися десятилетия, требующим исключительной самоотдачи и готовности к высоким рискам ради познания мира – награды, с которой ничто не может сравниться. Когда все это сходится вместе, мир меняется.
Жизнь хороша! Так давайте выпьем еще один бокал шампанского.
Глава 1
Зачем нужна физика элементарных частиц
Мы задаемся вопросом: почему группа талантливых и преданных своему делу людей готова посвятить жизнь погоне за такими малюсенькими объектами, которые даже невозможно увидеть?
Физика элементарных частиц – странное занятие. Тысячи людей тратят миллиарды долларов на строительство гигантских машин длиной в десятки километров, разгоняют в них субатомные частицы до скоростей, близких к скорости света, а затем сталкивают друг с другом – и все это для того, чтобы обнаружить и изучить другие субатомные частицы, которые совершенно никому, кроме физиков элементарных частиц, не интересны и в обычной жизни совершенно не нужны.
Однако это обывательская точка зрения. Можно на все посмотреть и иначе: в этих занятиях физиков элементарных частиц в самом чистом виде проявляется человеческое любопытство и желание узнать, как устроен мир, в котором мы живем. Люди задавали подобные вопросы еще в античные времена – более двух тысячелетий назад, и с тех пор тяга к познанию мира переросла в систематические усилия всего человечества, направленные на то, чтобы найти основные закономерности в устройстве Вселенной. Именно наше непреодолимое желание понять мир породило физику элементарных частиц, ведь ее частицы как таковые интересуют нас – истинной целью является присущее людям желание узнать то, чего мы еще не знаем.
И тут начало XXI века стало переломным моментом. Последний по-настоящему удивительный экспериментальный результат с помощью ускорителей частиц был получен в 1970-х годах, то есть более 35 лет назад. (Точная дата зависит от того, что именно считать «удивительным»). Перерыв возник не потому, что экспериментаторы проспали все то время – это совсем не так. В последние годы экспериментальная техника улучшалась не по дням, а по часам, и достигла такой степени совершенства, которая еще совсем недавно казалась недоступной. Но проблема в том, что на этих замечательных машинах ученые не смогли обнаружить ничего такого, что заранее не предсказали теоретики. Настоящих ученых, всегда надеющихся найти что-то новое и удивительное, такое положение вещей очень раздражает.
Другими словами, проблема не в том, что эксперименты были недостаточно совершенными, а в том, что теория была слишком хороша. Тенденция к узкой специализации современной науки привела к тому, что роли «экспериментаторов» и «теоретиков» стали весьма различными, особенно в физике элементарных частиц. Прошли те времена, когда – еще совсем недавно, в первой половине XX века – какой-нибудь гений, вроде итальяца Энрико Ферми, мог сначала создать новую теорию слабых взаимодействий, а затем взяться за конструирование установки, в которой должна была пройти первая самоподдерживающаяся искусственная цепная ядерная реакция. Сегодня все по-другому: теоретики элементарных частиц пишут свои уравнения и в конце концов доводят их до конкретных моделей, а экспериментаторы для проверки правильности этих моделей собирают данные с помощью сложнейшей экспериментальной аппаратуры. Лучшие теоретики пристально следят за результатами экспериментов, а экспериментаторы обычно в курсе последних достижений теоретиков, но никто из них не является специалистом одновременно и в том, и в другом.
