Шон Кэрролл - Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира
Другое дело динозавры! Это был настоящий роман. Мой дед брал нас с братом в музей штата Нью-Джерси, расположенный в Трентоне, где мы быстро проскальзывали мимо скучных артефактов и исторических выставок, но замирали перед зловеще нависающими огромными скелетами. Я никогда всерьез не связывал свое будущее с палеонтологией, но каждый ученый из тех, что я знаю, в душе согласен, что динозавры – это по-настоящему круто.
Вот почему я был взволнован, когда меня, уже вполне взрослого, преподавателя Университета Чикаго, пригласили поучаствовать в экспедиции по поискам динозавров. Большинство палеонтологических экспедиций прекрасно могут обойтись без физиков, но эта экспедиция была организована под эгидой некоммерческого Исследовательского проекта, предназначенного для того, чтобы увлечь наукой детей и представителей национальных меньшинств. То было специальное мероприятие для друзей организации, и меня пригласили для участия в различного вида научно-просветительских мероприятиях, связанных с экспедицией. Признаться, мне было совершенно неважно, чем там заниматься – хоть мыть посуду, я был согласен на все, лишь бы мне разрешили раскапывать кости динозавров, ведь это была мечта моего детства.
И мы нашли их – в районе геологической формации Моррисон, недалеко от городка Шелл (штат Вайоминг) с населением около 50 человек. Земля Моррисона набита окаменелостями юрского периода, и мы коротали теплые деньки, бодро выкапывая образцы камаразавра, трицератопса и стегозавра. Слово «выкапывать» может дать преувеличенное представление о достижениях нашей – в основном любительской – команды. По большому счету мы лишь нашли место, где имело смысл копать, и оставили его для другой экспедиции, которая должна была довести дело до конца.
Это был полезный опыт – я многому научился, и прежде всего понял, что заниматься теоретической физикой гораздо легче, чем палеонтологией. А еще я нашел ответ на вопрос, который не давал мне покоя в течение многих лет: чем отличается кусок окаменевшей кости от окружающей его горной породой? В течение миллионов лет эта кость всасывала минералы из окружающей скальной породы, пока в конце концов не превратилась почти в настоящий камень. Так как отличить одно от другого?
Ответ: с помощью очень тщательного анализа. У экспертов-палеонтологов есть, конечно, приемы, отточенные за годы их работы и позволяющие увидеть тонкие градации цвета и текстуры тканей, которые ускользают от внимания непосвященных. Приведите группу любителей к месту залегания ископаемых остатков динозавра, и, несомненно, самый частый вопрос, который вы услышите, будет: «А этот кусок – кость?». На него всегда есть однозначный правильный ответ, и эксперты почти всегда могут его найти.
В то время как работа по поиску костей динозавров очень далека от повседневной жизни физиков-теоретиков, сходство с экспериментальной физикой элементарных частиц очевидно. Мы говорим кратко: на Большом адронном коллайдере мы «увидели бозон Хиггса», но в реальности все не так просто. Мы никогда не видели бозонов Хиггса, и вероятность его увидеть не больше, чем вероятность встретиться с динозавром на улице. Век бозонов Хиггса очень недолог – едва ли хоть один из них переживет одну десятимиллиардную одной триллионной доли секунды. Это слишком мало, чтобы успеть поймать его даже с помощью такого технологического чуда, как все детекторы БАКа. (Время жизни прелестного кварка – одна триллионная секунды, и это предельное время жизни, за которое еще частицу можно успеть засечь, а время жизни бозона Хиггса равно одной десятимиллиардной этого значения.)
Вот почему мы надеемся найти лишь свидетельства того, что бозон Хиггса существовал, – в виде появления других частиц, возникающих при его распаде. Если продолжить аналогию с динозаврами, мы ищем окаменелости.
В предыдущей главе мы говорили об ускорителе БАК, который гоняет сотни миллиардов протонов по круговым траекториям в тоннеле, расположенном в пригороде Женевы. В этой главе мы поговорим о массивных детекторах, установленных в определенных помещениях по всему кольцу, где в сериях частых взаимодействий протоны приводятся в столкновение. В полученных данных, касающихся какого-то отдельного события, мы могли бы, например, обнаружить две струи сильно взаимодействующих частиц или высокоэнергетичную мюон-антимюонную пару. Вопрос: все это возникло при распаде бозона Хиггса или от чего-то еще? Методика правильной идентификации этих «окаменелостей» представляет собой сочетание научных методов, технических приемов и черной магии. Они и лежат в основе охоты на бозон Хиггса.
Идентификация частиц
Физика элементарных частиц подобна работе следователей. Прибывшие на место преступления детективы редко находят там видеозапись с кадрами, на которых запечатлен преступник в момент убийства, нечасто их ждут и непротиворечивые показания очевидцев или подписанные преступником признания. Скорее всего, есть несколько разрозненных улик: там – фрагменты отпечатков пальцев, здесь крошечный образчик ДНК. Самая сложная часть работы – сложить эти фрагменты вместе и восстановить полную картину преступления.
Аналогично, когда физик-экспериментатор, работающий с элементарными частицами, анализирует результаты, полученные на коллайдере, он и не надеется увидеть приколотый к частице значок, на котором написано: «Я – бозон Хиггса!». Мы уже говорили, что бозон Хиггса быстро распадается на другие частицы, поэтому у нас должно быть четкое представление о том, какими эти частицы должны быть, а это – задача для теоретиков. А экспериментаторы сталкивают протоны друг с другом и смотрят, что получается. Большая часть внутренности детектора частиц заполнена материалом, проходя через который частицы оставляют следы. Конечно, не все частицы так делают: например, нейтрино не чувствуют ни электромагнитное, ни сильное взаимодействие, поэтому они не оставляют никаких следов, и нам приходится напрячь умственные способности, чтобы их обнаружить.
К сожалению, и треки частиц, которые мы все-таки наблюдаем, тоже не снабжены табличками с надписями: «Я мюон, и лечу со скоростью, равной 0,958 от скорости света!». Мы сами должны определить, что за частицы возникли в результате столкновений и что это означает для процессов, благодаря которым стало возможным рождение этих частиц. Мы должны знать, был ли этот мюон произведен в результате распада хиггсового бозона, Z-бозона, или каких-либо еще подозреваемых. И при этом сами частицы совершенно не горят желанием сделать чистосердечное признание.
Хорошей новостью является то, что общее число частиц в Стандартной модели относительно невелико, так что у нас набирается не слишком много подозреваемых, которых придется проверять. В этом смысле мы больше похожи на шерифа из Мэйберри[4], чем на детектива с Манхэттена. У нас есть шесть кварков, шесть лептонов и несколько бозонов: фотоны, глюоны, W– и Z-бозоны, и, наконец, сам бозон Хиггса. (Гравитоны по существу никто никогда не видел, потому что гравитация – очень слабое взаимодействие.) Определив массу и заряд частицы, а также то, чувствует ли она сильное взаимодействие, мы почти наверняка однозначно идентифицируем ее. И задача экспериментатора – отследить как можно точнее треки частиц, образующихся при столкновении, а также определить их массы, заряды и взаимодействие с другими частицами. Это позволит нам воспроизвести основной процесс, который вызвал всю эту неразбериху.
Определить, ощущает частица сильные взаимодействия или нет, довольно легко, поскольку по счастливому стечению обстоятельств эти взаимодействия являются по-настоящему сильными. Кварки и глюоны оставляют совершенно не такие следы в детекторе, как лептоны и фотоны. Они быстро группируются и запирают себя в различные виды адронов – либо в комбинации из трех кварков, так называемые «барионы», либо в пары из одного кварка и одного антикварка – «мезоны». Эти адроны лихо врезаются в атомные ядра, поэтому их легко отличить. На самом деле, когда вы производите один кварк или глюон с высокой энергией, сильные взаимодействия, как правило, приводят к тому, что они превращаются в целый букет адронов, называемый «струей» или «джетом». Соответственно, очень легко увидеть, что был получен кварк или глюон, но выяснить его точные свойства немного сложнее.
Зато с помощью волшебных магнитных полей довольно легко выяснить, какой у частицы электрический заряд. Детекторы БАКа, как и его туннель, заполнены разными магнитными полями, которые направляют частицы в разных направлениях. Если движущаяся частица отклоняется в одном направлении, она имеет положительный заряд, если в другом – ее заряд отрицательный, ну, а если частица движется по прямой, значит, она нейтральна.
