Какие бозоны нужны народу

В конце прошлого года две группы экспериментаторов, работающих на Большом адронном коллайдере, сообщили о результатах поиска бозона Хиггса — элементарной частицы, кванта поля, которое придает массу всем остальным частицам. Ожидалось, что об открытии будет рассказано. Однако физики сообщили, что да, подтверждения есть, но слово «открытие» употреблять пока рано. О том, как ищут бозон Хиггса, мы беседовали с академиком РАН физиком-теоретиком Валерием Рубаковым.

Какое счастье будет человеку от открытия бозона Хиггса? Этот вопрос почему-то очень беспокоит двух моих знакомых филологических девушек, одного бизнесмена, троих водителей-бомбил, которые недавно меня подвозили, а также редактора отдела науки «РР» Григория Тарасевича.

Специально для этих широких общественных кругов поясняю: бозон Хиггса, будучи открыт и изучен, не принесет непосредственной пользы никому, кроме некоторых физиков. Счастья не прибавится. Но от того, что это будет за частица, зависит наше мировоззрение и понимание природы. Уж больно фундаментальное и необычное место занимает эта частица в мироздании — без нее ни у чего не было бы массы. Но нам, конечно, интересно и то, что думают сами ученые-физики:

— Почему этому бозону придают такое значение — последние пять лет мы только про него и слышим?

— Конечно, бозон Хиггса у всех на слуху, — подтверждает академик Рубаков.— Это важный элемент так называемой Стандартной модели. И это единственное недостающее в ней звено.

Стандартная модель — гордость современной физики — описывает элементарные час­тицы и взаимодействия между ними. Двена­дцать видов частиц — это кварки и лептоны плюс три вида взаимодействий: электромагнитное, сильное и слабое. У каждого вида взаимодействий есть свои частицы-пере­носчики, самая известная — фотон, квант света. Поскольку у частиц есть масса, было предложено новое поле и его квант — бозон Хиггса. Гравитация в Стандартную модель не входит.

— Роль бозона Хиггса непривычная, — продолжает Рубаков. — Дело в том, что те симметрии — свойства мира, которые есть в физике, — запрещают частицам иметь массу. Тем не менее она у частиц есть. Хиггсовское поле нарушает симметрию и позволяет час­тицам иметь массу. Такого еще не было, ситуация новая, поэтому-то физики очень хотят найти бозон Хиггса и изучить его свойства.

— Ну вот на семинаре в ЦЕРНе вроде бы доложили об открытии? Ходили слухи, что пригласят самого Питера Хиггса ради такого случая, он был?

— Нет, его в аудитории не было. Экспериментаторы пока очень осторожны, — говорит Рубаков. — Они видят, что есть превышение над фоном. Но этих данных мало, и нужно быть очень заряженным на положительный ответ, чтобы уверенно сказать: да, сигнал действительно есть. Такого рода события уже бывали, а потом оказывалось, что это статистические флуктуации.

— Это важно, что сразу два комплекса детекторов выдают одинаковые результаты?

— Конечно. Бывало иначе: одна команда видит эффект, другая — нет, начинают проверять, и выясняется, что эффекта нет. Понимаете, эксперимент очень трудный. Огромный массив информации, и нужно выудить гораздо меньше одной миллиардной от всего, что регистрируется. Всегда есть подозрение, что программа обработки что-то пропускает, что вы одну частицу примете за другую…

— Как выглядит результат? Это график какой-то?

— Я вам сейчас нарисую. — Рубаков подходит к доске и рисует плавную кривую, а над ней в одном месте несколько крестиков.— Вот эта кривая — фон, то, что неинтересно. А вот эти точки — может быть, следы распада бозона Хиггса. Пока данных недостаточно, оно так и выглядит. Если это действительно бозон, то эти точки с накопленной статистикой сольются вот так, — он рисует холмик, выступающий над кривой. — С другой стороны, первые свидетельства и должны быть не очень вразумительными.

— Что это за место на графике, — спрашиваю я, — где холмик?

— Это в районе энергии 125 ГэВ, то есть масса в 125 раз больше массы протона. Здесь вроде бы и есть сигнал.

— Это много или мало?

— Могло быть раз в десять тяжелее. Но нужно сказать, что по самой простой теории бозон Хиггса должен быть относительно легкой час­тицей. Такой, что ее можно рождать на Большом адронном коллайдере. Ведь что в нем происходит? Мы сталкиваем пучки протонов, выделяется энергия. А исходя из общего уравнения E=mc2, вы при достаточной энергии можете родить любую частицу.

Вообще, насколько я понимаю, физики только и делают, что следят за рождением и распадом частиц. Стукнули протон в протон — хлоп! — энергия превратилась в кварк. Потом этот кварк — хлоп! — распался на какие-нибудь другие частицы. А регистрировать можно только тогда, когда он распадется на что-то, что долго живет — фотоны, например.

— Но ведь есть частицы тяжелее? — продолжаю я допрос с пристрастием.

— Есть, топ-кварк, например.

— Тогда почему их давно уже обнаружили, а бозон Хиггса все еще нет?

— Объясняю. Хиггсовский бозон заметно слабее взаимодействует с элементарными частицами. Кварки рождаются гораздо чаще. Соответственно, чтобы получить кварк, нужно иметь гораздо меньше столкновений протонов в коллайдере. Но есть и другая проблема. Бозон Хиггса живет очень мало, почти мгновенно распадаясь на другие частицы — В-кварки. А кварков при таких столкновениях рождается безумное количество. Независимо от бозона Хиггса. И отличить наши кварки от этого фона невозможно.

— Что же в таком случае регистрируют?

— Бозон Хиггса по теории может распадаться и на другие частицы. Гораздо реже, с вероятностью в одну десятитысячную, он может распасться на два фотона. Но фотоны образуются и другими путями, поэтому нужно выделить и этот сигнал. Детектор ведь регистрирует все подряд, а экспериментаторы обрабатывают данные уже потом. Я удивляюсь, что они так быстро все сделали: в октябре только закончился сеанс, а они уже докладывают предварительные результаты.

— И что будет дальше, если окажется, что это действительно бозон Хиггса — то, что сейчас видят?

— Следующий шаг — изучить все его взаимодействия с другими элементарными частицами.

— А для чего?

— Чтобы узнать, верна ли та простая картина, которая есть в головах у теоретиков. Ведь существуют и другие версии. Например, такая: хиггсовских частиц может быть пять штук с разными свойствами. Есть еще одна идея — о суперсимметрии. Но сейчас она теряет популярность.

Суперсимметрия обещала нам новый мир частиц. Ведь, согласно этой теории, у каждой частицы должны быть «двойники», которые отличаются от нее по какому-нибудь параметру. А теперь академик рассказывает мне, что этих сотен частиц может и не быть. Обидно.

— Как так? Мне в прошлом году в Дубне теоретики все уши прожужжали про эту суперсимметрию. О частицах, почти во всем похожих на уже известные, но только, например, тяжелее.

— Да. Такая гипотеза есть, все происходящее для нее пока не смертельно, но… Суперсимметрия означает простую вещь: много новых частиц. Предполагали, что их массы — две-три сотни ГэВ, чуть тяжелее, чем хиггсовский бозон. А сейчас выясняется, что их нет вплоть до 800 ГэВ — как раз по резуль­татам поиска на Большом адронном коллайдере. Вопрос: где же они тогда, если здесь их нет?

— Обещали, что будет очень весело: мир новых частиц, новые свойства…

— Теперь уже не так весело. Впрочем, и для пессимизма, может, еще рано. Посмотрим.

Считается, что после открытия бозона Хиггса начнется новая физика. И это не метафора. Новая физика — это термин, который как раз и используют для всего того, что ученые собираются найти за пределами Стандартной модели: новых частиц, необычных взаимодействий между ними, новых полей. А то скучно как-то в XXI веке оставаться все с теми же несколькими кварками, бозонами и лептонами, каковые должны весь материальный мир описать, но вот не описывают. Не укладывается материальный мир в такую стройную конструкцию.

— Что же тогда будет с новой физикой? И будет ли она?

— А вот это как раз интересно! — воскли­цает Рубаков. — Сам по себе бозон Хиггса — это старая физика. Но есть трудности. Например, энергетический масштаб хиггсовского взаимодействия аж на 17 порядков меньше энергии гравитационного! Такая большая разница изумляет. Выясняется, что в Стандартной модели не только нет объяснения, почему все так, но и по всем соображениям хиггсовское взаимодействие должно быть где-то там, рядом с гравитацией. Суперсимметрия позволяла этот вопрос решить.

— Вы меня совсем запутали. То суперсиммет­рия — не такая простая модель, то, наоборот, позволяет снять противоречия.

— Гм… — Рубаков задумывается, а потом решительно начинает сначала (надо сказать, за это свойство его и любят: всегда старается, чтобы все было предельно ясно, никогда не отступает). — Вакуум устроен непросто. Там все время рождаются и распадаются виртуальные частицы. И если хиггсовский бозон шурует через вакуум, он взаимодействует с парами виртуальных частиц. Это то самое взаимодействие, которое придает массу всем другим частицам. И сам он должен был бы становиться от этого тяжелым. Суперсимметрия замечательна тем, что там есть разные частицы: одни снижают массу бозона Хиггса, другие повышают, а в сумме по нулям. Если отказаться от суперсимметрии, то все равно нужно искать новые взаимодействия.

— Обязательно?

— Нет, можно, конечно, отказаться от объяснения: вот вам бозон, и все, мы постулируем. Такая позиция возможна, некоторые ее даже любят. Но вообще-то это нехорошо. Лучше бы была новая физика, которая бы все объяснила. Нужны новые частицы, причем на тех энергиях, которые можно увидеть на Большом адронном коллайдере. Пока их не видно, что настораживает. Но, может быть, мы пока не достигли нужной светимости. Подождем.

— Почему бозон Хиггса нужно искать на коллайдере? Ведь другие частицы мы видим или чувствуем и так. Фотоны, например, мы просто глазом видим.

— Есть у нас такой детектор для фотонов, действительно очень хороший детектор — глаз. Но, понимаете, кроме некоторых частиц, которые долго живут, остальных в природе не существует. Они сразу распадаются. Вот здесь, в комнате, нет ни одного К-мезона — его нужно родить, чтобы он появился.

— Я опять не пойму. Ну вот берем кварк, элементарную частицу. Мы ведь из кварков состоим, правильно? У них есть масса, которую делает бозон Хиггса. А вы мне говорите, что его нет!

— У вас есть разлитое хиггсовское поле. И в нем кварк имеет массу, не вопрос. Но чтобы увидеть квант этого поля, нужно, чтобы оно возбудилось. А так поле однородное, и все, что вы видите, — это масса. Хиггсовское поле заставляет частицы двигаться медленнее скорости света. Масса, понимаете?

— А! Это и есть его проявление! — наконец доходит до меня. Действительно, впервые я понял, что эффект хиггсовского поля мы видим непосредственно и постоянно.

— Конечно, проявление — вот оно, масса! Но мало ли отчего может быть масса! Чтобы поле увидеть, нужно родить частицу.

— Трудная у вас наука все же.

— Знаете, это место в физике частиц особенно трудное, даже для нас.