Новый миф о бозоне Хиггса

Верующие верят в первичность духа. Материалисты пляшут от своей печки – от массы. А вот чтобы ответить на вопрос «почему тела имеют массу»,  Европейский Совет по ядерным исследованиям (CERN) соорудил Большой Адронный Коллайдер — самый мощный ускоритель частиц среди построенных на Земле. Сокращение CERN поизошло от первого французского названия данного научного центра. Начиная с середины 70-х годов XX-ого века CERN сосредоточил основные усилия на исследованиях в области экспериментальной и теоретической физики элементарных частиц. В следствии этого первоначальное название изменено на новое, адекватно отражающее современный научный статус этой лаборатории - Европейская лаборатория физики элементарных частиц, однако старое и известное во всем мире сокращение CERN осталось в качестве официального названия лаборатории.

 С помощью Коллайдера  исследуется гипотеза о том, что масса обычных частиц создается невидимым распространенным повсюду полем виртуальных частиц Хиггса. При столкновении частиц высоких энергий образуются бозоны Хиггса, и, возможно, благодаря механизму Хиггса появляется масса. На Коллайдере будут пробовать найти микрочерные дыры, а также исследовать вероятность того, что любая известная фундаментальная частица обладает невидимым сверхсимметричным двойником.

Область пространства, где проявляют себя физические, достоверно зарегистрированные и точно измеренные силы, называется физическим полем. В рамках современной физики рассматриваются всего четыре вида полей: гравитационное, сильных взаимодействий (ядерное), слабых взаимодействий (электронное) и электромагнитное (магнитное и/или электрическое). С точки зрени квантовой теории взаимодействие материальных объектов на расстоянии обеспечивается взаимным обменом квантами полей, характерными для каждого из перечисленных взаимодействий. Свойства любого из физических полей описываются строгими математическими уравнениями.

Последние несколько десятков лет физики не прекращают попыток создать общую, единую теорию поля. Ожидается, что она опишет все вышеназванные поля как различные проявления одного – "единого физического поля".

В силу корпускулярно-волнового дуализма полю Хиггса должна соответствовать по крайней мере одна частица - квант этого поля, называемая бозоном Хиггса или, для краткости, просто Хиггсом. Бозон - потому, что спин кванта поля Хиггса должен быть равен нулю, то есть частицы Хиггса подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна. Хиггс - имя собственное. Оно принадлежит английскому физику-теоретику Питеру В. Хиггсу (Peter W. Higgs), который в 1964-ом году предложил механизм генерации масс калибровочных бозонов при помощи процедуры спонтанного нарушения локальной симметрии исходного лагранжиана взаимодействия. Как непременный продукт такой генерации возникает частица Хиггса. На этот счет доказана строгая математическая теорема. Вопрос о том, почему механизм Хиггса стал основным для генерации масс фундаментальных частиц в Стандартной Модели (СМ), слишком сложен. Читателю лишь важно знать, что без этого механизма вся конструкция СМ принципиально не может иметь места. До сих пор бозон Хиггса экспериментально не найден.

Главная задача Большого адронного коллайдера - проверка этой Стандартной Модели, объединяющей все виды взаимодействий, кроме гравитационного - сильное (связывающее кварки в протонах и нейтронах), слабое (взаимодействие между электронами и нейтрино) и электромагнитное. В настоящее время Стандартная Модель является общепризнанной теорией, однако в ней есть положения, которые требуют экспериментальной проверки.

И всё потому, что пока на месте бозона зияет единственная дыра в Стандартной Модели. А она для физиков то же самое, что таблица Менделеева для химиков. Стандартная Модель, в отличие от химической таблицы, перечисляет не атомы, а еще более мелкие элементарные частицы. Мельче, собственно, некуда: их, не в пример атомам, нельзя разобрать на детали.

Закрыть дыру в теории для физиков означает сохранить свои рабочие места. Если найдут бозон, то будет самый скучный сценарий. Вот, наверное, почему главный астрофизик планеты Стивен Хокинг сделал ставку на то, что открытия не случится: он держал пари аж на 100 долларов! Маловато вроде для такого крупного физика.

В популярных статьях бозон называют «частицей бога»: пишут, что он снабжает массой все остальные частицы — как те, из которых состоит вещество вокруг, так и те, которые возникают и гибнут за доли секунды внутри ядер. В частности, заставляет весить сам себя. Чем не волшебная палочка, которая касанием превращает невесомое в тяжелое?

Физики видят это иначе. Вот, например, академик Валерий Рубаков предлагает представить себе океан срыбами: «Рыба преодолевает сопротивление воды. Чем она крупнее, тем сопротивление больше. Океан — это и есть хиггсовское поле, которое заполняет пространство и мешает частицам разгоняться. Так появляется масса. Но бозона Хиггса в этой картине нет. Он — что-то вроде ряби в океане. Подымается волнение — возникает бозон. Вообще это часто используемая картина. В современной науке со времен появления квантовой механики не различают частицу и волну. Физики хотят сделать эту рябь. Океан есть везде, а ряби нет. Для того чтобы пошла волна, придётся его возмутить. Но это не так просто, нужна большая энергия — получить ее можно только в ускорителе.»

Хиггсовское поле существовало не всегда. Такого океана, однородно разлитого, в самом начале Вселенной не было. При сверхвысокой температуре океан испарялся.

Он был не плотной средой, а плазмой. И никаких масс у частиц не было на самых ранних стадиях эволюции Вселенной, т.е. в первые доли секунды после Большого взрыва. Потом космос подостыл, произошла конденсация. И вот теперь поле Хиггса существует во всей Вселенной и создаёт материю...

Основной интерес вызывает сейчас обнаружение бозона Хиггса, потому что это ключевая частица для Стандартной Модели, в том смысле, что она объясняет наличие масс у элементарных частиц. В результате взаимодействия с бозоном Хиггса каждая частица приобретает массу.  Но сам-то бозон неуловим, как тот Неуловимый Джо, которого никто не ищет. Как же его найти и убедиться, что он вообще существует? А всё дело в том, что сразу после столкновения с ним протонов в коллайдере, этот неуловимый бозон Хиггса будет распадаться на другие частицы тем самым выдавая своё существование! Фиксируя следы этого распада, физики и будут судить о его появлении.

Он может распадаться разными способами, но один из наиболее значимых - это распад на два гамма-кванта, но это уже не столь важно для читателей.

Для поисков следов распада бозона Хиггса предназначены два из четырёх главных детекторов Большого адронного коллайдера - ATLAS и CMS.

Это не первый бозон, который физики предсказали и ищут, чтобы подтвердить теории. Можно в привести пример истории открытия W- и Z-бозонов, которые сначала были предсказаны теоретически, затем были найдены в эксперименте, а сейчас их рождают тысячами, изучают их свойства.

Последние результаты, полученные в ходе эксперимента DZero на конкурирующем с LHC ускорителе Теватрон (Tevatron particle accelerator), в  штате Иллинойс, США, дают основания думать, что бозон Хиггса – это не одна частица, а целых пять, сообщает BBC News. Задача эксперимента DZero – выяснить, почему мир вокруг нас состоит из нормальной материи, а не из антиматерии. Исследователи наблюдали на Теватроне столкновения протонов и антипротонов, в ходе которых частицы нормальной материи появлялись лишь незначительно чаще, чем частицы антиматерии. Разница составила примерно 1%. Это явление наблюдалось и раньше, и получило имя «нарушение CP-симметрии» (CP violation), но в существенно меньших масштабах, чем то, что сейчас увидели американские физики. Асимметрия, полученная в эксперименте DZero, уже не может быть объяснена, исходя из общепринятой теории элементарных частиц, известной как Стандартная модель. Проводившие эксперимент полагают, что этот эффект может быть вызван появлением множественных частиц – бозонов Хиггса. По словам физиков, данные указывают на 5 бозонов с похожими массами, но разным электрическим зарядом. Из них три должны электрически нейтральны, а еще два – быть заряженными, но с противоположными знаками, то есть образовывать дублет. В теории эта модель известна под названием «two-Higgs doublet model». Именно эта модель может объяснить полученные результаты эксперимента без существенных поправок к Стандартной Модели Вселенной. В противном случае снова поиски...

Возвращаясь к Большому адронному коллайдеру, напомним, что в ходе его экспериментов возникает состояние близкое тому, которое было во Вселенной спустя доли секунд после Большого взрыва (Big Bang). В этом состоянии существование большинства известных нам элементарных частиц было еще невозможно. И чтобы формирующиеся частицы обрели массу, симметрия физического вакуума должна была оказаться неполной. Бозоны Хиггса возникли в результате спонтанного нарушения этой симметрии, и сами должны были оказаться довольно массивными. Но вот вопрос, а что если этот бозон не поймают? Ведь невозможность открыть этот бозон может скомпрометировать текущую реализацию Стандартной Модели, завести физиков на некоторое время в тупик и даже лишить их рабочих мест и хороших зарплат.

Есть мнения, что Стандартная Модель и бозон Хиггса можно вполне квалифицировать как одну из многочисленных фантазий математиков в физике. Все массы микрочастиц рождаются из вакуума, при внесении в него нужной энергии E=2mc^2. Рождение масс электрона и позитрона ещё в 1933 году наблюдали в камере Вильсона без всякого коллайдера. Значит этот коллайдер выполняет роль источника денежного довольствия для научных сотрудников и только.

А потом другой вопрос: кому больше выгодно доказательство существования бозона Хиггса – верующим в бога или материалистам? Ведь творение материи в пространстве Хиггса очень напоминает божественную материализацию.  Теологи уже предвкушают победу, заранее сообщив миру, что наука подтвердила существование Бога, смущая души сомневающихся и агностиков. А не торопятся ли теологи праздновать победу? Ведь постоянно текущая  материализация означает крах библейской сказки о сотворении мира за считанные дни. Зато льёт воду на мельницу другого понимания бога – Бога-Субстанции, бога Спинозы. А это совсем другой бог, не требующий молитв и повиновения, отвергающий церкви и религии.

Так по ком звонит колокол? Кому нужно подтверждение существования бозона Хиггса? Не являемся ли мы свидетелями ещё одного мифотворчества, которое выльется в очередное поклонение новому богу – Пространству Хиггса, творящему мир?