Деловая газета «Взгляд»
http://www.vz.ru/society/2012/7/4/586746.html

Бозон, просто бозон

Стандартная модель Вселенной выдержала испытание практикой

4 июля 2012, 16::15


83-летний физик Питер Хиггс, еще в 60-х предсказавший существование поля, которое отвечает за массу всех элементарных частиц, расплакался. Он узнал, что на Большом адронном коллайдере найдено нечто очень похожее на частицу этого таинственного поля. Частицу, названную его именем. Теперь ученым предстоит объяснить, что такое гравитация.

В среду, после почти 20 часов ожидания, утечек в СМИ и бурных обсуждений, ученые из CERN официально объявили об открытии новой элементарной частицы, которая, вероятно, может быть знаменитым бозоном Хиггса, предсказанным еще в начале 60-х, последним кирпичиком стандартной модели современной физики.

Детектор ATLAS Большого адронного коллайдера обнаружил новую частицу, а уровень статистической значимости сигнала превысил необходимые пять стандартных отклонений, сообщила официальный представитель коллаборации на Большом адронном коллайдере Фабиола Джианотти. «Мы видим в наших данных ясные свидетельства существования новой частицы с уровнем значимости «5 сигма» (то есть опыт официально подтвержден – ВЗГЛЯД.), с массой около 126 гигаэлектронвольт», – сказала Джианотти, слова которой цитирует РИА «Новости».

Вице-президент Российской академии наук физик-теоретик Александр Андреев заявил, что обнаружение учеными исследовательского центра в Швейцарии новой частицы имеет большое значение для фундаментальной науки, но не поможет человечеству изобрести вечный двигатель или машину времени. «Это имеет большое, принципиальное фундаментальное значение, но для практики это пока ничего не означает», – сказал Андреев «Интерфаксу». По его словам, революционным для физики и науки в целом было бы, если бы бозона Хиггса не было. Комментируя предположение о том, что обнаружение новой частицы приближает человечество к созданию вечного двигателя или машины времени, ученый категорично заявил: «Это все вранье».

Энергия и масса

Сам Большой адронный коллайдер был запущен в 2008 году. Окончательно доказать тот факт, что новая частица и есть искомый бозон Хиггса, на самом деле еще только предстоит (споры об этом уже начались, но нам остается лишь ждать непосредственных выкладок). Но историю бозона на самом деле стоит начать с природы энергии, то есть с фундаментальных открытий еще XVIII и XIX веков, без которых невозможно представить себе полную картину современной физики.

Дело в том, что все существующие частицы могут вступать друг с другом в разные типы взаимодействия: гравитационное, электрическое и магнитное (электромагнитное). Эти взаимодействия образуют то, что называется «полем»: пространство между полюсами магнита (или зарядами частиц) – самый простой пример такого поля – можно увидеть, если насыпать железные опилки на стекло, под которым покоится стержневой магнит. Опилки сами собой лягут так, что будут видны дуги, протянутые от одного полюса к другому.

Таким был первый шаг в попытке объяснить то, как именно устроен окружающий нас мир.

Энергию стоит дополнить самым простым и всем известным понятием массы тела: она, известная всем нам по эмпирическим наблюдениям (гиря в 6 килограммов тяжелее пакета картошки в полкило – объяснения не требуются), на поверку оказалась едва ли главной загадкой физики.

Мы, казалось бы, все понимаем о массе, но только на уровне тела. Однако же масса тела есть масса его вещества, то есть тех частиц, из которых оно состоит, именно поэтому чугунный брусок всегда тяжелее алюминиевой чушки того же размера.

Магнитное взаимодействие (фото: wikipedia.org)

Магнитное взаимодействие (фото: wikipedia.org)

Однако проблема уже в начале XX века состояла ровно в том, что понятия массы и энергии никоим образом не помогали описать непредметный мир. И речь идет не только о Вселенной, которая теоретически должна иметь какую-то массу и какую-то энергию, но и о микромире, о тех самых простых частицах, из которых и состоит все вокруг. Их еще предстояло найти.

Мы можем придумать меру веса и описать массу чугунного бруска, но какую меру необходимо ввести для того, чтобы описать пространство. То есть буквально: а сколько весит вакуум?

К ответу на этот простой вопрос физики приблизились лишь тогда, когда нашли то, что они назвали «элементарными частицами», которые, в свою очередь, были разделены на фундаментальные частицы (например, кварк), имеющие простую структуру, и составные (протон, нейтрон, адрон, мезон и некоторые другие). 

Практика, разумеется, сложнее: так, мезон – это по сути кварк и антикварк, а сами кварки вообще не могут находиться в свободном состоянии, они скорее процесс, нежели предмет. Процесс распада, разумеется.

Мир элементарных частиц очень многообразен, и для его подробного описания потребовался бы минимум учебник. Отметим лишь, что некоторые их свойства, с удивлением описанные физиками, вообще не лезут ни в какие ворота. Фотон (квант, непосредственная составляющая электромагнитного излучения), «частица света», не имеет массы и представляет собой одновременно и частицу, и волну. А нейтрино так слабо взаимодействует с веществом, что проходит сквозь вещество.

Когда элементарные частицы были обнаружены, описаны и классифицированы, оказалось, что фундаментальных взаимодействий насчитывается не три (или два, как посчитать), а четыре: во-первых, это все та же гравитация, во-вторых, электромагнитное взаимодействие, в-третьих, так называемое «сильное» (самый известный пример – ядерный распад) и, наконец, «слабое» (оно ответственно за некоторые виды распадов, например, распад нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрин и т. д.)

Три типа взаимодействия (все, кроме гравитации), 24 фундаментальные частицы, шесть видов кварков и шесть лептонов (частиц, которые не участвуют в сильных взаимодействиях) составляют так называемую стандартную модель, которая должна описать все принципы устройства мира, но, к сожалению физиков, сделать это не в состоянии.

Проблема состоит в том, что совершенно не ясно, почему частицы обладают именно такой массой и вступают в именно такие взаимодействия: и сам факт наличия определенной массы, и типы взаимодействий уже изучены, но ведь нейтрино – это не кусок чугуна, который можно сравнить с куском алюминия.

Бозон и гравитон

Именно с этой точки и начинается отсчет истории уже самого бозона Хиггса.

Кроме уже описанных элементарных, были обнаружены отдельные частицы, которые в микромире отвечают за перенос тех или иных взаимодействий (или физических свойств). Они были объединены в группу с общим названием «бозоны». Так, например, уже упоминавшиеся фотоны обеспечивают электромагнитное взаимодействие. Однако не все бозоны являются переносчиками тех или иных свойств: вообще же деление на бозоны и фермионы - это деление на частицы с целым или полуцелым спином.

Питер Хиггс (фото: Reuters)

Питер Хиггс (фото: Reuters)

Британский ученый Питер Хиггс в 1960-х предположил, что Вселенную пронизывает некое поле, которое и придает частицам ту или иную массу. Сразу после гипотетического Большого взрыва частицы не разлетелись лишь потому, что их что-то удержало, что-то заставило их приобрести новое физическое свойство, вокруг которого выстроились новые взаимодействия. Квант этого поля и есть бозон Хиггса, нечто, что позволяет частицам приобретать массу, становясь прообразом любого вещества (в том числе и еще не изученного вещества, из которого в основном состоит Вселенная).

Бозон Хиггса – последняя элементарная частица стандартной модели – закрывает дискуссию о том, как именно взаимодействуют между собой элементарные частицы, но открывает пространство для ряда новых споров.

«Узнав массу и другие характеристики хиггсовского бозона, можно будет продвинуться в теоретическом понимании новой физики за пределами стандартной модели. Например, пролить некоторый свет на вопрос о существовании суперсимметрии. В отличие от бозона Хиггса, существование в природе суперсимметрии – вопрос остро дискуссионный. Математически наличие суперсимметрии при достаточно высоких энергиях не запрещено, а в некоторых теориях, обобщающих стандартную модель, например в теории струн, просто совершенно необходимо. Открытие БАКом суперсимметрии привело бы к тектоническому сдвигу в современной физике», – пояснил в интервью газете ВЗГЛЯД доцент Оксфорда Андрей Старинец одно из направлений таких споров.

«Суперсимметрия - это гипотеза (у нее есть очень глубокие математические основания) о том, что при достаточно высоких энергиях имеется соответствие между бозонами и фермионами - отметил ученый - у каждого бозона есть свой суперпартнер-фермион такой же массы (и наоборот). Например, у электрона (фермиона) имеется «близнец»-бозон под названием сэлектрон, у фотона (бозона) - фотино (фермион) и т.д. Суперсимметрия не наблюдается при доступных нам энергиях, но может существовать при энергиях более высоких. Если суперсимметрия уже существует при энергиях порядка 10 Тэв, БАК может ее обнаружитьКроме того, еще одной частицей, которую, вероятно, предстоит открыть, является гравитон, гипотетический бозон, отвечающий за не входящую в стандартную модель гравитацию, самое слабое из всех существующих взаимодействий».

Эйнштейн и Планк

Объединение всеми нами ощущаемой ежесекундно гравитации и остальных взаимодействий в единую теорию – задача до сих пор не решенная.

Ее сформулировал еще Альберт Эйнштейн, чья общая теория относительности должна каким-то образом совмещаться с квантовой механикой, берущей свое начало с исследований Макса Планка. Однако теория относительности, описывающая макромир, и квантовая механика, ответственная за мир элементарных частиц, не совпадают, и проблема здесь состоит в том, что физические законы, действующие в одной системе, перестают работать в другой.

Бозон Хиггса не дает ответа на вопрос о том, как именно можно совместить две этих фундаментальных теории, однако успех исследований на Большом адронном коллайдере может открыть перспективы изучения объединяющей системы Эйнштейна и Планка квантовой гравитации. Если предельно упрощать, то квантовая механика пока описывает процессы, которые происходят на фоне внешнего, протекающего совершенно независимо от них времени, а теория относительности разбирает явления самого времени: оно является не фоном, а участником событий. Квантовая гравитация, опираясь, с одной стороны, на стандартную модель, а с другой – на открытия многочисленных последователей Эйнштейна, призвана замкнуть эту систему.

Практические перспективы этих исследований сегодня так же трудно себе представить, как трудно было в середине XIX века автору теории электромагнитного поля Майклу Фарадею вообразить себе линии электропередачи, магнитные ключи, мобильные телефоны и покупку билетов на самолет через интернет. Тогда многим исследования Фарадея всерьез казались несусветной чушью, бесполезным времяпрепровождением и блажью чудака.

Главная теория, которая пока не находит никакого практического подтверждения, состоит в том, что пространств в нашем понимании несколько. Именно поэтому гравитационное взаимодействие так слабо проявлено: наше пространство – лишь одна из точек его приложения. Многомерный мир с возможностью инвариантного течения времени – это, пожалуй, самое понятное гипотетическое открытие, которое могут сделать физики, двигаясь дальше в попытке объяснить, как именно устроена Вселенная.

Текст: Михаил Бударагин