Напомним, что бозон Хиггса представляет собой последний недостающий элемент современной теории элементарных частиц, так называемой Стандартной модели. Эта гипотетическая частица отвечает за массы всех других элементарных частиц, однако теория не позволяет точно установить массу бозона Хиггса, и физики рассчитывают, что найти частицу (или убедиться в том, что ее не существует) позволят эксперименты на Большом адронном коллайдере. Сразу напомним, что физики измеряют массы частиц в единицах энергии – электронвольтах, — основываясь на знаменитой формуле Эйнштейна: E=mc2, и, к примеру, значение 100 ГэВ/c2 примерно в 107 раз больше массы протона (подробнее о бозоне Хиггса и истории его появления у физиков-теоретиков можно узнать из вреза).
13 декабря в большом зале Европейского центра ядерных исследований ЦЕРН под Женевой состоялась мини-конференция, на котором представители двух (из четырёх) больших детекторов Большого адронного коллайдера – ATLAS и CMS – отчитались о своих поисках элементарной частицы, которую называют бозоном Хиггса.
Большой адронный коллайдер (БАК) – это ускоритель, где протоны разгоняются практически до скорости света. Сейчас их кинетическая энергия в 3500 раз больше энергии покоя, но со временем она будет увеличена ещё вдвое.
Протоны ускоряются и летят внутри двух круговых замкнутых труб, проложенных под землёй в туннеле длиной 27 км: в одной трубе протоны летят по часовой, а в другой – против часовой стрелки. В четырёх местах пучки из двух труб пересекаются, и в этих местах происходит столкновение протонов с энергией, в 3.5 раз выше предыдущего рекорда, достигнутого на ускорителе Тэватрон в США. При столкновении протонов во все стороны летят «брызги» – элементарные частицы, их в среднем рождается несколько десятков на каждое столкновение, а самих столкновений – миллионы в секунду.
Каждую частицу, рождённую при столкновении протонов, надо зарегистрировать: установить точное время появления «новорожденной», её массу, заряд, скорость и направление вылета. Для этого каждое из четырёх мест столкновения окружают детекторами – большими устройствами размером с многоэтажный дом, начинёнными сложнейшей и быстрой современной электроникой. Основных детектора четыре, они получили название ATLAS, CMS, ALICE и LHCb. По существу БАК – это четыре огромных микроскопа, с помощью которого физики «рассматривают» детали строения материи на рекордно мелком масштабе.
Во всех четырёх коллаборациях, связанных с этими детекторами, участвует несколько сотен российских физиков и инженеров – из Петербургского института ядерной физики, из Института физики высоких энергий (Протвино), Новосибирского института ядерной физики, Института теоретической и экспериментальной физики, Института ядерных исследований и Физического института (Москва), из МГУ, ОИЯИ (Дубна) и других. Российская наука и промышленность активно участвовала и в сооружении сложнейших детекторов, и участвует сейчас в их обслуживании и анализе результатов. А всего в каждой коллаборации тысячи человек со всего земного шара.
Героическими усилиями двух поколений физиков, отмеченными многими Нобелевскими премиями, за прошедшие полвека произошёл гигантский прогресс в количественном понимании того, как устроена материя на самом фундаментальном, глубоком уровне. Была создана так называемая Стандартная Модель, которая объединяет на основе простых и общих принципов все фундаментальные взаимодействия, известные сегодня, а именно электромагнитные, слабые и ядерные. Стандартная Модель объясняет количественно и часто с невероятно высокой точностью огромное количество фактов и характеристик нашего мира.
Исключением пока остаётся теория гравитация Эйнштейна: её математическая структура похожа на Стандартную Модель, но пока объединить их не удалось. В шутку эту пока ещё не существующую науку называют «Теорией Всего» (Theory of Everything). Возможно, эксперименты на БАК в Женеве помогут приблизиться к ней.
Одним из краеугольных камней Стандартной Модели является «бозон Хиггса». Теория предсказывает, что должна существовать новая нейтральная элементарная частица с массой больше, чем сто масс протона, но гораздо меньшего размера. До сих пор эта частица проявляла себя лишь косвенным образом. Одна из задач БАКа – поймать её в детекторе. Напрямую её увидеть невозможно – она живёт слишком короткое время, – но её можно обнаружить по продуктам распада на более лёгкие и известные элементарные частицы. Охотой за «бозоном Хиггса» и заняты, соревнуясь и дополняя друг друга, четыре детектора на БАКе.
Трудность состоит в том, что в каждом столкновении рождается очень много частиц, которые создают фон для продуктов распада искомого бозона. Например, бозон Хиггса может распасться на два жёстких гамма-кванта (фотона). Но если при столкновении рождается много фотонов (а так оно и есть), то очевидно, что отождествить ровно те два фотона, которые происходят именно от распада бозона Хиггса, трудно – особенно если заранее не знаешь, какая у них должна быть суммарная энергия.
На заседании 13 декабря две коллаборации – ATLAS и CMS – представили результаты своих анализов по поиску бозона Хиггса. Обе группы видят, причём сразу по нескольким продуктам распада, слабые сигналы, отвечающие примерно одинаковой массе бозона около 130 масс протона. Слова «слабый сигнал» означает, что число событий распада не сильно превышает естественный фон для таких событий, который был бы и так, даже если бы никакого бозона Хиггса вообще не было. Поэтому физики говорят не об открытии, а только о вероятности НЕоткрытия – она сейчас составляет примерно такую же вероятность как если бы при бросании монетки «орёл» выпал подряд пять раз. Мы понимаем, что такое случается, даже если монетка идеально ровная. Так что может быть, что бозон Хиггса «видят», а может быть, что это случайная вероятностная флуктуация. Нужно больше измерений, больше статистика, чтобы подтвердить или опровергнуть существование бозона Хиггса в этой области масс.
Несколько слов об истории вопроса. По существу, то, что сейчас принято называть «механизмом Хиггса», был придуман Гинзбургом и Ландау в 1950 в той же статье про сверхпроводимость, за которую В.Л. Гинзбург много лет спустя получил Нобелевскую премию. «Явление Хиггса» – это то же самое, что эффект Мейсснера в сверхпроводниках, в просторечии именуемый «гроб Магомета»: фотон приобретают массу, магнитное поле не проникает в сверхпроводник, который поэтому «зависает» в воздухе, если его поместить в магнитное поле.
Другой великий физик, американец Филлип Андерсон, тоже отмеченный печатью гения, в 1962 предложил использовать механизм Гинзбурга - Ландау в физике частиц. Современная версия всё той же идеи была предложена одновременно и независимо в работах трёх групп авторов в 1964 году: 1) Robert Brout и Francois Englert, 2) Peter Higgs, 3) Gerald Guralnik, C.R. Hagen, и Tom Kibble, см. http://en.wikipedia.org/wiki/Higgs_mechanism. Но термин «механизм Хиггса», «бозон Хиггса» исторически выделил лишь одного из многих причастных физиков – видимо потому, что так говорить короче.
Д.И.Дьяконов — доктор физ.-мат. наук, зав. сектором теоретической физики высоких энергий Петербургского института ядерной физики, член Европейской Академии
Гораздо больший интерес вызвало подтверждение информации о том, что на значении 126 ГэВ зарегистрирован сигнал, который может быть признаком существования бозона Хиггса.
skin: article/incut(default)
data:
{
"_essence": "test",
"incutNum": 1,
"picsrc": "Признак существования бозона Хиггса, зарегистрированный на значении массы 126 Гэв/c2 // ATLAS",
"repl": "<1>:{{incut1()}}",
"uid": "_uid_3926726_i_1"
}
Выступавший следом руководитель эксперимента CMS Гвидо Тонелли представил данные, из которых следовало, что бозон Хиггса не существует при массах от 127 ГэВ до 600 ГэВ.
Таким образом, признаки существования бозона Хиггса, которые были обнаружены в узком интервале масс 130–150 ГэВ и о которых сообщалось летом, оказались простыми флуктуациями.
Зато эксперимент CMS также зафиксировал признаки сигнала при значении массы 126 ГэВ, уровень достоверности этого сигнала в зависимости от метода обработки данных составляет 2,6 или 1,9 сигма.
«То, что исключен широкий интервал масс, важно, во-первых, потому что сужается окно для поиска бозона Хиггса. Во-вторых, в суперсимметричных моделях, например, бозон Хиггса не очень тяжелый, и то, что исключен относительно тяжелый «Хиггс», говорит о том, что, возможно, суперсимметрия еще может быть найдена, — пояснил «Газете.Ru» старший научный сотрудник Института теоретической и экспериментальной физики и член коллаборации CMS Андрей Крохотин. — Есть небольшой намек на сигнал, причем как у ATLAS, так и у CMS, но не более того. Значимость очень небольшая.
Это скорее намек. Может оказаться, что там что-то и есть, но так же легко все еще может рассосаться.
Может оказаться, что бозон Хиггса вообще не найдут, так как пока лишь показано, что если бозон Хиггса существует, то он не очень тяжелый. Если «Хиггса» не найдут, это будет еще интереснее. Если бозона Хиггса нет, то это будет абсолютно точно понятно в следующем году».
«Обе группы видят, причём сразу по нескольким продуктам распада, слабые сигналы, отвечающие примерно одинаковой массе бозона около 130 масс протона. Слова «слабый сигнал» означает, что число событий распада не сильно превышает естественный фон для таких событий, который был бы и так, даже если бы никакого бозона Хиггса вообще не было. Поэтому физики говорят не об открытии, а только о вероятности НЕоткрытия – она сейчас составляет примерно такую же вероятность как если бы при бросании монетки «орёл» выпал подряд пять раз. Мы понимаем, что такое случается, даже если монетка идеально ровная. Так что может быть, что бозон Хиггса «видят», а может быть, что это случайная вероятностная флуктуация, — пояснил «Газете.Ru» Дмитрий Дьяконов, зав. сектором теоретической физики высоких энергий Петербургского института ядерной физики. — Нужно больше измерений, больше статистика, чтобы подтвердить или опровергнуть существование бозона Хиггса в этой области масс».
Завершился семинар финальной ремаркой директора CERN Рольфа Хойера: «Это предварительные результаты. Больше данных у нас будет в 2012 году. Мы еще ничего не нашли и не опровергли. Всех с Рождеством!»
«По существу, то, что сейчас принято называть «механизмом Хиггса», было придумано Гинзбургом и Ландау в 1950 в той же статье про сверхпроводимость, за которую В.Л. Гинзбург много лет спустя получил Нобелевскую премию.
«Явление Хиггса» — это то же самое, что эффект Мейсснера в сверхпроводниках, в просторечии именуемый «гроб Магомета»: фотон приобретают массу, магнитное поле не проникает в сверхпроводник, который поэтому «зависает» в воздухе, если его поместить в магнитное поле, — обратил внимание на этот факт Дмитрий Дьяконов. — Другой великий физик, американец Филлип Андерсон, тоже отмеченный печатью гения, в 1962 предложил использовать механизм Гинзбурга - Ландау в физике частиц. Современная версия всё той же идеи была предложена одновременно и независимо в работах трёх групп авторов в 1964 году: 1) Robert Brout и Francois Englert, 2) Peter Higgs, 3) Gerald Guralnik, C.R. Hagen, и Tom Kibble. Но термин «механизм Хиггса», «бозон Хиггса» исторически выделил лишь одного из многих причастных физиков – видимо потому, что так говорить короче».
