Вопрос ученому: неуловимый мистер Хиггс

Неизвестно, что больше волнует простых обывателей: важность самого бозона или количество миллиардов, потраченных на его «открытие». В июле физики ЦЕРНа объявили: открыта новая частица — бозон Хиггса. Что это такое, и почему данное открытие так важно, мы спросили у доктора физико-математических наук, профессора ТГУ Алексея Шарапова. Ведь даже тем, кто с физикой сталкивался только в школе, не мешало бы понять: наука не стоит на месте.

Напоминаем: если вам есть, что спросить у ученых, пишите в комментариях или на почту nau4ka@vtomske.ru. Ваши вопросы мы зададим экспертам в самых разных областях науки и опубликуем на портале.

Алексей Шарапов, доктор физико-математических наук, профессор ТГУ:

— Согласно современным физическим представлениям элементарные частицы являются теми мельчайшими кирпичиками материи, из которых строится весь окружающий нас мир. Каждая элементарная частица обладает своими свойствами и характеристиками: массой, зарядом, спином и так далее. Весьма условно все частицы можно разбить на два больших класса — частицы материи и частицы-переносчики взаимодействия. Примерами частиц материи являются электрон, входящий в состав всех атомов, а также кварки, из которых строятся протоны и нейтроны, составляющие, в свою очередь, ядра атомов. Примером частицы-переносчика взаимодействия являются фотон или частица света. Роль частиц-переносчиков — в том, что они создают силы, действующие между частицами материи. Именно эти силы скрепляют материю, не давая ей распасться на части.

Примерно в середине 50-х годов прошлого века двумя американскими физиками Чженьнином Янгом и Робертом Миллсом была предложена модель, которая единообразно описывала как частицы материи, так и частицы-переносчики взаимодействия. Эта модель была основана на некотором фундаментальном принципе симметрии. Дело в том, что все частицы, обладающие одинаковыми характеристиками — массой, зарядом и так далее, физически неразличимы. Поэтому их можно заменять друг на друга и «смешивать» без каких-либо наблюдаемых последствий. Более того, в модели Янга-Миллса это можно было делать в каждой точке пространства и в каждый отдельный момент времени. Модель Янга-Миллса также разрешала часть трудностей других моделей, в ней впервые стало возможно проводить вычисления и делать предсказания — рассчитывать процессы рассеяния частиц. Эта теория была настолько элегантной, что физикам сразу же захотелось применить ее для описания реально наблюдаемого мира. Но тут же возникла трудность — в силу своей высокой симметрии эта модель требовала, чтобы все частицы-переносчики взаимодействия не имели массы*.

К моменту создания Янгом и Миллсом их теории уже было известно, что некоторые частицы-переносчики взаимодействия действительно являются безмассовыми, а другие, наоборот, имеют массу. Все это явно не вписывалось в предлагаемую модель. Выход из затруднительной ситуации был найден английским физиком Питером Хиггсом. Он предложить ввести в игру еще одну дополнительную частицу — позднее названную бозоном Хиггса, роль которой состояла в том, чтобы придавать массы некоторым другим частицам. При этом все замечательные свойства симметрии в модели Янга-Миллса сохранялись. Такой способ порождения массы у частиц был назван механизмом Хиггса. Следует отметить, что подобного рода идеи высказывались в то время и другими учеными, работающими в смежных областях теоретической физики, например, в теории твердого тела. Однако Хиггсу впервые удалось реализовать этот механизм в рамках квантовой теории поля.

Идею механизма Хиггса обычно поясняют с помощью следующей аналогии. Возьмем бутылку правильной формы — тело вращения — с вогнутым вовнутрь дном и строго по оси симметрии бросим в нее шарик. Падая, в первый момент шарик коснется дна бутылки строго по центру, но потом откатится в сторону к стенке, поскольку положение равновесия на вершине выпуклости является неустойчивым. В данном случае бутылка и шарик — эта физическая система. Условия задачи и уравнения движения шарика полностью симметричны, однако конечный результат несимметричен: шарик оказывается в стороне от оси симметрии. При этом, в каком именно месте у края дна окажется шарик, заранее сказать нельзя. Об этой ситуации физики говорят как о «спонтанном нарушении симметрии». Такого нарушения симметрии, очевидно, не произойдет, если использовать «неправильную» бутылку с выпуклым наружу дном. В этом случае шарик достиг бы дна и остался в покое (устойчивое состояние равновесия), а вся система сохранила вращательную симметрию.

Так вот, исходная модель Янга-Миллса — это неправильная бутылка, а добавление в нее бозона Хиггса соответствует бутылке с вогнутым дном. Спонтанное нарушение симметрии приводит к тому, что некоторые частицы-переносчики взаимодействия обретают массу.

Охота за бозоном Хиггса велась более 40 лет. По иронии судьбы, будучи ответственным за массы других частиц, сам бозон Хиггса не имел определенной массы, вернее, точное значение его массы теорией не предсказывалось. Ясно было только одно — эта частица должна быть достаточно тяжелой, иначе бы ее обнаружили уже в самых ранних экспериментах. Дело в том, что для создания частиц большой массы в ускорителях необходимо затратить большую энергию. Таких энергий удалось достичь только недавно на большом адронном коллайдере в Швейцарии. В результате эксперимента, когда протоны на огромной скорости сталкивались друг с другом и распадались на осколки, было зафиксировано образование новой частицы, совпадающей по своим свойствам с предсказанным бозоном Хиггса. Масса бозона Хиггса оказалась примерно в 133 раза больше массы протона.

Бозон Хиггса стал последним элементом в физике элементарных частиц, сделавшим всю картину законченной. С этим открытием существование всех частиц, входящие в так называемую «Стандартную модель», можно считать экспериментально доказанным.

*Примечание. Здесь нужно сделать некоторые пояснения. Обычно считается, что любое тело, большое или маленькое, обладает какой-то массой. Нет массы — нет материи. При этом во всех физических или химических процессах полная масса вещества непременно сохраняется. В квантовой теории поля это уже не так. Существуют частицы, не имеющие массы. Простейшим примером такой частицы является уже упоминавшийся фотон — частица света. Кроме того, в мире элементарных частиц закон сохранения массы не работает. Согласно знаменитой формуле Эйнштейна масса может переходить в энергию и наоборот. Широко известным примером первого процесса является взрыв атомной бомбы, где часть массы плутония превращается в энергию взрыва. На больших ускорителях происходит обратное превращение — разогнанные до околосветовых скоростей частицы сталкиваются друг с другом, распадаются на частицы-осколки, при этом суммарная масса осколков может быть больше суммарной массы исходных частиц. Это означает, что часть кинетических энергий сталкивающихся частиц превратилась в массу новых частиц-осколков. Наличие или отсутствие массы у частиц-переносчиков взаимодействия существенно сказывается на характере создаваемых ими сил. Силы, переносящиеся безмассовыми частицами, являются дальнодействующими, то есть способны проявляться на очень больших расстояниях, как, например, сила отталкивания между двумя одноименными зарядами в законе Кулона. Напротив, силы, передающиеся массивными частицами, короткодействующие - их влияние становится заметным только, если частицы материи подходят очень близко друг к другу.

Что почитать по теме:

http://elementy.ru/LHC/HEP
http://elementy.ru/LHC/HEP/higgs_theory/explanations
http://victorpetrov.ru/igor-ivanov-xiggsovskij-bozon-otkrytie-i-plany-na-budushhee.html
http://www.ph.ed.ac.uk/higgs