Уловимая масса

Нобелевская премия-2013 по физике присуждена Питеру Хиггсу и Франсуа Энглеру, которые смогли объяснить, почему элементарные частицы обладают массой. В 1960-е годы ученые пришли к схожим выводам независимо друг от друга. Но именно Хиггс предположил возможность существования новой частицы - бозона, который позже был назван в его честь. Их теория подтвердилась в 2012 году.

Известно, что наш материальный мир состоит из элементарных частиц. Науке их известно 12 типов - шесть кварков и шесть лептонов. Кварки участвуют в сильных взаимодействиях, из них состоят протоны и нейтроны, из которых, в свою очередь, образованы атомные ядра. Лептоны, напротив, характеризуются слабым взаимодействием, и из них состоят электроны. Также науке известно три типа взаимодействий: сильное, которое позволяет атомам не разваливаться, образуя вещество, электромагнитное, посредством которого Солнце передает нам свою энергию, и, наконец, слабое, ответственное за распад атомов, благодаря которому и происходит ядерная реакция на Солнце. Но когда ученые математическими методами формулируют взаимодействия, возникает понятие симметрии. Казалось бы, все просто. Однако законы симметрии запрещают элементарным частицам иметь массу. И вот здесь возникает парадокс: раз законы симметрии запрещают частицам иметь массу, то откуда же тогда она берется у всех физических тел, начиная от атомов? Для объяснения парадокса и возникла идея некоего особого поля или среды, в которой начинают вязнуть элементарные частицы. И чем сильнее взаимодействие частиц и среды, тем медленнее частица прорывается сквозь нее и тем большей массой в результате обладает.

Идея о существовании вязкого поля пришла в голову не одному Питеру Хиггсу. Схожую гипотезу в начале 60-х годов высказали бельгийские ученые Робер Браут и Франсуа Энглер, чуть позже - американцы Дик Хаген, Джеральд Гуральник и британец Том Киббл, независимо друг от друга разработавшие теоретические основы механизма образования массы. Тем не менее поле было названо в честь Питера Хиггса, на тот момент - никому неизвестного преподавателя Эдинбургского университета, который изложил свою теорию в наиболее сжатом виде. Между прочим, бельгиец Роберт Браут не вошел в число нобелевских лауреатов-2013 по физике наряду с Хиггсом и Энглером только потому, что он скончался в 2011 году, а нобелевскую премию, как известно, не дают посмертно.

Труднее было с доказательствами теории. Дело в том, что, по правилам квантовой механики, отягчающая среда, предсказанная Хиггсом, является не чем иным, как электромагнитным полем, состоящим из квантов - особых частиц, которые, согласно принципам корпускулярно-волнового дуализма, являются одновременно и частицей, и волной. Кванты поля Хиггса получили название бозонов - таково общее название для всех частиц, при помощи которых осуществляется взаимодействие между кварками и лептонами (в свою очередь, название бозонам дал индийский физик Шатьендранат Бозе). Таким образом, идея эксперимента, призванная доказать теорию Хиггса, Энглера и Браута, состояла в следующем: если в современном мире любой протон состоит из самого протона и прилипшего к нему бозона Хиггса, то почему бы мощным ударом их не разбить? Тогда физики, по идее, должны были бы увидеть собственно сам освобожденный протон, который без отягчающей среды превратится в фотон света и нечто еще, некое движение, частицу, которая превратится в другой фотон. Вот он, собственно, и будет искомым бозоном Хиггса.

Первые эксперименты по его выявлению в начале 80-х на самом первом коллайдере SPS, построенном в Европейской организации по ядерным исследованиям CERN (Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire). Конечно, бозон Хиггса найти тогда не удалось, зато физики доказали существование W и Z бозонов - переносчиков слабого взаимодействия. В дальнейшем настал черед Большого электрон-позитронного коллайдера (LEP), построенного в CERN в долине Женевского озера на глубине 100 метров (сейчас как раз на месте LEP работает уже Большой адронный коллайдер). Эксперименты шли долгих 11 лет, а их практическим результатом стало доказательство того факта, что бозон Хиггса не может обладать массой менее 115 гигаэлектрон-вольт на квадрат скорости света.

Следующим в эстафету гонки за бозоном включился Теватрон - мощный кольцевой ускоритель-коллайдер, расположенный в национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми недалеко от Чикаго. Американцы за 17 лет работы сделали много открытий, но бозон Хиггса был неуловим. С другой стороны, благодаря Теватрону у физиков возникло понимание, что бозона Хиггса не существует и на другом конце  гипотетической шкалы масс - с 600 до 130 гигаэлектрон-вольт. То есть остался неисследованным только небольшой диапазон возможных масс - от 115 до 130 ГэВ. Однако для экспериментов в таком диапазоне требовался особый ускоритель, который мог бы разогнать частицу до субсветовой скорости. Многие ученые были уверены, что человечество так никогда и не сможет найти доказательств теории Хиггса. К примеру, в 2000 году два знаменитых физика - Стивен Хокинг и Горди Кейн, директор Мичиганского центра теоретической физики, - поспорили на 100 фунтов стерлингов, что частица Хиггса никогда не будет найдена ни в CERN, ни где-либо еще, так как ускорительная физика не сможет преодолеть необходимого барьера мощности. Тем не менее ровно год спустя в Женеве началось строительство самого мощного из всех когда-либо существовавших ранее ускорителей - Большого адронного коллайдера, на котором было доказано существования новой частицы в области масс около 126 ГэВ.