«Частица на краю Вселенной»

Частица на краю Вселенной (fb2) - Частица на краю Вселенной [Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира] (пер. Татьяна Ю. Лисовская) 6577K скачать: (fb2) - (epub) - (mobi) - Шон Майкл Кэрролл

Шон Кэрролл Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира

Universum

О науке, ее прошлом и настоящем, о великих открытиях, борьбе идей и судьбах тех, кто посвятил свою жизнь поиску научной Истины

Sean Carroll

The Particle at the End of the Universe

How the Hunt for the Higgs Boson Leads Us to the Edge of a New World

Деривативное электронное издание на основе печатного аналога: Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира / Ш. Кэрролл; пер. с англ. Т. Лисовской. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015. –352 с.: ил., [16] с. цв. вкл. – (Universum). – ISBN 978-5-9963-1368-6.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации

Copyright © 2012 by Sean Carroll. All rights reserved.

© Перевод на русский язык, оформление. БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015

* * *

Моей матери, однажды приведшей меня в библиотеку

Люди недооценивают влияние новой реальности.

Джо Инкандела, руководитель коллаборации CMS Большого адронного коллайдера

Пролог

В 2008 году в помещении швейцарского консульства в Сан-Франциско проходил прием. Повод был вполне серьезный: в подземном туннеле Большого адронного коллайдера (БАКа), расположенного под Женевой, пучок протонов впервые совершил полный оборот. С этого момента БАК, огромный ускоритель частиц, расположенный на границе Франции и Швейцарии, в полную силу приступил к поискам разгадок тайн Вселенной.

Шампанское лилось рекой, и у Джоан Хьюэтт закружилась голова. Она давала интервью перед видеокамерой, гул голосов мешал ей говорить, но с лица не сходила радостная улыбка. Когда она, чеканя каждое слово, произнесла: «Я ждала этого дня целых. Двадцать. Пять. Лет», голос ее звенел от волнения.

Это действительно был волнующий момент. Физики элементарных частиц, наконец, получили долгожданный, так необходимый им гигантский ускоритель частиц, способный сталкивать друг с другом протоны с очень высокими энергиями. Ученые долго объясняли всем, что без этого ускорителя невозможно сделать следующий шаг вперед. Одно время они рассчитывали, что ускоритель будет построен в США, но судьба распорядилась иначе. Конгресс США впервые одобрил проект строительства Сверхпроводящего суперколлайдера (ССК) в Техасе в 1983 году. Было объявлено, что ССК начнет работать к 2000 году, он должен был стать самым большим из всех когда-либо построенных коллайдеров. Хьюэтт в 1983-м только поступила в аспирантуру и, как и множество других блестящих и амбициозных физиков ее поколения, надеялась, что будущие открытия на ССК положат начало ее научной карьере.

Но проект ССК закрыли, и тем самым из-под физиков выдернули стул – ведь они так рассчитывали, что этот суперускоритель придаст мощный импульс развитию физики элементарных частиц на ближайшие десятилетия. Но на пути встала политика, бюрократия и внутренние распри. И вот наконец-то БАК, во многих отношениях похожий на то, чем должен был стать ССК, готов к запуску, а уж Хьюэтт и ее коллеги были к этому готовы давно. Джоан рассказывает: «Последние 25 лет я только тем и занималась, что собирала все сумасшедшие теории и рассчитывала их “подписи” (то есть определяла, какие новые частицы эти теории предсказывали на колллайдерах – сначала ССК, а потом и БАК)».

Была и еще одна, глубоко личная причина того, что у Джоан закружилась голова. На видеозаписи интервью видно, что ее рыжие волосы острижены очень коротко – почти под ноль. Это не потому, что такова была мода в то время. Несколько раньше в том же году у нее диагностировали агрессивную форму рака груди. Шансы смертельного исхода в этом случае один к четырем. Она выбрала чрезвычайно интенсивную программу лечения, включающую жесткую химиотерапию и бесчисленные хирургические операции. Ее гордость – копна рыжих волос, иногда доходивших до пояса, – быстро исчезла. Джоан Хьюэтт со смехом рассказывала мне, что иногда для того, чтобы не упасть духом, она представляла себе, какие новые частицы могут быть найдены на БАКе.

Мы с Джоан были друзьями и коллегами в течение многих лет. Моя узкая специальность – космология – изучение Вселенной как целого. У космологии недавно начался золотой век – она обогатилась новыми данными и неожиданными открытиями. А физика элементарных частиц, в последнее время ставшая неотделимой от космологии, напротив, остро нуждалась в новых экспериментальных результатах, которые бы помогли разобраться со старыми теориями и привели нас к новым идеям. Ожидание, казалось, длилось целую вечность. На том приеме 2008 года еще одного физика – Гордона Уоттса из Вашингтонского университета – спросили, не испытывал ли он стрессов из-за такого долгого ожидания запуска БАКа. Он ответил честно: «Испытывал, и сильные. У меня в результате появилась уйма седых волос. Жена утверждает, что это из-за нашего сына, но я-то знаю – это из-за БАКа».

Физика элементарных частиц стоит на пороге новой эры, и, видимо, очень скоро некоторые теории вот-вот исчезнут, а другие, если повезет, окажутся правильными. У каждого физика из присутствовавших на приеме, имелись свои любимые модели – бозон Хиггса, суперсимметрия, техниколор (техницвет), дополнительные измерения, темная материя… Целая уйма экзотических идей и их еще более фантастических применений.

«Я надеюсь, что БАК найдет как раз то, чего в этом списке нет, – говорит Хьюэтт с энтузиазмом, – и, честно говоря, верю, что он преподнесет нам настоящий сюрприз, потому что, мне кажется, Природа умнее нас, и у нее уже припасено некоторое количество загадок, а мы чудесно проведем время, пытаясь их разгадать».

Это было в 2008 году. А к 2012 году вечеринка, посвященная инаугурации БАКа в Сан-Франциско, уже осталась в прошлом, и началась эра открытий. Волосы Джоан отросли. Лечение было мучительным, но оно, кажется, подействовало. И эксперимент, которого она ждала всю свою научную жизнь, вершит историю. После двух с половиной десятилетий занятий чистой теорией Хьюэтт наконец сможет проверить свои идеи на реальных данных – увидеть частицы и взаимодействия, которых никогда не видел ни один человек, и раскрыть секреты, которые природа тщательно скрывала от нас. До последнего времени.

А теперь перенесемся в июль 2012 года – на Международную конференцию по физике высоких энергий. Эта конференция проходит каждые два года, причем в разных городах и странах. В 2012 году она проходила в Мельбурне, в Австралии. Сотни специалистов в области физики элементарных частиц, включая Джоан, 4 июля заполнили главную аудиторию, готовясь принять участие в специальном семинаре. Вот-вот все инвестиции в БАК должны были окупиться, а все ожидания, накопившиеся за годы, оправдаться.

Сама презентация в Мельбурне транслировалась из ЦЕРНа – научного центра в Женеве, к которой относится БАК. Программой Мельбурнской конференции было предусмотрено два доклада. В последний момент устроители конференции решили, что в событии такой важности должно участвовать множество людей – и все те, кто помогал добиться такого успеха. И этот жест был оценен – сотни физиков приехали в ЦЕРН за несколько часов начала заседания, назначенного на 9 утра по женевскому времени, причем некоторые, чтобы успеть занять удобное место, даже провели ночь под открытым небом в спальных мешках.

Открыл заседание Рольф Хойер, генеральный директор ЦЕРНа. Объявлено, что будет два доклада – американского физика Джо Инкандела и итальянского физика Фабиолы Джанотти, руководителей двух основных экспериментов, занимавшихся сбором и анализом данных на двух самых больших детекторах БАКа. Каждая из этих коллабораций включает более трех тысяч сотрудников, большая часть которых работала на своих компьютерах, сидя в самых разных частях света. Заседание транслировалось в прямом эфире не только в Мельбурне – его смог посмотреть каждый человек на планете, пожелавший услышать доклады. Для этого праздника Большой науки, призванного отметить грандизное достижение, потребовавшего огромной высококвалифицированной работы всего международного сообщества, ставки в которой были высоки, а призы – достойны, круг участников был выбран правильно.

Заметно было, что нервничали оба докладчика – и Джанотти, и Инкандела, но их презентации говорили сами за них. Каждый вначале выразил сердечную благодарность многочисленным инженерам и ученым, которые участвовали в проведении экспериментов. Затем Джанотти и Инкандела подробно объяснили, почему следует верить результатам, о которых они собираются рассказать, продемонстрировав, что они отлично знают, как работают их установки. И только после того, как была безукоризненно изложена эта часть, докладчики показали, что же все-таки было найдено.

И вот они – эти результаты. Несколько графиков, которые покажутся неискушенному взгляду неинтересными, но на них видна систематически повторяющаяся особенность: при некоторых определенных энергиях видно большее количество событий (наборов частиц, образующихся при одном столкновении), чем ожидалось. Все физики в аудитории немедленно понимают, что это значит: появилась новая частица. Действительно, на Большом адронном коллайдере обнаружено уникальное явление природы, которое никогда до этого не видели! Инкандела и Джанотти объясняют, какой кропотливый статистический анализ был проведен для того, чтобы отделить реальные события от случайных статистических флуктуаций. Результаты в обоих случаях недвусмысленно доказывают: эффект реально есть.

Раздались аплодисменты. И в Женеве, и в Мельбурне, и по всему миру. Результаты были такими точными и прозрачными, что даже ученые, многие годы занимавшиеся экспериментом, были поражены. Лин Эванс – физик из Уэллса, который более чем кто-либо другой сделал для того, чтобы без потерь провести этот гигантский корабль – БАК – через рифы к конечной цели, заявил, что он «ошеломлен» превосходным согласием между двумя экспериментами.

Я сам, притворившись журналистом, был в этот день в пресс-центре ЦЕРНа, рядом с главной аудиторией. Журналисты как правило не аплодируют новостям, которые они освещают, но в тот день собравшиеся в пресс-центре тоже поддались захлестнувшим всех эмоциям. Это был не просто успех ЦЕРНа и физики в целом – это был успех всего человечества.

Мы полагаем, что понимаем, что нашли, а именно – элементарную частицу, называемую бозоном Хиггса в честь шотландского физика Питера Хиггса. Хиггс сам тогда находился в ЦЕРНе, в аудитории для семинаров. Ему к тому времени исполнилось 83 года. Он был заметно растроган и все повторял: «Никогда не думал, что увижу это на своем веку». Здесь же присутствовали и еще несколько пожилых физиков, предложивших, как и Хиггс, похожие идеи в том же 1964 году. Не всегда ясно, почему теории называются так или иначе, и это не всегда бывает справедливо, но в тот торжественный момент успех всех объединил.

Так что же такое бозон Хиггса? Это фундаментальная частица природы, которых не так-то и много, но это еще и частица особого рода. Современная физика элементарных частиц знает всего три вида частиц. Есть частицы вещества – такие, как электроны и кварки, составляющие атомы, из которых в свою очередь состоит все, что мы видим вокруг. Есть частицы-переносчики взаимодействия – гравитационного, электромагнитного и ядерного, – которые заставляют частицы вещества держаться вместе. И, наконец, есть бозон Хиггса, образующий свою собственную особую категорию.

Важность бозона Хиггса не в том, что он есть, а в том, что он делает. Частица Хиггса возникает в поле, пронизывающем все пространство, называемом полем Хиггса. В известной нам Вселенной все, что проходит сквозь пространство, движется в поле Хиггса, которое есть везде и всегда. На общим фоне его не видно, однако оно очень важно: без него электроны и кварки были бы безмассовыми, как безмассовы фотоны – частицы света. Они бы летали со скоростью света, не взаимодействовали бы друг с другом, и было бы невозможно собрать их в атомы и молекулы, не говоря уже о том, что жизнь в нашем ее понимании была бы абсолютно невозможна. Поле Хиггса не играет активной роли в поведении обычной материи, но его присутствие в виде фона играет ключевую роль. Без него мир бы был другим. И вот теперь мы это поле нашли.

Несколько слов в порядке предостережения. То, что мы нашли, на самом деле свидетельствует о существовании частицы, очень похожей на бозон Хиггса. Она имеет правильную массу, рождается и распадается примерно так, как, по нашим представлениям, должен вести себя бозон Хиггса. Но еще слишком рано говорить с уверенностью, что мы обнаружили именно тот самый простой бозон Хиггса, предсказанный первоначальными теориями. Это может быть что-то более сложное, или эта частица может быть частью сложного набора связанных между собой частиц. Однако ученые определенно нашли некую новую частицу, и она ведет себя так, как, мы думаем, должен себя вести бозон Хиггса. В этой книге я буду считать 4 июля 2012 года днем объявления об открытии бозона Хиггса. Если реальность окажется более сложной, тем лучше для всех – физики же жить не могут без сюрпризов.

Ученые очень надеются, что открытие бозона Хиггса явит собой начало новой эры в физике элементарных частиц. В науке есть много такого, что мы сейчас не понимаем, а изучение бозона Хиггса может приоткрыть окно в новый, невиданный мир. Экспериментаторы, и среди них Джанотти и Инкандела, получили новый объект для изучения, а теоретики вроде Хьюэтт – новые подсказки для построения более совершенных моделей. Мы сделали огромный шаг вперед в понимании Вселенной, которого долго ждали.

Эта книга – о людях, которые посвятили свою жизнь изучению основ нашего мира, где бозон Хиггса является важнейшим элементом. О теоретиках, которые сидят за столами с ручками и бумагой и прокручивают в своих головах абстрактные идеи, черпая энергию в чашечках эспрессо и жарких спорах с коллегами. Об инженерах, конструирующих установки, напичканные электроникой, превосходящей по уровню сложности все существующие технологии. И, самое главное, об экспериментаторах, стремящихся открыть что-то новое, объединив мощь ускорителей и теоретических идей. Современная физика – та, что находится на переднем крае науки, – двигается вперед благодаря проектам, стоящим миллиарды долларов и длящимися десятилетия, требующим исключительной самоотдачи и готовности к высоким рискам ради познания мира – награды, с которой ничто не может сравниться. Когда все это сходится вместе, мир меняется.

Жизнь хороша! Так давайте выпьем еще один бокал шампанского.

Глава 1 Зачем нужна физика элементарных частиц

Мы задаемся вопросом: почему группа талантливых и преданных своему делу людей готова посвятить жизнь погоне за такими малюсенькими объектами, которые даже невозможно увидеть?

Физика элементарных частиц – странное занятие. Тысячи людей тратят миллиарды долларов на строительство гигантских машин длиной в десятки километров, разгоняют в них субатомные частицы до скоростей, близких к скорости света, а затем сталкивают друг с другом – и все это для того, чтобы обнаружить и изучить другие субатомные частицы, которые совершенно никому, кроме физиков элементарных частиц, не интересны и в обычной жизни совершенно не нужны.

Однако это обывательская точка зрения. Можно на все посмотреть и иначе: в этих занятиях физиков элементарных частиц в самом чистом виде проявляется человеческое любопытство и желание узнать, как устроен мир, в котором мы живем. Люди задавали подобные вопросы еще в античные времена – более двух тысячелетий назад, и с тех пор тяга к познанию мира переросла в систематические усилия всего человечества, направленные на то, чтобы найти основные закономерности в устройстве Вселенной. Именно наше непреодолимое желание понять мир породило физику элементарных частиц, ведь ее частицы как таковые интересуют нас – истинной целью является присущее людям желание узнать то, чего мы еще не знаем.

И тут начало XXI века стало переломным моментом. Последний по-настоящему удивительный экспериментальный результат с помощью ускорителей частиц был получен в 1970-х годах, то есть более 35 лет назад. (Точная дата зависит от того, что именно считать «удивительным»). Перерыв возник не потому, что экспериментаторы проспали все то время – это совсем не так. В последние годы экспериментальная техника улучшалась не по дням, а по часам, и достигла такой степени совершенства, которая еще совсем недавно казалась недоступной. Но проблема в том, что на этих замечательных машинах ученые не смогли обнаружить ничего такого, что заранее не предсказали теоретики. Настоящих ученых, всегда надеющихся найти что-то новое и удивительное, такое положение вещей очень раздражает.

Другими словами, проблема не в том, что эксперименты были недостаточно совершенными, а в том, что теория была слишком хороша. Тенденция к узкой специализации современной науки привела к тому, что роли «экспериментаторов» и «теоретиков» стали весьма различными, особенно в физике элементарных частиц. Прошли те времена, когда – еще совсем недавно, в первой половине XX века – какой-нибудь гений, вроде итальяца Энрико Ферми, мог сначала создать новую теорию слабых взаимодействий, а затем взяться за конструирование установки, в которой должна была пройти первая самоподдерживающаяся искусственная цепная ядерная реакция. Сегодня все по-другому: теоретики элементарных частиц пишут свои уравнения и в конце концов доводят их до конкретных моделей, а экспериментаторы для проверки правильности этих моделей собирают данные с помощью сложнейшей экспериментальной аппаратуры. Лучшие теоретики пристально следят за результатами экспериментов, а экспериментаторы обычно в курсе последних достижений теоретиков, но никто из них не является специалистом одновременно и в том, и в другом.

1970-е годы ознаменовались важным событием. Была поставлена последняя точка в создании лучшей теории физики элементарных частиц, получившая совсем не соответствующее ее статусу скучное название «Стандартная модель». Стандартная модель – это именно та теория, которая описывает кварки, глюоны, нейтрино и все прочие виды элементарных частиц, о которых вы, возможно, слышали. Как и голливудские знаменитости или харизматичные политики, научные теории могут по воле судьбы как быть вознесены на пьедестал, так и легко с него низвергнуты. Вы не станете знаменитым физиком, доказав правильность чужой теории, но можете прославиться, доказав, что чья-то теория неверна, и предложив лучшую.

Но Стандартная модель остается незыблемой как скала вот уже несколько десятилетий – все эксперименты, которые ученые смогли провести здесь, на Земле, неизменно подтверждали ее предсказания. Целое поколение физиков, работающих в области элементарных частиц, прошли путь от студентов до профессоров, так и не открыв ни одного нового явления. Больше ждать было невмоготу.

Но теперь все стало меняться – появился Большой адронный коллайдер, который ознаменовал собой новую эру в физике: стало возможно сталкивать частицы при энергиях, прежде недоступных человечеству. И это не просто «высокие энергии». Это энергии, о которых ученые мечтали в течение многих лет и которые, надеемся, позволят обнаружить новые, предсказанные теоретиками частицы. А если повезет, нас ждут сюрпризы – ведь в этом диапазоне энергий прячут свои секреты силы, называющиеся «слабыми взаимодействиями».

Ставки высоки. Когда впервые заглядываешь в неизведанное, всякое может случиться. Существует огромное количество конкурирующих теоретических моделей, пытающихся предсказать то, что обнаружит БАК. Однако никогда не знаешь, что увидишь, пока не посмотришь. В эпицентре всех ожиданий находится бозон Хиггса, непритязательная частица, последний недостающий элемент Стандартной модели, и возможно, свет мира, лежащего за ее, Стандартной модели, пределами.

Большая вселенная, сделанная из маленьких кирпичиков

На берегу Тихого океана в Южной Калифорнии, примерно на расстоянии полутора часов езды на машине на юг от моего дома в Лос-Анджелесе, расположено волшебное место, где оживают мечты – страна Лего, Леголэнд. На острове Дино, в Фан-Тауне и в других уголках этой страны дети восхищаются волшебным миром, искусно выстроенным с помощью элементов конструктора лего – крошечных пластиковых блоков, которые могут быть соединены друг с другом бесконечным количеством способов.

Страна Лего во многом похожа на реальный мир. Окружающая нас среда заполнена воздухом, водой и живыми организмами, а также предметами, сделанными из разных веществ: дерева, пластмассы, ткани, стекла, металла. Эти вещества все очень разные, с очень разными свойствами. Но, приглядевшись к ним внимательнее, мы обнаружим, что в действительности все они по существу не слишком отличаются друг от друга. На самом деле они представляют собой просто-напросто различные комбинации небольшого количества фундаментальных строительных блоков. Эти строительные блоки и есть элементарные частицы. Как и здания в Леголэнде, столы, автомобили, деревья и люди представляют собой самые разнообразные конструкции, которые можно сложить из небольшого набора простых элементов, соединяя их друг с другом различными способами. Правда, атом примерно в триллион раз меньше блока Лего, но принципы построения схожи.

Мы считаем само собой разумеющимся, что вещество состоит из атомов. Это то, чему нас учили в школе, а в химических аудиториях, где мы делали опыты, на стене висела периодическая таблица элементов Менделеева. Есть вещества твердые и мягкие, легкие и тяжелые, жидкости и газы, прозрачные и мутные, а есть еще живые и неживые. Они все такие разные, но по существу, состоят из одних и тех же элементов, и это поразительно! В таблице Менделеева около ста атомов, и все вокруг нас – лишь разные их сочетания.

Идея о том, что строение окружающего мира можно объяснить в терминах нескольких основных элементов, довольно стара. В древние времена мыслители разных народов – вавилоняне, греки, индусы и многие другие – придумали удивительно похожие наборы из пяти «элементов», из которых все сделано. Наиболее известные нам – это земля, воздух, огонь и вода. Но был также пятый – небесный элемент – эфир или, иначе, квинтэссенция. (Да, да, именно он дал название фильма с Брюсом Уиллисом и Милой Йовович – «Пятый элемент».) Как и многие другие идеи, идея о пяти элементах была превращена великим Аристотелем в тщательно продуманную систему. Он предположил, что каждый элемент стремится к своему особому естественному состоянию, например земля стремится к падению, а воздух – к подъему. Смешивая элементы в различных комбинациях, можно получить различные вещества, которые находятся вокруг.

Греческий философ Демокрит, предшественник Аристотеля, предположил: все, что мы знаем, состоит из определенных крошечных неделимых частичек, «атомов». К несчастью, в истории так случилось, что этот термин был использован химиком Джоном Дальтоном в начале 1800-х годов для обозначения химических элементов. В результате то, что мы теперь считаем атомом, совсем не является неделимой частичкой – атом состоит из ядра, в свою очередь состоящего из протонов и нейтронов, вокруг которого расположено облако вращающихся электронов. И более того: даже протоны и нейтроны не являются неделимыми – они состоят из более мелких частичек, называемых «кварками».

Кварки и электроны – вот это настоящие атомы в терминах Демокрита, то есть неделимые строительные блоки вещества. Сегодня мы называем их элементарными частицами. Из двух типов кварков, шутливо именуемых «верхними» и «нижними», образованы протоны и нейтроны в атомном ядре. Таким образом, в общей сложности нам понадобится всего лишь три вида элементарных частиц, чтобы составить каждый кусок вещества, из которого сделано все, что нас непосредственно окружает, – электроны, верхние кварки и нижние кварки. Это лучше, чем пять элементов древних греков, и намного лучше, чем больше сотни элементов периодической таблицы.

Сведение всех структурных элементов мира всего к трем частицам – это, конечно, слишком сильное упрощение. Да, электронов, верхних и нижних кварков достаточно для объяснения существования автомобилей, рек и щенков, однако они не единственные обнаруженные учеными частицы. На самом деле есть двенадцать различных видов «частиц материи»: шесть сильно взаимодействующих между собой кварков, которые заперты внутри более сложных образований, таких как протоны и нейтроны, и шесть «лептонов», которые могут существовать и свободно перемещаться в пространстве независимо друг от друга. А еще есть частицы-переносчики взаимодействий, при помощи которых «частицы вещества» удерживаются вместе в тех разнообразных комбинациях, которые мы видим вокруг. Без частиц-переносчиков взаимодействий мир был бы поистине скучным местом – разные частицы просто летали бы в пространстве по прямым, не взаимодействуя друг с другом. Вот тот очень небольшой набор частиц, объясняющий все, что мы видим вокруг нас, но, честно говоря, хотелось бы, чтобы он был еще проще. Физики, работающие сейчас в области элементарных частиц, движимы желанием придумать что-то получше.

Бозон Хиггса

Вот и вся Стандартная модель физики элементарных частиц: двенадцать частиц вещества, плюс группа частиц-переносчиков взаимодействия, необходимых для удержания всех их вместе. Итак, мы собрали все элементы, необходимые для правильного описания мира вокруг нас, по крайней мере здесь, на Земле. Однако когда мы говорим о космосе, то сталкиваемся со свидетельствами существования таких субстанций, как темная материя и темная энергия, постоянно напоминающих нам о том, что мы далеко не все еще понимаем. Эти явления совершенно точно не могут быть объяснены в рамках Стандартной модели.

Почти все частицы Стандартной модели четко делятся на «частицы вещества» и «частицы-переносчики взаимодействий». А вот бозон Хиггса не принадлежит ни одной из этих категорий, он вроде как гадкий утенок среди лебедей. Он был назван в честь шотландского физика Питера Хиггса, который почти одновременно с еще несколькими учеными предложил идею этого бозона еще в 1960-х годах. Переходя на профессиональный язык, можно сказать, что эта частица – переносчик качественно другого взаимодействия, отличающегося от остальных хорошо знакомых нам взаимодействий. С точки зрения физика-теоретика, бозон Хиггса кажется причудливой искусственной вставкой, нарушающей выстроенную красивую структуру. Без бозона Хиггса Стандартная модель была бы воплощением элегантности и совершенства, а его присутствие порождает некоторый хаос, причем найти виновника этого хаоса оказалось довольно сложной задачей.

Так почему же большинство физиков убеждено, что бозон Хиггса должен существовать? Вы можете услышать объяснения типа: «чтобы дать массу другим частицам» или «чтобы разрушить симметрию». Оба объяснения правильны, но с первого раза их трудно воспринять. Главное в том, что без бозона Хиггса Стандартная модель выглядела бы совсем иначе и не описывала бы реальный мир. А с бозоном Хиггса она отражает реальность идеально.

Конечно, физики-теоретики старались изо всех сил, чтобы придумать теории, вообще обходящиеся без бозона Хиггса, либо такие, где этот бозон сильно отличается от описываемого стандартными теориями. Многие из этих теорий потерпели фиаско, не сумев объяснить реальные данные, другие оказались излишне сложными. Ни одна не дотянула до статуса настоящей альтернативной теории.

А теперь мы нашли этот бозон. Или что-то очень похожее на него. В зависимости от того, насколько осторожны физики в своих выводах, они говорят: «Мы обнаружили бозон Хиггса», либо: «Мы обнаружили частицу, похожую на бозон Хиггса», либо даже: «Мы обнаружили частицу, которая напоминает Хиггса». В объявлении от 4 июля 2012 года была описана частица, которая ведет себя почти так, как должен вести себя бозон Хиггса – распадается на несколько других определенных частиц более или менее теми самыми способами, которые и прогнозировались. Но закрывать вопрос еще рано, и когда наберется больше данных, вполне возможны сюрпризы. В глубине души физики не хотят, чтобы это был точно тот Хиггс, которого ждали. Всегда интереснее и увлекательнее найти что-то неожиданное. И уже сейчас в собранных данных есть слабенькие основания для сомнений. Только дальнейшие эксперименты откроют истину…

Почему это важно

Однажды в интервью местной радиостанции я рассказывал о физике элементарных частиц, гравитации, космологии и тому подобном. Это был 2005 год – столетний юбилей Года чудес, того самого 1905 года, в течение которого Альберт Эйнштейн опубликовал сразу несколько работ, перевернувших многие понятия в физике с ног на голову. Я старался изо всех сил, пытался как можно доходчивей объяснить некоторые из этих довольно абстрактных концепций и, даже понимая, что я на радио, а не в телестудии, не мог удержаться и размахивал руками.

Интервьюер казался довольным, но после того, как мы закончили, и он уже убирал свою аппаратуру, ему в голову пришла новая мысль. Он спросил, не мог бы я ответить еще на один вопрос. Конечно, буду рад, сказал я, и он опять вытащил микрофон и наушники. Вопрос был простым: «Почему все, о чем вы рассказывали, должно быть кому-то интересно? Ведь в конце концов ни одно из этих исследований не поможет создать лекарство от рака и не сделает смартфон дешевле».

Ответ, который тогда пришел мне в голову, до сих пор кажется мне не лишенным смысла: «В шесть лет у всех детей возникает много вопросов. Почему небо голубое? Почему вещи падают? Почему некоторые предметы горячее, а другие холоднее? Как это все устроено?» Детей не нужно заставлять интересоваться наукой – они по своей природе стихийные ученые. Это врожденное любопытство выбивают из нас годы школьного обучения и тяготы повседневной жизни. Нас волнует, как устроиться на работу, встретить свою половинку, вырастить детей. Мы перестаем спрашивать, как устроен мир, и начинаем спрашивать, как заставить его работать на себя. Позже я нашел результаты исследований, показывающие, что дети интересуются наукой лишь до 10-14-летнего возраста.

Сегодня, после более 400 лет серьезных научных исследований, мы получили довольно много ответов на вопросы шестилетнего ребенка, живущего внутри каждого из нас. Мы знаем так много о физическом мире, что ответы на оставшиеся неотвеченными вопросы придется искать в очень удаленных местах и экстремальных условиях, во всяком случае в физике. Правда, в таких областях, как биология или нейронауки, точных ответов совсем мало. Но физика, по крайней мере ее часть – физика элементарных частиц, имеющая дело с фундаментальными строительными блоками материи – отодвинула границы познанного столь далеко, что теперь приходится строить гигантские ускорители и телескопы, чтобы искать новые данные, которые не укладываются в наши существующие теории.

Но нужно сказать, что фундаментальные научные исследования, проводимые только ради любопытства, а не для сиюминутной выгоды, ненароком приводят к огромному материальному выигрышу. Еще в 1831 году некий любознательный политик спросил Майкла Фарадея, одного из основателей нашей современной теории электромагнетизма, о пользе, которую можно извлечь из этой новомодной штуки – «электричества». Согласно апокрифу, тот дал следующий ответ: «Я про пользу ничего не знаю, но бьюсь об заклад, что в один прекрасный день ваше правительство обложит его налогом». (Точных доказательств такого обмена репликами нет, но это достаточно красивая история, раз люди продолжают ее рассказывать.) Столетие спустя некоторые величайшие умы того времени, озадаченные загадочными экспериментальными результатами, ниспровергающими базовые основы классической физики, приступили к созданию квантовой механики. В то время она была довольно абстрактной наукой, но впоследствии привела к изобретению транзисторов, лазеров, сверхпроводимости, светодиодов, а также к появлению ядерной энергетики (и ядерного оружия). Без этих фундаментальных исследований наш мир сегодня выглядел бы иначе.

Даже общая теория относительности, блестящая теория Эйнштейна о пространстве и времени, как оказалось, имеет вполне земные приложения. Если вы когда-либо использовали устройство глобальной системы позиционирования (GPS), чтобы найти нужное направление, то вы тем самым использовали общую теорию относительности. GPS, которое теперь можно найти почти в любом сотовом телефоне или в навигационной системе автомобиля, принимает сигналы от спутников и в методе триангуляции использует точную синхронизацию этих сигналов для определения своего местоположения здесь, на Земле. Но, согласно Эйнштейну, часы на орбите (где гравитационное поле слабее) идут немного быстрее, чем на поверхности Земли. Небольшой эффект, что и говорить, но он накапливается. Если «относительность» не принимать во внимание, сигналы GPS будут постепенно отклоняться от правильных значений – всего за один день ошибка в местоположении может достичь нескольких километров.

Однако технологические приложения исследований, несмотря на то что они, безусловно, важны, и для меня, и для Джоан Хьюэтт и для любого из экспериментаторов, которые проводят долгие часы, конструируя приборы и анализируя полученные данные, в конечном счете все-таки не главное. Это замечательно, когда они возникают, и мы не станем высокомерно усмехаться, если кто-то найдет способ использования бозона Хиггса для изготовления лекарства от старения. Но ищем мы его не для этого. Мы ищем, потому что мы любопытны. Хиггс – заключительная частичка пазла, который мы уже страшно долго пытаемся собрать. Нашей наградой и будет собранный пазл.

Большой адронный коллайдер

Мы не нашли бы бозона Хиггса без Большого адронного коллайдера (еще одно навевающее скуку название для воплощенной в железе неизбывной тяги человечества к новым открытиям). БАК является самой крупной, самой сложной установкой из всех когда-либо созданных людьми, и ее строительство обошлось в 9 млрд долларов. Работающие на нем в ЦЕРНе физики надеются, что он сможет продуктивно профункционировать еще около 50 лет. Но ученые не отличаются большим терпением и мечтают прямо сейчас сделать парочку открытий, которые могли бы изменить мир.

БАК – это настоящий Гаргантюа, в каком бы направлении его ни измерять. Он был задуман в 1980 году, а разрешение на его строительство получили только в 1994 году. Он стал ньюсмейкером задолго до запуска. В основном потому, что его строительство попытались остановить с помощью судебных исков на том основании, что он якобы создаст черные дыры, которые поглотят нашу Вселенную. Иски были проиграны, и гигантский коллайдер заработал в начале 2009 года.

13 декабря 2011 года физики и изрядное количество интересующихся непрофессионалов набились в конференц-залы в разных точках земного шара и сгрудились вокруг компьютерных терминалов для того, чтобы послушать доклады двух исследователей – представителей команды БАКа о новостях в поисках бозона Хиггса. Эта тема очень часто обсуждалась на физических семинарах, и в конце почти всегда повторялось заклинание: «Поиск продвигается успешно! Пожелайте нам удачи!» Но на сей раз все было по-другому. В течение нескольких дней перед этим в Интернете циркулировали слухи о том, что мы услышим необычное сообщение, что нам скажут нечто вроде: «Мы действительно увидели что-то. Может быть, мы, наконец, нашли доказательства того, что бозон Хиггса действительно существует».

И это оказалось правдой, были получены некоторые свидетельства того, что на БАКе на самом деле увидели бозон Хиггса. Однако свидетельства, заметьте, не окончательные доказательства. В БАКе сталкивались протоны с невероятно огромными энергиями, и два разных гигантских эксперимента регистрировали частицы, рождающиеся в этих столкновениях. И оказалось, что при определенной энергии два фотона (кванта света) с высокой энергией возникали чуточку чаще, чем этого можно было бы ожидать, если бы никакого бозона Хиггса не было. Это указывало на то, что, скорее всего, что-то действительно происходит, но это еще не было открытием. Рольф Хойер закончил прессконференцию пожеланием: «Увидимся в будущем году, когда, надеюсь, уже можно будет объявить об открытии».

Так оно и произошло. 4 июля 2012 года прошли еще два семинара, и на них была обнародована новая информация. И на этот раз не просто дразнящие намеки – были представлены весомые доказательства того, что новая частица найдена. Сомнения рассеялись. Тысячи физиков во все мире радостно захлопали в ладоши и облегченно вздохнули – БАК доказал свою успешность.

На распутье

В извечном желании человечества лучше понять, как устроена Вселенная, физика элементарных частиц играет роль первопроходца. Сегодня она стоит у критической черты. Это очень дорогая область науки. И ее будущее неясно.

Поиск бозона Хиггса – не просто история про субатомные частицы и эзотерические идеи. Это еще и история про деньги, политику, ревность. Проект, в который вовлечено невероятно много людей, который осуществляется в рамках беспрецедентного международного сотрудничества, и в котором уже использована не одна прорывная технология, не может обойтись совсем без случаев халатности, махинаций, а иногда и мошенничества.

БАК – это не первый гигантский ускоритель элементарных частиц, которому была поставлена задача найти бозон Хиггса. Был Теватрон, построенный в Лаборатории имени Ферми (Фермилабе), расположенной недалеко от Чикаго. Он заработал в 1983 году, но после весьма эффективной работы, которая, в частности, ознаменовалась открытием истинного кварка, в конце концов был остановлен в сентябре 2011 года. Бозон Хиггса Теватрон так и не обнаружил. Был еще Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP), работавший с 1989 по 2000 год в том же подземном туннеле, где сейчас размещен БАК. Вместо относительно массивных протонов, в результате столкновения которых обычно происходят беспорядочные выплески самых разных частиц, LEP сталкивал электроны с их собратьями из антивещества – позитронами. Эта реакция позволила производить очень точные измерения, но ни в одном из них не появился бозон Хиггса.

А потом был Сверхпроводящий суперколлайдер, или ССК, о котором с грустью рассказывала Хьюэтт. ССК был американской версией БАКа, но только больше, лучше, и по плану он должен был заработать первым. Спроектированный в 1980-х годах, ССК, согласно проекту, был призван развивать энергию почти в три раза выше той, что когда-нибудь сможет достичь БАК (и в шесть раз выше той, которую БАК развил на данный момент). Но у БАКа есть огромное преимущество перед ССК: его все-таки построили.

Всего лишь через пару лет после начала работы БАКа он преподнес людям подлинное открытие – частицу, очень похожую на бозон Хиггса. Это открытие ознаменовало конец одной эпохи и начало другой. Бозон Хиггса – не просто еще одна частица. Это особый вид частиц, который мог бы очень естественным образом взаимодействовать с другими видами частиц – теми, которых мы еще не обнаружили. Бозон Хиггса может оказаться перемычкой, соединяющей наш мир с другим, скрытым от нашего взгляда и пока недосягаемым. Теперь, когда эта частица найдена, нам предстоят десятилетия работы, чтобы узнать ее свойства, и понять, куда она сможет нас еще привести.

В долгосрочной перспективе будущее экспериментальной физики элементарных частиц остается неясным. 100 или даже 50 лет назад основополагающие открытия в области физики элементарных частиц делались на таком оборудовании, которое в своей лаборатории мог собрать один ученый с помощниками-студентами. Эти времена, похоже, ушли навсегда. Если БАК кроме бозона Хиггса не откроет нам ничего нового, убедить скептически настроенных политиков в том, что нужно выделить еще больше денег для строительства следующих поколений коллайдеров, станет гораздо труднее.

Такие установки, как БАК, требуют не только инвестиций в миллиарды долларов, но и тысячи человеко-лет работы специалистов, посвятивших свою жизнь тому, чтобы чуть-чуть глубже проникнуть в тайны природы. Таких людей, как Лин Эванс, который много сделал для доведения проекта БАКа до конца, или Джоан Хьюэтт, которая проанализировала бесконечное количество теоретических моделей, или Фабиола Джанотти и Джо Инкандела, которые руководили коллаборациями, совершившими историческое открытие. Все они в этой игре сделали огромные ставки – рискнули всей своей многолетней профессиональной работой и поставили на то, что с помощью этой установки будет открыта новая эпоха великих открытий. Открытие бозона Хиггса – это их награда, подтверждение того, что вся их работа была проделана не напрасно. Но, как Хьюэтт говорит, в действительности они больше всего хотели бы открыть то, чего никто не ожидал.

К счастью, Природа никогда не перестанет нас удивлять.

Глава 2 Прикосновение к божественному

Мы обнаружим, что бозон Хиггса не имеет ничего общего с Богом, но тем не менее очень важен.

Леон Ледерман сразу пожалел о том, что сделал. Он понял, что совершил ошибку, но отыграть обратно уже не удалось. Это одна из тех мелочей, которые приобретают неожиданно важные последствия.

Мы говорим, конечно, о «частице Бога». Не самой частице, которая есть всего лишь бозон Хиггса. А о названии «частица Бога», за которое несет ответственность Ледерман.

Один из самых крупных физиков-экспериментаторов в мире, Ледерман получил Нобелевскую премию по физике в 1988 году: он показал, что в природе существует не один, а по крайней мере два типа нейтрино. Если бы он не получил премию за это, то получил бы за другие достижения, также достойные Нобеля, в том числе за открытие нового вида кварков. (Сегодня нам известны только три типа нейтрино и шесть типов кварков.) В свободное время Ледерман руководил Фермилабом и организовывал Иллинойскую научную академию математики (IMSA). Он вообще харизматичная личность – с великолепным чувством юмора, прекрасный рассказчик. Вот, к примеру, одна из любимых баек Ледермана: будучи аспирантом, он однажды подкараулил Альберта Эйнштейна, гулявшего по территории Института перспективных исследований в Принстоне, и принялся со всем присущим ему жаром рассказывать про свои исследования в области физики элементарных частиц, которыми он тогда занимался в Колумбии. Гений терпеливо выслушал горячего юношу, а затем сказал с улыбкой: «Это не интересно».

Итак, именно он придумал название «частица Бога» для бозона Хиггса, что в научном сообществе расценивается как его не самое удачное деяние. На самом деле Ледерман так назвал популярную книгу про физику элементарных частиц и поиски бозона Хиггса, которую написал в соавторстве с Диком Терези. В первой же ее главе соавторы объясняют, что выбрали такое название отчасти потому, что «издатель не позволил бы назвать бозон “проклятой Богом частицей”, хотя это было бы более подходящим названием, учитывая его гнусный характер и затраты, на которые из-за него приходится идти».

Международное сообщество физиков, как известно, – не самый дружный коллектив, но тут они единодушны: все ненавидят название «частица Бога». Питер Хиггс, шотландский физик, чьим именем традиционно называется частица, говорит со смехом: «Меня действительно сильно раздражала эта книга. И, думаю, не только меня».

Между тем, сообщество журналистов разных стран, которые в силу профессии часто спорят друг с другом, тоже проявляют завидное единодушие в этом вопросе – им как раз очень нравится это название – «частица Бога». Вы можете смело заключать пари (и это пари будет одним из самых беспроигрышных в мире), что, если в СМИ увидите статью про бозон Хиггса, где-то в тексте обязательно найдете словосочетание «частица Бога».

Вряд ли за это можно ругать журналистов. Название «частица Бога» вызывает интерес у публики, а название «бозон Хиггса» кажется скучноватым. Но осуждать физиков нельзя: бозон Хиггса не имеет ничего общего с Богом, это всего лишь частица. Хотя и очень важная, и недаром она возбуждает в душах ученых столь страстное желание ее найти. Но это страстное желание не дотягивает до уровня религиозного экстаза. Однако стоит разобраться, почему у ученых возник соблазн даровать богоподобный статус этой скромной элементарной частице. (Понятно, что они не вкладывали в ее название никакого теологического смысла. Разве кто-нибудь действительно может предположить, что у Бога есть любимчики среди частиц?)

Божественный замысел

Отношения у физиков с Богом давние и сложные. С Богом не только как с гипотетическим всемогущим существом, который создал Вселенную, но и с самим словом «Бог». Когда физики говорят о Вселенной, они часто используют идею Бога, чтобы сказать что-то о физическом мире. Вот и Эйнштейн нередко поминал Бога. Среди наиболее известных цитат этого чрезвычайно часто цитируемого ученого наиболее популярны две: «Я хочу знать мысли Бога, все остальное – детали» и, конечно, «Я убежден, что Бог не играет в кости со Вселенной».

Многие из ученых впали в соблазн подражания Эйнштейну. В 1992 году спутник НАСА, названный COBE (Cosmic Background Explorer), получил удивительные фотографии крошечной ряби на фоновом излучения, оставшемся от Большого взрыва. Джордж Смут, один из исследователей, работавших над проектом COBE, подчеркнул значимость события, произнеся с пафосом: «Если вы религиозны, то это – все равно что увидеть Бога», а Стивен Хокинг в заключительном абзаце своего мегабестселлера «Краткая история времени» и вовсе не постеснялся использовать богословский язык: «Если мы все-таки создадим полную теорию, она со временем станет понятной каждому, а не только нескольким ученым. Тогда мы все – философы, ученые и просто обычные люди – сможем принять участие в дискуссии о том, почему существуем мы и существует наша Вселенная. И если мы найдем ответ на такой вопрос, это станет окончательным триумфом человеческого разума, ибо тогда мы познаем Божественный замысел».

Из истории известно, что некоторые выдающиеся физики были весьма религиозны. Так, Исаак Ньютон – пожалуй, величайший ученый всех времен и народов – был набожным христианином, хотя и гетеродоксом, и провел не меньше времени за изучением и толкованием Библии, чем за занятиями физикой. В XX веке у нас есть пример Жоржа Леметра – космолога, разработавшего теорию «первобытного атома», которая сейчас известна как модель Большого взрыва. Леметр был священником и по совместительству профессором Католического университета в Лёвене (Бельгия). В модели Большого взрыва наша наблюдаемая Вселенная возникла около 13,7 миллиардов лет назад в особый момент времени из точки с бесконечной плотностью. А по христианской версии мир был создан Богом в некий момент времени. Между двумя этими версиями есть очевидные параллели, но Леметр всегда был очень осторожен и не смешивал свои религиозные взгляды с научными. В какой-то момент Папа Пий XII попытался предположить, что «первобытный атом» можно соотнести со словами «Да будет свет!» из Книги Бытия, но Леметр сам уговорил его отказаться от этой аналогии.

В наши дни, однако, большинство физиков гораздо менее склонны верить в Бога, чем люди, не занимающиеся наукой. Если вы станете изучать то, как приспосабливается мир к выживанию в естественных условиях, вы наверняка впечатлитесь тем, как хорошо Вселенная сама справляется с этим – без всякой помощи сверхъестественных сил. Есть, конечно, яркие примеры верующих физиков, но несомненно и то, что реальная физика в своих уравнениях обходится без сверхъестественных допущений.

Разговоры о боге

Так если физики не очень верят в Бога, то почему они продолжают говорить о нем? На самом деле есть два мотива: один получше, другой – похуже.

Лучший состоит в том, что Бог – очень удобная метафора в разговоре о Вселенной. Когда Эйнштейн говорит: «Я хочу знать мысли Бога», он не думает о том сверхъестественном существе, которое, возможно, представляет себе священник. Эйнштейн просто выражает так свое желание понять, как устроен мир. У Вселенной есть одно удивительное свойство: она познаваема. Мы можем изучить все, что происходит с материей во Вселенной в различных обстоятельствах, и найти удивительные закономерности, которые, как нам кажется, никогда не нарушаются. Когда все сомнения в реальности этих закономерностей исчезают, мы называем их «законами природы».

Действующие законы природы очень интересны, но еще интереснее то, что они вообще есть. Законы, известные на сегодняшний день, облечены в точную и элегантную математическую форму. Физик Юджин Вигнер был так восхищен этой особенностью реальности, что заявил: «Результативность математики в естественных науках непостижима». Наша Вселенная не просто сборная солянка из всяких предметов, случайным образом взаимодействующих друг с другом. Она – результат очень целенаправленной и предсказуемой эволюции определенных элементов материи, танец частиц и сил, поставленный гениальным хореографом.

Говоря о «Боге», физики поддаются извечному человеческому стремлению к антропоморфизму, то есть пытаются наделить физический мир человеческими чертами. «Мысли Бога» – это метафора, смысл которой – «основные законы природы». Мы хотим знать, что это за законы. Более того, мы хотели бы знать, могут ли законы природы быть другими. Вдруг открытые нами законы – всего лишь один из вариантов закономерностей, или в нашем мире есть что-то особенное? Вероятно, мы когда-нибудь сумеем, а может быть, и нет, ответить на этот сложнейший вопрос, но он – из тех, что разжигают любопытство настоящих ученых.

Другой мотив, который заставляет ученых поддаться искушению и апеллировать к Богу в своих рассуждениях о бозоне Хиггса, не так высокодуховен – просто это хорошая реклама. Назвать бозон Хиггса «частицей Бога» может быть и чудовищно неточно, но гениально с точки зрения маркетинга. Физики считают название «частица Бога» ужасным и презирают его, но оно привлекает внимание, и именно поэтому им будут продолжать пользоваться, хотя каждый научный журналист точно знает, что физики думают об этом названии.

Название «частица Бога» заставляет людей замолкнуть и прослушать теле– или радиосообщение до конца. После того как это название стало штампом, несомненно, оно будет использоваться всеми, кто попытается объяснить эту эзотерическую концепцию обычной публике, понимая, что кругом масса других претендентов на ее внимание. Допустим, вы рассказываете, что ищете бозон Хиггса, – сразу большинство телезрителей переключатся на другой канал: а вдруг Кардашьяны[1] как раз сейчас отчебучивают что-то невероятное. А теперь, допустим, вы упомянули частицу Бога. Тут, по крайней мере, на ваши объяснения обратят внимание. Кардашьянов можно будет посмотреть и завтра.

Правда, иногда это яркое название создает ученым проблемы. В 1993 году, когда Соединенные Штаты еще не отказались строить Сверхпроводящий суперколлайдер, который должен был стать более мощным, чем БАК, лауреат Нобелевской премии Стивен Вайнберг рассказывал Конгрессу о достоинствах проектируемого ускорителя. В какой-то момент дискуссия приняла неожиданный оборот. Вот фрагмент стенограммы этого заседания.

Харрис Фауэлл, конгрессмен-республиканец от штата Иллинойс: Мне иногда хотелось бы, чтобы все это было описано одним словом, но, похоже, сие невозможно. Я думаю, может быть, доктор Вайнберг, вы подошли немного ближе к этому, и – я не уверен, но я это записал – вы сказали, что подозреваете, все это не случайно, что существуют правила, которые управляют материей, и я законспектировал ваши слова. Но тогда поможет ли это нам найти Бога? Я уверен, что вы не говорили столь определенно, но действительно – позволит ли это нам узнать настолько больше о Вселенной?

Дон Риттер, конгрессмен-республиканец от штата Пенсильвания: Согласится ли джентльмен с этим? Если его машина способна на такое, я поменяю свое отношение и поддержу проект.

Естественно, Вайнберг был не настолько легкомыслен, чтобы на слушаниях в Конгрессе называть бозон Хиггса «частицей Бога». Но соблазн использовать метафору силен, и в разговоре об устройстве мира всегда в какой-то момент кто-нибудь да задаст вопрос, подобный тому, что прозвучал на слушаниях в Конгрессе.

На случай, если у кого-то остались сомнения: ничто из того, что мы можем найти на Большом адронном коллайдере или могли бы найти на Сверхпроводящем суперколлайдере, не поспособствует человеку в поисках Бога. Зато эти исследования приблизят нас к пониманию основных законов природы.

И последнее

Ледерман и Терези дали бозону Хиггса прозвище «частица Бога» не только потому, что знали – это привлечет к нему внимание (хотя такое соображение, вероятно, приходило им в голову). В конце концов броское название вызвало столько же ругательных отзывов, сколько одобрительных. В предисловии к следующему, переработанному изданию своей книги они грустно констатировали: «Название обидело сразу две категории людей: 1) верующих в Бога и 2) не верящих в Бога. Оно понравилось только тем, кто был между».

Вводя в обиход «частицу Бога», они в действительности только старались подчеркнуть важность бозона Хиггса. У книги, которую вы сейчас читаете, чуть-чуть более скромное название… но только чуть-чуть. Честно говоря, когда я сообщаю физикам название книги – «Частица на краю Вселенной», они почему-то не приходят в неописуемый восторг. Насколько мы знаем, у Вселенной нет никакого «края» ни в смысле границы в пространстве, ни в смысле завершающего момента времени. И если бы во Вселенной оказалось такое место, которое можно было бы назвать краем, нет никаких оснований думать, что там мы непременно нашли бы какую-нибудь частицу. А если бы мы все-таки ее нашли, нет никаких оснований рассчитывать, что это будет бозон Хиггса.

Но, опять же, мы имеем дело с метафорой. Бозон Хиггса – это «крайняя частица» не в пространственном или временном смысле, а в смысле познания. Это последний фрагмент головоломки, разгадав которую мы поймем на глубинном уровне, как устроена обычная материя, из которой состоит окружающий нас мир. И это очень важно.

Тут я должен поспешить, чтобы снова не расстроить моих коллег-физиков, и сказать следующее: бозон Хиггса – это отнюдь не недостающий элемент головоломки, в котором содержатся «абсолютно все ответы на все вопросы». Даже после того как бозон Хиггса найден и его свойства изучены, в физике остается еще много непонятного. В первую очередь это гравитация – сила природы, которую мы не можем до конца объяснить с точки зрения квантовой механики, и бозон Хиггса тут нам не помощник. А еще есть темная материя и темная энергия – таинственные субстанции, которые заполняют Вселенную. Есть (точнее, могут быть) и другие, пока гипотетические, экзотические частицы из тех, что любят придумывать физики-теоретики, но свидетельств существования которых в настоящий момент нет. А кроме того, естественно, есть и другие науки, в которых полно собственных проблем, особо не связанных с физикой элементарных частиц, – от атомной и молекулярной физики, химии, биологии и геологии вплоть до социологии, психологии и экономики. После обнаружения бозона Хиггса у человечества не иссякнет желание и дальше познавать мир.

А теперь, после того как мы сделали все эти реверансы, давайте вернемся к описанию особой роли бозона Хиггса – последнего недостающего элемента Стандартной модели физики элементарных частиц. Стандартная модель объясняет все, с чем мы имеем дело в повседневной жизни (кроме гравитации, которую достаточно легко туда вставить). Кварки, нейтрино и фотоны, тепло, свет и радиоактивность, столы, лифты, и самолеты, телевидение, компьютеры и мобильные телефоны, бактерии, слоны и люди, астероиды, планеты и звезды – все это просто разные способы реализации Стандартной модели в различных обстоятельствах, и все в ней прекрасно согласуется одно с другим. С ее помощью объясняется огромное разнообразие экспериментальных данных, но – при одном условии: если существует бозон Хиггса. Без бозона Хиггса, или чего-то еще более экзотического, что могло бы выполнять его функции, Стандартная модель не работает.

Раскрываем секрет фокуса

Есть что-то сомнительное в этих заявлениях о суперважности бозона Хиггса. В конце концов, откуда вообще мы узнали, что он такой важный, до того, как его нашли? Что заставляло нас без конца обсуждать свойства гипотетической частицы, которую никто никогда не наблюдал?

Представьте себе, что вы видите выступление очень талантливого иллюзиониста, выполняющего необычный карточный фокус. Он состоит в том, что иллюзионист заставляет карту парить в воздухе. Этот трюк приводит вас в полное недоумение, поскольку вы абсолютно уверены: иллюзионист, заставляя карты левитировать, не использует сверхъестественные силы. Вы достаточно умны и настойчивы и, немного поразмыслив, придумываете способ, с помощью которого иллюзионист мог бы проделать свой фокус, а именно – прикрепив к карте тонкую невидимую нить. На самом деле не трудно придумать и другие варианты – например, удерживать карты в воздухе с помощью струи теплого воздуха, но сценарий с нитью – самый простой и правдоподобный. Можно пойти и дальше и даже проделать этот фокус дома – проверить, действительно ли с правильной нитью фокус получается не хуже, чем у иллюзиониста.

Потом вы идете на следующее представление этого иллюзиониста и опять видите левитирующие карты. Все в этом фокусе выглядит в точности так же, как в том опыте, который вы проделали дома. Но вот нить в руках иллюзиониста вы не видите!

Бозон Хиггса в Стандартной модели похож на эту нить. Довольно долго мы непосредственно его не видели, а видели только результаты его работы. Или по-другому: мы наблюдали явления, очень хорошо объяснимые в том случае, если он существует, но не имеющие никакого смысла без него. Без бозона Хиггса такие частицы, как, например, электрон, имели бы нулевую массу и двигались бы со скоростью света, а на самом деле у них есть масса и движутся они медленнее. Без бозона Хиггса многие элементарные частицы были бы одинаковыми, а в реальности они очень разные – с различными массами и временами жизни. С бозоном Хиггса все эти ключевые свойства элементарных частиц сразу объясняются.

В подобных обстоятельствах – идет ли речь о картах или о бозоне Хиггса – существует два варианта: либо наша теория правильна, либо существует еще более интересная и сложная теория. Факты налицо: карты левитируют, частицы обладают массой. Этому должно быть объяснение. Если мы его знаем, то можем поздравить себя с тем, что оказались такими умными, а если это нечто более сложное, то нам предстоит узнать что-то очень интересное. Может быть, частица, найденная на БАКе, выполняет только часть тех функций, которые, по нашему предположению, должен выполнять бозон Хиггса, но не все. А может быть, та работа, которую должен выполнять бозон Хиггса, делается несколькими частицами, из которых нашли пока только одну. Что бы там ни было, мы всегда окажемся в выигрыше, но при условии, что нам в конце концов удастся понять, что же происходит в действительности.

Фермионы и бозоны

Давайте посмотрим, сможем ли мы перевести на более научный язык эти метафорические заклинания «группы поддержки» бозона Хиггса, с помощью которых нам демонстрируют его важность, и уже на этом языке объяснить, какую функцию предположительно он должен выполнять.

Частицы бывают двух типов: частицы, из которых составлена материя, их называют фермионами, и частицы-переносчики взаимодействий, называемые бозонами. Разница между ними состоит в том, что фермионам требуется для выживания много места, в то время как бозоны могут жить прямо на головах друг у друга. Нельзя взять горсть одинаковых фермионов и поместить их всех в одном месте – законы квантовой механики не позволят сделать это. Вот почему из фермионов составлены твердые объекты типа столов и планет.

Удивительное дело – чем меньше масса частицы, тем больше места она занимает. Атомы состоят всего из трех типов фермионов – верхних кварков, нижних кварков и электронов, удерживаемых вместе с помощью взаимодействий. Атомные ядра, состоящие из протонов и нейтронов, которые в свою очередь состоят из верхних и нижних кварков, относительно тяжелы и занимают относительно небольшие области пространства. Электроны, напротив, намного легче (около 1/2000 массы протона или нейтрона), но занимают гораздо больше места. В действительности именно электроны в атомах придают веществу присущую ему твердость.

Бозоны вообще не занимают никакого места. Два бозона или два триллиона бозонов – все равно сколько – могут с легкостью разместиться в том же пространстве, сидя прямо друг на друге. Бозоны, частицы, переносящие взаимодействие, вместе могут создать макроскопическое силовое поле типа гравитационного, удерживающее нас на Земле, или магнитного поля, которое заставляет отклоняться стрелку компаса.

Физики обычно считают слова «сила», «взаимодействие» и «связь» практически синонимами. Это отражает одну из глубоких истин, которая открылась физикам в XX веке: силы можно рассматривать как результат обмена частицами. (Как мы увидим позже, можно сказать и так: силы «возникают из колебаний полей».) Когда Луна чувствует гравитационное притяжение Земли, можно сказать, что между двумя этими небесными телами курсируют туда-сюда гравитоны (которые, правда, пока еще не обнаружены). Когда электрон захватывается атомным ядром, это происходит потому, что между ними произошел обмен фотонами. Но взаимодействия также ответственны и за другие процессы, происходящие с элементарными частицами, к примеру за аннигиляцию и распад, а не только за отталкивание и притяжение. Когда распадаются радиоактивные ядра, мы можем приписать эти события работе либо сильных, либо слабых ядерных сил, в зависимости от того, какой распад происходит. Силы в физике элементарных частиц отвечают за множество разнообразных процессов.

Помимо бозона Хиггса, о котором пока умолчим, мы знаем четыре вида сил, каждому из которых отвечает свой тип бозонов. Есть гравитация, очевидно, связанная с частицей, названной гравитоном. Нужно признать, что мы пока реально не наблюдали отдельных гравитонов, поэтому гравитоны часто исключаются из обсуждения Стандартной модели, хотя, конечно, силой тяжести пренебречь нельзя – все мы ее чувствуем ежесекундно и будем чувствовать всегда, если только не улетим в космос. Гравитация является силой, и, согласно основным правилам квантовой механики и теории относительности, обязательно существует частица, связанная с гравитационным взаимодействием. Ее назвали «гравитон».

А еще есть электромагнетизм – в 1800-х годах физики выяснили, что электричество и магнетизм – проявления одной и той же основной силы. Частицы, связанные с электромагнитными взаимодействиями, называются фотонами, и их-то мы все время непосредственно и наблюдаем. Частицы, которые ощущают электромагнитное взаимодействие, – заряженные, а те, которые не ощущают, – нейтральные. Электрические заряды могут быть положительными или отрицательными, причем одноименные заряды отталкиваются друг от друга, а противоположные – притягиваются. Способность одноименных зарядов отталкиваться друг от друга играет невероятно важную роль в устройстве Вселенной. Будь электромагнитные силы исключительно силами притяжения, каждая частица притягивала бы все остальные частицы, и все вещество во Вселенной сколлапсировало бы в одну гигантскую черную дыру. К счастью, кроме притяжения у нас есть еще и электромагнитное отталкивание, и это делает жизнь интересней.

Ядерные силы

У нас есть два типа «ядерных» сил, называемых так из-за того, что в отличие от гравитационного и электромагнитного взаимодействия они действуют только на очень коротких расстояниях, сопоставимых с размером ядра атома или еще меньших. Существует сильное ядерное взаимодействие, которое удерживает кварки внутри протонов и нейтронов, и его частицы носят выразительное имя – глюоны (клейкие частицы). Сильные ядерные силы (естественно) очень сильны, и глюоны взаимодействуют с кварками, но не с электронами. Глюоны имеют нулевую массу, как фотоны и гравитон. Когда взаимодействие переносится безмассовыми частицами, логично предположить, что их влияние распространяется на очень большие расстояния, однако сильное взаимодействие, вопреки ожиданиям, очень короткодействующее.

В 1973 году Дэвид Гросс, Дэвид Политцер и Фрэнк Вильчек показали, что сильное взаимодействие обладает удивительным свойством: чем больше расстояние между кварками, тем сильнее они притягиваются друг к другу. В результате, когда вы пытаетесь оторвать два кварка друг от друга, вам приходится затрачивать все больше и больше энергии, так что в конечном счете выгоднее просто создать новые кварки. Это все равно что пытаться растянуть резиновую нить, на каждом конце которой сидит кварк. Вы можете тянуть за оба конца, но никогда не отделите один конец от другого. А когда при сильном натяжении резиновая полоска порвется, появятся два новых конца. Таким образом, отдельных свободных кварков не существует – они (как и глюоны) обречены на заточение внутри более тяжелых частиц. Эти тяжелые составные частицы, состоящие из кварков и глюонов, называются адронами – именно в их честь БАК получил свое название. Гросс, Политцер и Вильчек в 2004 году получили за это открытие Нобелевскую премию.

Еще есть слабая ядерная сила, которая полностью оправдывает свое название. Хотя слабая сила и не играет большой роли в нашей обычной жизни здесь, на Земле, она, тем не менее, очень важна для существования жизни: именно она, эта сила, заставляет светить Солнце. Солнечная энергия возникает в результате превращения протонов в ядра гелия, для чего сначала требуется превратить некоторые из этих протонов в нейтроны, что и происходит с помощью слабых взаимодействий. Но здесь, на Земле вы не заметите проявления слабых сил, если, конечно, только вы не физик-ядерщик или не специалист в физике элементарных частиц.

Переносчики слабых сил – три различных вида бозонов, их обозначают просто буквами: есть электрически нейтральный Z-бозон и два различных W-бозона – один с положительным электрическим зарядом и один – с отрицательным, их обозначают для краткости W+– и W−-бозоны. W– и Z-бозоны по стандартам элементарных частиц довольно массивные частицы (примерно такие же тяжелые, как атом циркония). Их трудно создать, а разваливаются они невероятно быстро. Оба этих фактора объясняют, почему слабые взаимодействия такие слабые.

В обычной речи мы используем слово «сила» для обозначения совершенно разных вещей. Это и сила трения, возникающая, когда что-то скользит по чему-то, и сила удара при ударе об стену, и сила сопротивления воздуха при падении перышка на землю, – все это мы называем силами. Как можно заметить, ни одна из них не попала в наш список из четырех сил природы, и ни у одной из них нет связанных с ней бозонов. Вот в этом разница между использованием термина в физике элементарных частиц и в повседневной жизни. Все макроскопические силы, которые мы испытываем на себе в повседневной жизни, начиная с той, что прижимает нас к спинке сидения, когда мы нажимаем на педаль газа автомобиля, и до внезапного рывка собачьего поводка в руке, когда собака вдруг видит кошку и срывается с места, – все они в конечном счете являются сложными побочными эффектами действия фундаментальных сил. Все эти повседневные явления, за исключением, правда, силы тяжести (но ее довольно просто отличить – она все тянет вниз), представляют собой просто проявления электромагнетизма и его взаимодействия с атомами. Это колоссальное достижение современной науки – уметь свести огромное многообразие мира, существующего вокруг нас, всего лишь к нескольким простым элементам.

Поля правят миром

Давно было замечено, что одна из этих четырех сил выделяется из прочих своей странностью – это слабая сила. Заметим, что гравитационному взаимодействию соответствуют гравитоны, электромагнитному – фотоны, а сильному взаимодействию – глюоны. По одному виду бозонов для каждой силы. Слабому же взаимодействию соответствуют сразу три различных бозона – нейтральный Z– и два заряженных W-бозона. И сами эти бозоны также ведут себя весьма странно: испуская W-бозон, фермион одного вида может превратиться в фермион другого вида, например нижний кварк может испустить W-бозон и превратиться в верхний кварк. Нейтроны, которые состоят из двух нижних кварков и одного верхнего, распадаются, когда оказываются вне ядра, – один из нижних кварков испускает W-бозон, и нейтрон превращается в протон, который состоит из двух верхних и одного нижнего кварков. Ни одна другая фундаментальная сила не меняет вида частиц, с которыми взаимодействует.

По большому счету слабое взаимодействие – сплошная головная боль. И причина проста – всему виной бозон Хиггса.

Бозон Хиггса в корне отличается от всех других бозонов, которые, как мы увидим в главе 8, возникают из-за какого-либо вида симметрии природы, связывающей происходящее в разных точках пространства. Как только возникает такая симметрия, неизбежно появляется бозон. Но не таков бозон Хиггса. Нет такого базового принципа, который бы требовал его введения, но он тем не менее существует!

После того как 4 июля на БАКе объявили об открытии бозона Хиггса, были предприняты сотни попыток объяснить, что это все должно означать. Сложность проблемы состоит главным образом в том, что на самом деле интересен не столько сам бозон Хиггса, сколько поле Хиггса, которое порождает этот бозон. Из физики, точнее из квантовой теории поля – основного свода законов физиков элементарных частиц, которым ученые неукоснительно следуют, – известно, что все возможные частицы на самом деле возникают из полей. Но квантовой теории поля детей в средней школе не учат. И в популярных книгах по физике она не часто обсуждается. Мы рассказываем о частицах, квантовой механике и теории относительности, но редко вытаскиваем на поверхность лежащие в основе всех этих теорий волшебные свойства квантовой теории поля. Однако, когда речь заходит о бозоне Хиггса, избежать обсуждения решающей роли поля во всех этих процессах уже невозможно.

Когда ученые говорят о «поле», имеется в виду «что-то, что имеет некоторую величину в каждой точке пространства». Температура земной атмосферы является полем – в каждой точке на поверхности Земли (или на любой высоте над поверхностью) воздух имеет определенную температуру. Плотность и влажность атмосферы также являются полями. Но это не фундаментальные поля – это просто свойства самого воздуха. Электромагнитное или гравитационное поля, напротив, считаются фундаментальными. Они не сделаны ни из чего другого, они – то, из чего состоит мир. Согласно квантовой теории поля, абсолютно все сделано из одного поля или комбинации полей, а то, что мы называем «частицами», – крошечные колебания этих полей.

И здесь как раз выходит на сцену «квантовая» часть квантовой теории поля. Можно долго рассказывать о квантовой механике – возможно, самой таинственной теории из всех, когда-либо придуманных человеком, но нам понадобится от нее только одно простое заключение (но с которым так трудно смириться, что даже великий Эйнштейн его не принял): мир, на который мы смотрим, сильно отличается от того, каким он является на самом деле.

Физик Джон Уилер однажды поставил задачу: как наилучшим образом объяснить квантовую механику, используя не более пяти слов? В современном мире технически легко получить варианты ответов на любые вопросы, допускающие короткий ответ. Нужно просто отправить запрос в твиттер, размер сообщений в котором ограничивается 140 символами. Когда я задал в «Твиттере» этот вопрос о квантовой механике, лучший ответ прислал Аатиш Бхатия (@ aatishb): «Не смотришь – волны, смотришь – частицы». Это краткое изложение квантовой механики.

Каждая частица в составе Стандартной модели, если копнуть глубже, оказывается волной колебаний определенного поля. Фотоны – переносчики электромагнитного взаимодействия – это колебания электромагнитного поля, распространяющиеся в пространстве. Гравитоны – это колебания гравитационного поля, глюоны – колебания глюонного поля и так далее. Даже фермионы – частицы вещества – это колебания соответствующего фермионного поля. Существует поле электронов, поле верхних кварков и поля всех других видов частиц. Подобно тому как звуковые волны распространяются в воздухе, колебания распространяются в квантовых полях, и мы их наблюдаем в виде частиц.

Немного раньше мы упомянули о том, что частицы с малой массой занимают больше места, чем частицы с большими массами. Это происходит потому, что частицы на самом деле не маленькие шарики с однородной плотностью, а квантовые волны. Каждая волна имеет длину, и это дает нам общее представление о ее размерах. Длина волны еще и определяет ее энергию: чтобы создать волну с меньшей длиной, требуется больше энергии, так как ее частота больше, и волне приходится меняться от одной точки к другой быстрее. А масса, как давно научил нас Эйнштейн, это всего лишь форма существования энергии. Так что чем меньше масса, тем меньше энергия, тем больше длина волны, тем больше размер. А чем больше масса, тем больше энергия и тем меньше длина волны и меньше размеры.

Уходим от нуля

Поля в каждой точке пространства характеризуются некими величинами. В пустом пространстве эти величины, как правило, равны нулю. Под «пустым» мы подразумеваем то, что оно «настолько пустое, насколько возможно», или – более конкретно – «с минимальным возможным значением энергии». Согласно этому определению, в действительно пустом пространстве такие поля, как гравитационное и электромагнитное, принимают нулевое значение. Если они имеют ненулевое значение, значит, в них запасена энергия, и, следовательно, пространство уже не пустое. Конечно, согласно принципу неопределенности квантовой механики, во всех полях имеются крошечные колебания, но эти колебания происходят вокруг некоторого среднего значения, обычно равного нулю.

Поле Хиггса не такое. Хотя оно и напоминает другие поля и тоже может быть нулевым или принимать некоторое другое значение, поле это не хочет быть равным нулю – оно хочет принять определенное постоянное ненулевое значение везде во всей Вселенной. Энергия поля Хиггса имеет меньшую величину при ненулевом значении поля, чем при нулевом.

В результате пустое пространство оказывается заполненным полем Хиггса. Не сложным набором колебаний, которым соответствует набор отдельных бозонов Хиггса, а именно постоянным полем, составляющим постоянный фон. Это то самое вездесущее поле, которое есть в каждой точке Вселенной и которое делает слабое взаимодействие таким, как оно есть, и наделяет элементарные частицы-фермионы массой. Бозон Хиггса, обнаруженный на БАКе, является колебанием этого поля вокруг среднего значения.

Поскольку частица Хиггса бозон, она связана с силой природы. Две массивные частицы могут пролететь друг мимо друга и провзаимодействовать с помощью обмена бозонами Хиггса точно так же, как две заряженные частицы могут взаимодействовать друг с другом путем обмена фотонами. Но не сила Хиггса наделяет частицы массой, и не вокруг нее поднят весь этот шум. Поле Хиггса, присутствующее везде в качестве фона, – вот что дарит частицам массу. Именно оно обеспечивает среду, через которую движутся другие частицы, и в процессе этого движения влияет на их свойства.

Бозон Хиггса. Основная разница между полем Хиггса и другими полями в том, что его среднее значение в вакууме не равно нулю. Во всех полях из-за имеющихся в квантовой механике соотношений неопределенности возникают малые колебания. Большие колебания воспринимаются нами как частицы.

Перемещаясь в пространстве, мы оказываемся окружены полем Хиггса и движемся в нем. Подобно рыбе, плывущей в воде, мы обычно не замечаем этого поля, но именно оно привносит в Стандартную модель всю присущую ей таинственность.

Промежуточные итоги

Существует большая, глубокая и сложная физика, связанная с концепцией бозона Хиггса. Но прямо сейчас просто подытожим наши познания о том, как поле Хиггса работает и почему оно столь важно. Приступим сразу.

• Мир состоит из полей, пронизывающих все пространство, эти поля мы ощущаем по их колебаниям, которые воспринимаются нами как частицы. Большинство знакомо с электрическими и гравитационными полями, но в соответствии с квантовой теорией поля даже такие частицы, как электроны и кварки, на самом деле представляют собой колебания соответствующих полей.

• Бозон Хиггса есть колебание поля Хиггса, так же как фотон – колебание электромагнитного поля.

• Четыре известные силы природы порождаются разного рода симметриями – то есть изменениями, которые мы можем внести в ситуацию, не повлияв принципиально на результат. (На первый взгляд кажется нелепым, что «изменения, которые не влияют на результат», приводят непосредственно к появлению «силы природы «…но это так, и это было одним из поразительных открытий физики XX века.)

• Симметрия иногда бывает скрытой и потому невидимой для нас. Физики часто говорят, что скрытые симметрии «нарушены», но все еще присутствуют в основных законах физики – просто они завуалированы в нашей каждодневной жизни.

• В частности, слабое ядерное взаимодействие вытекает из определенного вида симметрии. Если бы эта симметрия была ненарушенной, элементарные частицы не имели бы массу и все летали бы со скоростью света.

• Но большинство элементарных частиц имеют массу и не летают со скоростью света, значит, симметрия слабых взаимодействий нарушена.

• Если пространство абсолютно пусто, это означает, что большинство полей выключено, то есть равно нулю. Если поле не равно нулю в пустом пространстве, оно может нарушить какую-нибудь симметрию. В случае слабых взаимодействий эту работу выполняет поле Хиггса. Без него Вселенная была бы совершенно другой.

Ну как, понятно? Признаться, все это действительно трудно сразу воспринять. Но, поверьте мне, все встанет на свои места, когда мы закончим путешествие по остальным главам.

Следующие главы будут посвящены обсуждению идей, которые объясняют механизм Хиггса и методики, использованные при экспериментальных поисках бозона Хиггса. Начнем мы с краткого обзора частиц и сил, укладывающихся в стройную конструкцию Стандартной модели, затем проследим, какие хитроумные приемы применяют физики, чтобы открыть новые частицы, как они используют новейшие технологии и смекалку. Затем опять вернемся к теории, дабы разобраться в полях, симметриях и в том, как поле Хиггса прячет от нас симметрии. И наконец, я расскажу, как бозон Хиггса был обнаружен, как новость об этом облетела мир, кто получил награду и что это значит для будущего.

Становится понятным, почему Леон Ледерман полагал, что название «частица Бога» очень подходит бозону Хиггса. Этот бозон является скрытым элементом машинерии, с помощью которой Вселенная показывает нам фокус, раздавая разным частицам разные массы и делая физику элементарных частиц такой интересной. Без бозона Хиггса замысловатое разнообразие Стандартной модели свелось бы к безликому набору очень похожих частиц без определенных свойств, а все фермионы оказались бы практически безмассовыми. В такой Вселенной не было бы ни атомов, ни химии, ни нас. Бозон Хиггса – это то, что вдохнуло во Вселенную жизнь в самом прямом смысле слова. Если бы требовалось выбрать единственную частицу, заслуживающую такого высокого звания, без сомнения, это был бы бозон Хиггса.

Глава 3 Атомы и частицы

Мы разрываем материю на части, чтобы найти основные кирпичики, из которых она построена, – кварки и лептоны.

В начале 1800-х годов немецкий терапевт Самуэль Ганеман заложил основы гомеопатии. Разочаровавшись в эффективности методов тогдашней медицины, Ганеман разработал новый подход, основанный на принципе «лечения подобного подобным». Ганеман утверждал, что лечить болезнь можно в первую очередь с помощью субстанции той же природы, что и субстанция, вызвавшая данный недуг, нужно только ее правильно приготовить. Способ приготовления назывался потенцированием и состоял в последовательном разбавлении вещества водой и энергичного встряхивания раствора после каждого акта разбавления. Обычно при разбавлении смешивают одну часть вещества с 99 частями воды. Гомеопатические препараты так и готовятся: разбавляют, встряхивают, еще раз разбавляют, еще раз встряхивают, и так 200 раз.

Недавно Криспиан Яго – профессиональный консультант по программному обеспечению и по совместительству член общества скептиков-любителей из Хемпшира – решил публично продемонстрировать нелепость гомеопатии как медицинского метода. Для этого он решил применить метод последовательного разбавления, использовав легкодоступное вещество – собственную мочу. Полученный раствор он затем выпил. Поскольку он был не очень терпеливым, то разбавлял мочу только 30 раз. Для наукообразности он назвал мочу не «мочой» (urine), а «писой» (piss), а затем заявил, что разработал лекарство для лечения состояния «being pissed», что переводится либо как «быть рассерженным» (на американском английском), либо как «быть пьяным» (на британском английском). И естественно, выложил эти результаты для широкого обозрения в виде скандального видеоролика на сайте YouTube.

У Яго были веские причины не переживать из-за того, что придется пить мочу, разведенную 30 раз в соотношении 1:99, поскольку к тридцатому разведению полученный таким образом раствор вообще не содержал первоначального вещества. Не просто «незначительного количества», а на самом деле ничего – конечно, если процесс разведения был проделан достаточно аккуратно.

Объясняется это тем, что все в окружающем нас мире – моча, алмазы, картофель-фри, действительно все – состоит из атомов, как правило, объединенных в молекулы. Эти молекулы – самые мелкие кирпичики вещества, которые все еще можно считать частичками этого вещества. По отдельности два атома водорода и один атом кислорода – только атомы, в соединении друг с другом в молекуле они становятся водой.

Поскольку все вещества состоят из атомов и молекул, мы не можем разбавлять вещество бесконечно и считать, что оно все еще сохраняет свою идентичность. Чайная ложка мочи содержит примерно 1024 молекул. Если мы один раз ее разбавим, смешав 1 часть мочи с 99 частями воды, у нас останется 1022 молекул мочи. Разведем два раза, и у нас останется 1020 молекул. К тому времени, когда мы разбавим двенадцать раз, в ложке раствора останется в среднем только одна молекула исходного вещества. А дальше идет обычное очковтирательство – просто смешивается вода с еще большим количеством воды. Приблизительно за 40–50 разведений мы смогли бы разбавить до одной молекулы все вещество известной Вселенной.

Поэтому когда Яго закончил процедуру и сделал свой показательный глоток, вода, которую он пил, была столь же чиста, как и вода из крана. Сторонники гомеопатии, конечно, знают все это, но считают, что молекулы воды сохраняют «память» о любом веществе, первоначально в ней растворенном, а приготовленный таким образом раствор даже действеннее, чем первоначальное вещество. Это не соответствует всему, что мы знаем из физики и химии, да и клинические испытания гомеопатических препаратов показывают, что их эффективность в борьбе с болезнью не выше, чем у плацебо.

Однако людям часто свойственно не доверять фактам. А ведь один из самых замечательных фактов – это то, что вещество состоит из атомов и молекул. И кроме того, для создания многообразия всего, существующего в нашем наблюдаемом мире, требуется лишь несколько фундаментальных элементарных частиц, способных образовывать различные комбинации.

На первый взгляд «зоопарк» частиц выглядит сложным и устрашающим, но на самом деле существует всего двенадцать частиц вещества, которые распадаются точно на две группы по шесть: кварки, которые участвуют в сильных ядерных взаимодействиях, и лептоны, которые этого не делают. История открытия элементарных частиц – это удивительная история, длившаяся столетие: начиная с обнаружения электрона в 1897 году и до открытия последнего элементарного фермиона (тау-нейтрино) в 2000 году. Здесь мы проведем краткую экскурсию по «зоопарку», а более подробное описание частиц и их характеристики приведем в Приложении 2. Когда все разложится по полочкам, мы будем иметь относительно простой набор частиц, из которых сделано все остальное.

Изображения атомов

Все видели схематические изображения атомов. На этих рисунках атомы похожи на крошечные солнечные системы: в центре – ядро, а вокруг него, каждый по своей орбите, вращаются электроны. Эта схема используется в качестве логотипа Комиссии по атомной энергии США. Однако на самом деле такое изображение атома – искусный обман.

Эта картинка – по сути модель атома Бора, названная в честь датского физика Нильса Бора, использовавшего в определении структуры атома идеи квантовой механики. До этого была принята другая модель атома, предложенная Эрнестом Резерфордом, английским физиком, уроженцем Новой Зеландии. В модели атома Резерфорда электроны вращались вокруг ядра на самых разных расстоянии, подобно планетам в реальной Солнечной системе (с той разницей, что на электроны действует электромагнитная сила, а не сила тяжести). Бор модифицировал эту идею, внеся ограничение, согласно которому электроны могут находиться только на определенных орбитах, и это явилось крупным шагом вперед в объяснении экспериментальных данных, касающихся спектров атомов. Теперь мы знаем, что электроны на самом деле вообще не «вращаются», потому что они в реальности не имеют точного «положения» или «скорости». Квантовая механика говорит, что электрон существует в виде облака вероятности, называемого «волновой функцией», которая показывает, где мы могли бы обнаружить частицу, если бы принялись ее искать.

Схематическое изображение атома, в данном случае атома гелия. Ядро расположено в центре и состоит из двух протонов и двух нейтронов, а два электрона «вращаются» на некотором расстоянии вокруг него.

Со всеми этими оговорками, если мы хотим получить лишь некоторое интуитивное представление о том, что в атоме происходит, сложившееся у нас в голове схематичное представление о том, как он выглядит, не так уж плохо. Ядра в центре, электроны на окраинах. Электроны относительно легкие, больше 99,9 % всей массы атома находится в ядре, а ядро состоит из смеси протонов и нейтронов. Нейтроны немного тяжелее, чем протоны, – нейтрон тяжелее электрона примерно в 1842 раза, а протон – примерно в 1836 раз. И протоны, и нейтроны называются «нуклонами», поскольку являются частицами, входящими в состав ядер. Оба нуклона удивительно похожи друг на друга, только вот протон имеет электрический заряд, а нейтрон – нейтрален, и, как уже было сказано, чуть-чуть тяжелее.

Подобно многим вещам в нашей жизни, строение атома определяется тончайшим балансом сил. Электроны притягиваются к ядру электромагнитной силой, которая гораздо сильнее, чем сила тяжести. Электромагнитное притяжение между электроном и протоном примерно в 1039 раз сильнее гравитационного притяжения между ними. Но в то время как гравитация – вещь простая (всё притягивает всё), электромагнитное взаимодействие является более хитрым. Нейтроны получили свое название потому, что они нейтральны, то есть вообще не имеют электрического заряда. И следовательно, электромагнитное взаимодействие между электроном и нейтроном равно нулю.

Частицы с одноименным электрическим зарядом отталкиваются друг от друга, в то время как противоположности, в соответствии с романтическими клише, притягиваются. Электроны притягиваются к протонам, находящимся внутри ядра, поскольку электроны отрицательно заряжены, а протоны – положительно. Но тогда возникает вопрос: почему упакованные так плотно внутри ядра протоны не отталкивают друг друга? Дело в том, что их взаимное электромагнитное отталкивание действительно существует, но оно значительно слабее, чем сильное ядерное взаимодействие. Электроны не чувствуют этого сильного взаимодействия (как нейтроны не чувствуют электромагнитного), а вот протоны и нейтроны его очень даже чувствуют, и именно поэтому могут объединяться друг с другом и образовывать атомные ядра. Однако только до определенного предела. Если ядро становится слишком большим, электрическое отталкивание усиливается настолько, что протонам уже трудно удержаться вместе, и ядро приобретает радиоактивные свойства: оно поживет еще какое-то время, а потом распадется на меньшие ядра.

Антиматерия

Все, что вы видите вокруг прямо сейчас, или видели своими глазами, или слышали своими ушами, а также воспринимали с помощью любого из органов чувств когда-либо прежде, – все это составлено из электронов, протонов и нейтронов, на которые действуют три силы – гравитация, электромагнетизм и ядерная сила. Последняя удерживает вместе протоны и нейтроны в ядрах атомов. В начале 1930-х годов был открыт нейтрон, и физикам стала известна вся троица этих частиц – электроны, протоны и нейтроны. В то время, должно быть, трудно было не поддаться искушению и не поверить, что эти три фермиона – действительно самые важные, фундаментальные ингредиенты Вселенной, то есть основные блоки конструктора «Лего», из которых все строится. Но у природы было припасено для нас еще несколько сюрпризов.

Первым, кто понял в общих чертах, как ведут себя фермионы, стал английский физик Поль Дирак. В конце 1920-х годов он вывел уравнение, описывающее поведение электрона. Физикам понадобилось много времени, чтобы понять эту работу Дирака. Непосредственным следствием уравнения Дирака является наличие у каждого фермиона частицы противоположного вида, названной античастицей. Частицы антивещества имеют точно такую же массу, что и их визави из вещества, но противоположный электрический заряд. Когда частицы и античастицы встречаются вместе, они, как правило, аннигилируют с высвобождением энергии, и если мы сможем собрать вместе некоторое количество частиц антиматерии, это даст нам (теоретически) отличный способ запасти энергию. Эта идея породила множество сюжетов в научно-фантастической литературе на тему ракетных двигателей, работающих на антивеществе.

Теория Дирака блестяще подтвердилась в 1932 году, когда американский физик Карл Андерсон открыл позитрон – античастицу электрона. Существует строгая симметрия в отношениях между материей и антиматерией. Однако сегодня мы знаем, что вся та Вселенная, которую мы можем наблюдать, заполнена именно веществом и содержит очень мало антивещества. Почему Вселенная должна быть именно такой, остается для физиков загадкой, впрочем, у нас есть на этот счет целый ряд многообещающих идей.

Андерсон изучал космические лучи – частицы высокой энергии, прилетающие из космоса в атмосферу Земли. Там они сталкиваются с частицами атмосферы, и при этом рождаются другие частицы, часть которых устремляется к поверхности Земли, к нам. Таким образом, земная атмосфера играет роль гигантского естественного детектора частиц.

Чтобы получить изображения треков заряженных частиц, Андерсон использовал удивительный прибор – «облачную камеру» (или «конденсационную камеру», некий аналог «камеры Вильсона»). Это удачное название, так как основной принцип можно понять, наблюдая за тем, что происходит в реальных облаках. Вы заполняете камеру перенасыщенным водяным паром, причем «перенасыщенный» означает, что водяной пар действительно готов превратиться в капельки воды, но еще не в состоянии это сделать без какого-либо внешнего толчка. В обычном облаке таким толчком обычно служит некоторая частичка примеси вроде пылинки или кристаллика соли. В физическом приборе – «облачной камере» – такой инициатор конденсации появляется, когда в нее прилетает заряженная частица. Частица сталкивается с атомами внутри камеры, выбивает из них электроны, образуя на своем пути ионы. Эти ионы служат центрами кристаллизации, на которых конденсируются крошечные капельки воды. Таким образом, пролетающая заряженная частица будет оставлять за собой след из капель, похожий на инверсионный след самолета, позволяющий нам увидеть его путь.

Андерсон поместил свою «облачную камеру» внутрь мощного магнита высотой со здание аэронавтики в Калифорнийском технологическом институте (Калтехе) и стал наблюдать за треками (следами) космических лучей. Получение перенасыщенного до нужной степени пара внутри камеры требовало быстрого (адиабатического) снижения давления, что достигалось при падении поршня, сопровождаемого громким хлопком. Камеру включали только по ночам, поскольку она потребляла огромное количество электроэнергии, и тогда громкие удары поршня будили жителей Посадену, сообщая во всеуслышание, что ученые не покладая рук трудятся над раскрытием тайн Вселенной.

Изображение треков в облачной камере, с помощью которой Карл Андерсон открыл позитрон. Траектория позитрона – искривленная линия, которая начинается вблизи дна, пересекает пластинку свинца, расположенную посередине камеры, продолжается в верхней половине и тянется к потолку камеры, но там трек уже имеет большую кривизну.

На фотографиях, сделанных Андерсоном, обнаружилось равное количество пролетающих через камеру частиц, чьи треки закручивались по и против часовой стрелки. Легко предположить, что в космических лучах содержалось равное количество протонов и электронов. И действительно, скорее всего, именно этого можно было ожидать, поскольку отрицательно заряженные частицы не могут быть созданы без положительных, иначе нарушился бы баланс. Но у Андерсона в эксперименте был еще один экспериментальный параметр, который он также внимательно проанализировал, – толщина ионного следа в «облачной камере». Андерсон понял, что если треки, оставленные положительными частицами, образованы протонами, которые движутся сравнительно медленно (в данном контексте это означает, что их скорость ниже, чем 95 % скорости света), то они, эти треки, должны быть шире, толще, чем те, что наблюдались в эксперименте. Оказалось, таинственные частицы, пролетавшие через камеру, были положительно заряженными, как протоны, но такими же легкими, как электроны.

С точки зрения логики, имелась еще одна возможность – эти треки могли принадлежать электронам, движущимся в обратном направлении. Чтобы проверить такую возможность, Андерсон вставил в камеру пластину свинца, делящую ее пополам. Частица, перелетающая сквозь свинцовую пластину из первой половины камеры во вторую, должна была бы слегка замедлиться, и это четко указало бы направление ее движения. На знаменитом снимке, вошедшем в историю физики элементарных частиц, мы видим закрученный в направлении против часовой стрелки след частицы в облачной камере, прошедшей через свинец, и замедлившейся после этого.

Так был открыт позитрон. Известные гуру теории поля – Эрнест Резерфорд, Вольфганг Паули и Нильс Бор – сначала не поверили в позитрон, но красивый эксперимент всегда одерживает верх над теоретической интуицией, какой бы блестящей она ни была. С этих пор идея антиматерии вошла в мир физики элементарных частиц навсегда.

Нейтрино

Итак, кроме трех фермионов (протона, нейтрона и электрона) у нас появились еще три (антипротон, антинейтрон, позитрон), то есть всего шесть частиц. Пока еще не густо. И остались загадки. Например, когда распадаются нейтроны, они превращаются в протоны и испускают электроны. Тщательное изучение процесса показало, что при таком распаде вроде бы нарушается закон сохранения энергии – полная энергия протона и электрона всегда оказывалась немного меньше, чем у их родителя нейтрона.

Решение этой задачи нашел в 1930 году Вольфганг Паули. Он предположил, что лишнюю энергию уносит крошечная нейтральная частица, обнаружить которую весьма трудно. Он назвал свою гипотетическую частицу «нейтроном» – это произошло еще до того, как это имя присвоили тяжелой нейтральной частице, входящей в состав атомного ядра. Позже Энрико Ферми предложил назвать частицу Паули «нейтрино», что в переводе с итальянского означает «нечто маленькое и нейтральное».

Распад нейтрона на протон, электрон и антинейтрино

На самом деле, как мы сейчас знаем, при распаде нейтрона испускается не нейтрино, а антинейтрино, но в принципе Паули был абсолютно прав. Надо сказать, что тогда он был слегка смущен, ведь ему пришлось ввести в научный обиход частицу, которую, как всем казалось, обнаружить нельзя. Зато сейчас все изменилось, и физика нейтрино стала неотъемлемой частью физики элементарных частиц.

И после введения нейтрино с механизмом распада нейтронов не все еще было ясно. Когда частицы взаимодействуют друг с другом, предполагается, что на них действует некая сила, однако распад нейтрона не мог быть вызван ни силами гравитации, ни электромагнитными, ни ядерными силами. И тогда физики приписали распад нейтрона некому «слабому ядерному взаимодействию»: эта сила, очевидно, имела какое-то отношение к нуклонам, но в то же время не была той силой, что удерживает нуклоны вместе и называется «сильным ядерным взаимодействием».

Существование нейтрино установило некоторую симметрию между элементарными частицами. Были две легкие частицы, электрон и нейтрино, которые в конечном итоге окрестили «лептонами» – от древнегреческого слова λεπτόζ (лептос), «малый». И было две тяжелые частицы, протон и нейтрон, которые немного позже назвали «адронами» – от древнегреческого αδρόζ (адрос), «массивный». Адроны подвержены сильному ядерному взаимодействию, в то время как лептоны его не чувствуют. В каждой двойке имеется одна заряженная частица и одна нейтральная. И если вы решите, что это все, что ими исчерпываются основные строительные блоки материи, вас можно понять.

Поколения лептонов

Но в 1936 году появился – как с неба упал – неожиданный гость по имени мюон. Карл Андерсон, первооткрыватель позитрона, и Сет Неддермайер опять принялись исследовать космические лучи – частицы, которые попадают в атмосферу Земли из космоса, и обнаружили новую отрицательно заряженную, как и электрон, частицу, но тяжелее электрона, однако легче, чем мог бы быть антипротон. Ее назвали «мюмезон», но вскоре поняли, что это совсем не мезон, то есть бозон, составленный из кварка и антикварка), и название укоротили до «мюона». В 1930-е годы в лаборатории Калтеха, где работал Карл Андерсон, было обнаружено не менее половины из известных сегодня элементарных частиц. Кто знает, а вдруг спустя одно или два десятилетия половина из открытых к тому времени элементарных частиц будет найдена на БАКе…

Итак, мюон стал настоящим сюрпризом. У физиков уже имелся электрон, зачем им был нужен его более тяжелый кузен? Эту озадаченность физического сообщества лучше всего передает знаменитая острота выдающегося физика, лауреата Нобелевской премии Исидора Айзека Раби по поводу открытия мюона: «Ну и кто его заказал?». Наверняка нечто подобное мы услышим, и не раз, если в экспериментах на БАКе откроется что-то совершенно неожиданное, и теоретикам придется пересматривать свои устоявшиеся модели.

И это было только началом. В 1962 году экспериментаторы Леон Ледерман, Мелвин Шварц и Джек Штейнбергер показали, что в действительности существует два различных вида нейтрино. Есть «электронные нейтрино», которые взаимодействуют с электронами и часто образуются одновременно с ними, но еще есть и «мюонные нейтрино», образующиеся одновременно с мюонами. Когда распадается нейтрон, он испускает электрон, протон и электронное антинейтрино, а когда распадается мюон, он испускает электрон, электронное антинейтрино, но кроме них еще и мюонное нейтрино.

Три поколения лептонов Стандартной модели.

Большие кружки указывают на большие массы.

Затем история повторилась. В 1970-х годах была обнаружена тау-частица (тау-лептон), отрицательно заряженная, как и электрон, но тяжелая – даже тяжелее мюона. Эти три частицы оказались очень похожими – практически кузенами, отличаясь только массами. В частности, все они ощущают действие слабых и электромагнитных сил, но не чувствуют сильное взаимодействие. И тау-частица тоже имеет свое собственное нейтрино, существование которого предполагалось, но до 2000 года поймать его не смогли.

Итак, мы уже знаем по крайней мере шесть лептонов, которые образуют три «семейства» или, как их называют, «поколения»: электрон и его нейтрино, мюон и его нейтрино и тау-частица и ее нейтрино. Совершенно естественно задаться вопросом, не обнаружится ли за ними еще четвертое, пятое и так далее поколения. Сейчас есть некоторые доказательства того, что этими тремя поколениями все лептоны исчерпываются. Известные нейтрино имеют очень малую массу – они, безусловно, намного легче электрона. Теперь понятно, как искать новые легкие частицы, тщательно анализируя распады более тяжелых частиц. Ученые посчитали, сколько видов нейтриноподобных частиц должно существовать, чтобы объяснить эти распады, и получили, что их должно быть три. Конечно, нельзя быть до конца уверенным, что где-то еще не скрываются и другие похожие частицы, допустим, с аномально большими массами, но скорее всего физики нашли все возможные нейтрино (и следовательно, число поколений лептонов исчерпывается тремя).

Кварки и адроны

Меж тем и адронная физика не стояла на месте. Появление ускорителей частиц в середине XX века привело к буму элементарных частиц. Были открыты пионы, каоны, эта-мезоны, ро-мезоны, гипероны и многие другие частицы. Уиллис Лэмб, произнося свою Нобелевскую лекцию в 1955 году, пошутил: «Раньше за открытие новой элементарной частицы обычно награждали Нобелевской премией, а теперь за это следует штрафовать на 10 000 долларов».

Все эти новые частицы были адронами, и, в отличие от лептонов, сильно взаимодействовали с нейтронами и протонами. Вскоре физики начали подозревать, что эти «понаехавшие» адроны вообще не очень «элементарные» частицы и в их основе лежит некая более глубокая базовая структура.

Загадка была разгадана в 1964 году Мюрреем Гелл-Манном и Джорджем Цвейгом, независимо друг от друга предположившими, что адроны состоят из более мелких частиц, названных кварками. Как и лептонов, кварков шесть типов, или, как принято говорить, шесть ароматов: верхний (up), нижний (down), очарованный (charm), странный (strange), истинный (top, truth) и прелестный (beauty, bottom). Верхние, очарованные и истинные кварки имеют электрический заряд +2/3, в то время как нижние, странные и прелестные кварки имеют заряд −1/3. Иногда их разбивают на две группы: кварки «верхнего типа» и «нижнего типа» соответственно.

Три поколения кварков Стандартной модели.

Более крупные частицы представлены более крупными кружками.

В отличие от лептонов каждый аромат кварков в действительности представляет собой не одну частицу, а триплет частиц. Три вида каждого кварка различают, приписав каждому виду определенный цвет: красный, зеленый и синий. Названия забавные, но никакого отношения к реальности они не имеют – на самом деле увидеть кварки невозможно, но если бы вам все-таки удалось это сделать, вы убедились бы, что они точно не раскрашены в разные цвета.

Кварки нельзя наблюдать по отдельности, а это значит, что они существуют только в некоторых комбинациях внутри адронов (явление конфайнмента), причем эти комбинации всегда «бесцветные». Протоны и нейтроны состоят из трех кварков. Протон – из двух верхних и одного нижнего, а нейтрон – из двух нижних и одного верхнего. Один из этих кварков будет красным, один – зеленым, и один – синим, а вместе они дают белый цвет, который считается бесцветным в принятой терминологии. Позже мы увидим, что внутри нуклонов появляются и исчезают «виртуальные» пары кварк-антикварк, но они возникают в виде комбинаций «кварк определенного цвета – антикварк противоположного цвета», так что общая «белизна» не нарушается.

Глядя на изображения лептонов и кварков, нельзя не заметить некоторые закономерности. В обоих случаях у нас есть шесть типов частиц. И эти шесть типов в точности разбиваются на три пары, по две частицы в каждой, причем в каждой паре электрический заряд отличается от заряда соседней пары на единицу. Можно ли найти более глубокое объяснение такой закономерности? Можно, по крайней мере отчасти. Две частицы в каждой паре – например, электрон и его нейтрино – были бы совершенно идентичными, если бы не вездесущее поле Хиггса, заполнившее пустое пространство. Такая закономерность – демонстрация роли поля Хиггса в качестве нарушителя симметрий, и в следующих главах этой книги мы эту роль рассмотрим более внимательно.

«Неправильная» сила

Все объекты вокруг нас обладают размером и формой, и этим они обязаны фермионам Стандартной модели. А вот взаимодействовать этим фермионам друг с другом позволяют именно силы и связанные с ними частицы – бозоны. Фермионы могут притягивать или отталкивать друг друга, перебрасываясь бозонами. Также они могут терять энергию или распадаться на другие фермионы, выплевывая какие-то бозоны. Без бозонов фермионы просто летели бы вечно каждый по своей прямой, не взаимодействуя ни с чем остальным во Вселенной. И причина, по которой Вселенная стала столь сложной и интересной, в том, что все эти силы разные, и они толкают и тянут фермионы дополняющими друг друга способами.

Бозоны в Стандартной модели. (В этой книге мы включили и гравитоны в Стандартную модель, хотя это не всегда делается.)

Все эти бозоны электрически нейтральны, за исключением W-бозонов, и имеют нулевую массу, за исключением W– и Z-бозонов и бозона Хиггса.

Физики часто говорят, что существуют четыре силы природы, при этом они не включают в расчет поле Хиггса, и не только потому, что потребовалось много времени, чтобы его обнаружить. Бозон Хиггса отличается от других бозонов. У других бозонов – так называемых «калибровочных бозонов» – существует глубинная связь с основными симметриями природы, и об этом мы поговорим в главе 8. Гравитон, правда, тоже немного отличается от них. Каждая элементарная частица имеет определенный внутренний «спин». Фотон, глюоны и W– и Z-бозоны имеют спин, равный единице, в то время как спин гравитона равен двум. (См. Приложение 1, где о спине рассказано более детально.) Мы еще не знаем, как на гравитацию распространить требования квантовой механики, но, видимо, гравитон все же правильнее будет назвать калибровочным бозоном.

А вот бозон Хиггса совершенно иной. Его мы называем «скалярным» бозоном, а это значит, что он имеет нулевой спин. В отличие от калибровочных бозонов бозон Хиггса не навязан нам симметрией или любым другим глубоким принципом природы. Мир без поля Хиггса выглядел бы совсем иначе, но при этом прекрасно описывался бы непротиворечивой физической теорией. При всей его важности бозон Хиггса выглядит инородной заплаткой на красивой математической структуре Стандартной модели. Тем не менее это бозон, и, следовательно, другие частицы могут им перекидываться, а значит, возникает сила природы.

Бозон Хиггса является колебанием поля Хиггса, а поле Хиггса дало массу всем массивным элементарным частицам. Так что бозон Хиггса взаимодействует со всеми массивными частицами из нашего «зоопарка» – кварками, заряженными лептонами, а также W– и Z-бозонами. (Вопрос о массах нейтрино до сих пор полностью не закрыт, так что давайте делать вид, что они не взаимодействуют с полем Хиггса, хотя окончательный приговор по их делу еще не вынесен.) На самом деле все происходит наоборот: чем сильнее частица взаимодействует с полем Хиггса, тем большей массой она обрастает при перемещении в этом поле, заполняющем все пустое пространство.

Эта особенность бозона Хиггса – его взаимодействие с частицей тем сильнее, чем она массивнее – имеет решающее значение, когда дело доходит до изучения этого экзотического зверя на БАКе. Сам бозон Хиггса – тяжелая частица, и даже когда он рождается в какой-то реакции, мы не в состоянии непосредственно его увидеть, поскольку он очень быстро распадается на другие частицы. Мы знаем, что скорости его распада в разных реакциях разные: с некоторой вероятностью он будет распадаться, например, на W-бозоны, с другой – на нижние кварки, с третьей – на тау-мезоны и так далее. И эти значения вероятностей распада не произвольны – физики точно знают, как бозон Хиггса должен взаимодействовать с другими частицами (потому что знают массу каждой из них), поэтому можно достаточно точно вычислить ожидаемую вероятность различных видов распадов.

Но в действительности ученые очень хотят ошибиться. Конечно, это большая победа – обнаружить бозон Хиггса, но еще больше хочется найти что-то новое и удивительное. Поиск невидимых частиц, которые трудно создать и которые быстро распадаются на другие частицы, – сложная задача. Она требует терпения, точности в измерениях и тщательного статистического анализа. Хорошая новость состоит в том, что законы физики строги – предсказания того, что мы должны найти, не могут быть истолкованы двояко. Если окажется, что бозон Хиггса отличается от ожиданий ученых, это будет явным признаком того, что Стандартная модель дала сбой, и нам, наконец, открылось окно в новую физику.

Глава 4 История ускорителя

Мы узнаем об истории странного увлечения – сталкивать частицы друг с другом при все более высоких энергиях.

Когда мне было десять лет, в нашей местной библиотеке в Нижнем Баксе, штат Пенсильвания, я наткнулся на научный отдел, и чтение собранных там книг стало моим любимым занятием. Особенно мне нравились книги по астрономии и физике. Одной из книг, которую я штудировал с особой тщательностью, был скромный том под названием «Физика высоких энергий», написанный Хэлом Хеллманом. Я начал изучать эту книгу в конце 1970-х, а написана она была в 1968-м, то есть до того, как была сформулирована Стандартная модель, когда «кварки» еще были экзотическими и страшноватыми теоретическими моделями. Но адроны – частицы, которые, как мы теперь знаем, состоят из кварков и глюонов, – уже были обнаружены: в журнале High Energy Physics было полно четких фотографий треков этих частиц, и в каждой угадывался мимолетный проблеск тайны природы.

Многие из этих фотографий были сделаны на громадном Беватроне – одном из главных ускорителей частиц, работавшем в 1950-1960-е годы. Беватрон был построен в Беркли, в штате Калифорния, но его название произошло не от Беркли, а от слов Billion Electron Volt (биллион, или по-русски миллиард, электронвольт), то есть максимальной энергии, которой удалось добиться на этом ускорителе. (Позже мы расскажем, что электронвольт (эВ) является непонятной, но очень популярной в физике элементарных частиц единицей энергии. Одному миллиарду электронвольт соответствует приставка гига-, то есть один миллиард электронвольт – один ГэВ, а не БэВ, но в то время американцы чаще использовали это обозначение, и к тому же название «Геватрон» казалось им не очень благозвучным. Остановились на названии «Беватрон».)

Беватрон поучаствовал в двух нобелевских открытиях: в 1959 году премию получили Эмилио Сегре и Оуэн Чемберлен за обнаружение антипротона, а в 1968 году – Луис Альварес за открытие огромного числа новых частиц, которые и сосчитать-то трудно – всех этих ужасных адронов. Некоторое время спустя тот же Альварес и его сын Уолтер, обнаружив аномально высокие концентрации иридия в геологических пластах, образовавшихся в период исчезновения динозавров, первыми доказали, что наиболее вероятная причина этого феномена – столкновение Земли с астероидом.

Идея ускорителей частиц проста: нужно взять некоторое количество частиц, ускорить их до очень высоких скоростей, столкнуть с некоторыми другими частицами и внимательно наблюдать, что получится. Все это похоже на то, как если бы вы шарахнули роскошными швейцарскими часами по другим, не менее роскошным швейцарским часам и, исследуя разлетевшиеся в разные стороны осколки, попытались бы понять, из чего часы были сделаны. К сожалению, аналогия не полная. Когда мы сталкиваем частицы, мы не пытаемся узнать, из чего они сделаны, а надеемся получить совершенно новые частицы, которых не было до столкновения. Продолжив аналогию с часами, можно сказать, что, идея ускорителя состоит в том, что, ударив одними часами Timex по другим таким же, вы надеетесь, что из их осколков соберутся часы Rolex.

Для достижения огромных скоростей в ускорителях используется основное свойство заряженных частиц (например, электронов и протонов): с помощью электрических и магнитных полей их можно ускорить и заставить вращаться. На практике мы используем электрические поля для ускорения частицы до все более высоких скоростей, а магнитные поля – чтобы удерживать их на нужных траекториях, например внутри образующих кольца труб Беватрона или БАКа. С помощью тонкой настройки этих полей, толкающих частицы вперед и удерживающих на нужных траекториях, физики могут искусственно создать такие условия, которые в естественных условиях на Земле не встречаются. (Космические лучи могут обладать даже большей энергией, но такие частицы долетают до нас редко, и их трудно наблюдать.)

Влияние магнитного поля на движение частиц.

Если магнитное поле направлено вверх, оно закручивает положительно заряженные частицы против часовой стрелки, а отрицательно заряженные частицы – по часовой стрелке.

На нейтральные частицы оно вообще не действует.

Неподвижные частицы тоже остаются в покое.

Технологическая задача ясна: ускорить частицы до максимально возможной энергии, столкнуть их друг с другом и посмотреть, какие новые частицы при этом образуются. Каждый из этих этапов труден. БАК представляет собой кульминацию усилий, длившихся не одно десятилетие, в течение которых человечество училось строить все большие и лучшие ускорители.

E = mc²

Когда на Беватроне получили антипротоны, это случилось не потому, что антипротоны прятались в протонах или в соответствующих атомных ядрах, а их оттуда выбили. Наоборот, новые частицы родились именно в результате столкновений. На языке квантовой теории поля говорят так: волны, представляющее исходные частицы, возбудили новые колебания в антипротонном поле, которые мы как раз и считаем частицами-антипротонами.

Для того чтобы это произошло, должно хватить энергии, и это – важнейшее условие. На самом деле физика элементарных частиц началась после появления знаменитого уравнения Эйнштейна E = тc², из которого стало ясно, что масса – это просто другая форма существования энергии. В частности, масса объекта – эта та минимальная энергия, которую объект может иметь. Когда кто-то просто сидит совершенно неподвижно, погруженный в свои мысли, количество энергии, которым он обладает, равно его массе, умноженной на квадрат скорости света. Скорость света с – довольно большое число, она равна 300 000 километров в секунду и здесь просто играет роль коэффициента при преобразовании единиц измерений массы в единицы энергии. В физике элементарных частиц любят использовать единицы, где скорость измеряется в количестве световых лет, пройденных за год, и в этом случае скорость света с равна единице, а масса и энергия просто становятся одной и той же величиной: E = т.

А когда объект движется? Иногда в дискуссиях о теории относительности говорят, что масса частицы растет при приближении ее скорости к скорости света, но это немного всех запутывает. Лучше считать массу объекта установленной раз и навсегда, а именно – энергией, которую тело имело бы, если бы не двигалось, а энергию – увеличивающейся по мере роста его скорости. При приближении скорости тела к скорости света с его энергия стремится к бесконечности. Это один из способов понять, почему скорость света является абсолютным пределом скорости, с которой тела могут двигаться, – ведь массивному телу для движения с такой скоростью требуется бесконечное количество энергии. (Безмассовые частицы, напротив, всегда движутся в точности со скоростью света.) Когда ускоритель частиц разгоняет протоны до все больших энергий, их скорость все больше приближается к скорости света, никогда ее не достигая.

Используя магию этого простого уравнения, E = те², физики получают тяжелые частицы из более легких. При столкновениях сохраняется общая энергия, но не общая масса. Масса – это лишь одна из форм энергии, а энергия может быть преобразована из одной формы в другую при условии, что полная энергия остается постоянной. Когда два протона встречаются на больших скоростях, они превратятся в более тяжелые частицы, если их суммарная энергия достаточно велика. Мы даже можем столкнуть совершенно безмассовые частицы и создать из них массивные; два столкнувшихся фотона могут породить электрон-позитронную пару, а два безмассовых глюона, встретившись, породить бозон Хиггса, если только их совокупная энергия больше массы бозона. Бозон Хиггса более чем в сотню раз тяжелее протона, и это – одна из причин того, почему его так трудно получить.

Шкала энергий в электронвольтах. Некоторые значения – приблизительные. В физике элементарных частиц температуру, массу и энергию измеряют в одних и тех же единицах – электронвольтах. Используются также миллиэлектронвольт (1/1000 эВ), кэВ (1000 эВ), МэВ (миллион эВ), ГэВ (миллиард эВ) и ТэВ (триллион эВ).

Физикам, занимающимся элементарными частицами, нравится использовать единицы измерения, в которых посторонние не видят никакого смысла, еще и потому, что это создает ауру таинственности вокруг их деятельности. Кроме того, было бы страшно неудобно использовать одни единицы для массы, а другие – для других видов энергии, так как они постоянно преобразуются друг в друга. Вместо этого всякий раз, когда мы имеем дело с массой, мы просто сразу умножаем ее величину на квадрат скорости света, чтобы превратить в энергию. Таким образом, мы можем измерять все в единицах энергии, что гораздо удобнее.

Излюбленная единица энергии для физиков, работающих с элементарными частицами, – электронвольт, эВ. Один эВ – это количество энергии, которое потребуется для перемещения одного электрона в электростатическом поле между точками с разностью потенциалов в один вольт. Другими словами, требуется девять электронвольт энергии для перемещения электрона с положительного на отрицательный электрод девятивольтового аккумулятора.

Один электронвольт – совсем маленькая энергия. Энергия одного фотона видимого света составляет около двух электронвольт, в то время как кинетическая энергия летящего комара – около триллиона эВ. Количество энергии, которое можно получить, сжигая галлон (примерно 4,5 литра) бензина – больше 1027 эВ, а количество питательной энергии в бигмаке (700 калорий) составляет около 1025 эВ. Таким образом, один эВ – действительно небольшая энергия.

Поскольку масса является формой энергии, физики и массы элементарных частиц измеряют в электронвольтах. Массы протона или нейтрона равны почти миллиарду электронвольт, в то время как масса электрона – полмиллиона эВ. Масса бозона Хиггса, как показало его открытие на БАКе, равна 125 миллиардов эВ. Поскольку один эВ так мал, мы часто используем более удобную единицу – ГэВ, гигаэлектронвольт (один миллиард эВ). Можно также встретить обозначение кэВ для килоэлектронвольт (одна тысяча эВ), МэВ для мегаэлектронвольт (один миллион эВ) и ТэВ для тераэлектронвольт (один триллион эВ). В 2012 году на БАКе столкнулись протоны с суммарной энергией 8 ТэВ, а планируемый максимум энергий для этого ускорителя составляет 14 ТэВ. Это более чем достаточная энергия для того, чтобы родились бозоны Хиггса и другие экзотические частицы, проблема лишь в том, как их обнаружить, когда они появятся.

Можно даже температуру выражать в эВ, поскольку температура – всего лишь средняя энергия молекул в веществе. В таких единицах комнатная температура равна двум сотым электронвольта, а в центре Солнца – около 1 кэВ. Когда температура становится выше массы некоторой частицы, энергия при столкновениях достаточна для создания этой частицы. Даже в центре Солнца, где довольно жарко, температура не столь высока, чтобы рождались электроны (0,5 МэВ), а тем более протоны или нейтроны (массы обоих примерно равны 1 ГэВ), зато в момент Большого взрыва температура была огромной, и этой проблемы не возникало.

Если природа захочет спрятать от нас частицу, самый простой способ – сделать ее такой тяжелой, чтобы мы не смогли произвести ее в лаборатории. Вот почему при строительстве ускорителей всегда преследовалась одна и та же цель – добиваться все более высоких энергий, и вот почему эти установки получают имена вроде Беватрона и Теватрона. Достичь беспрецедентно высоких энергий – все равно что попасть в место, где никто до этого никогда не был.

Европа вырывается вперед

Официальное название ЦЕРНа (CERN) – женевской лаборатории, в чьем ведении находится БАК, – Европейская организация по ядерным исследованиям, или по-французски: Organisation Europeenne Pour La Recherche Nucleaire. Вы можете заметить, что сокращение не соответствует нынешнему названию (то же самое и с английским названием). Это потому, что нынешняя «Организация» является прямым потомком Европейского Совета по ядерным исследованиям – Conseil Europeen Pour La Recherche Nucleaire, от которого и произошло название, но все согласились на том, что нужно оставить старую аббревиатуру даже после того, как полное название было официально изменено. Никто не настаивал на изменении аббревиатуры на неблагозвучное «ОЕРН».

Совет был создан в 1954 году группой из двенадцати стран, стремившихся оживить физические исследования в послевоенной Европе. С тех пор ЦЕРН превратился в форпост физики элементарных частиц и ядерной физики и стал интеллектуальным центром европейской науки. Женева – второй по величине город в Швейцарии, мировой финансовый и дипломатический центр, славящийся издавна своим часовым производством. Теперь и ЦЕРН стал достопримечательностью Женевы, и каждый из шестнадцати пассажиров в женевском аэропорту так или иначе связан с ЦЕРНом. Когда вы летите в Женеву, наверняка в вашем самолете сидит пара церновских физиков.

История ЦЕРНа, как и истории большинства других крупных лабораторий, где ведутся исследования элементарных частиц, – это история строительства все больших и совершенных ускорителей, развивающих все более высокие энергии. В 1957 году был запущен Синхроциклотрон, который ускорял протоны до энергии 0,6 ГэВ, а в 1959-м состоялась инаугурация Протонного синхротрона, который развивал энергию 28 ГэВ. Он функционирует и сегодня, но уже в качестве предускорителя, обеспечивая пучками другие ускорители (в том числе БАК), где частицы разгоняются до еще больших скоростей.

Важный шаг вперед был сделан в 1971 году, когда был построен первый адронный коллайдер (Intersecting Storage Rings – Пересекающиеся накопительные кольца, ISR), в котором предельная полная энергия доходила до 62 ГэВ. ISR был одновременно и протонным коллайдером, и ускорителем. В предыдущих установках протоны ускорялись и направлялись на неподвижные материальные мишени, куда частицам относительно легко попасть. В ISR сталкивались пучки, двигавшиеся в противоположных направлениях (встречные пучки). Эта задача гораздо сложнее в технологическом смысле, но, решив ее, можно достичь более высоких энергий, так как тут вся энергия до последней капельки идет на создание новых частиц. (При работе с неподвижной мишенью вследствие закона сохранения импульса большая часть энергии пучка тратится на «отдачу» мишени.) Идея построения коллайдера частиц была впервые выдвинута в 1950 году Джерардом О’Ниллом – американским физиком, больше прославившимся своим проектом создания среды обитания человека в космическом пространстве. А в 1960-х годах небольшие электрон-позитронные коллайдеры были сконструированы и построены во Фраскати, в Италии австрийским физиком Бруно Тушеком.

Длина коллайдера ISR составляла примерно 1,2 километра. Это была большая машина, но в будущем предстояло построить еще большие. В 1976 году был открыт Протонный суперсинхротрон (SPS) длиной около 6,9 километров, его энергия достигала 300 ГэВ. Всего лишь несколько лет спустя, приняв смелое решение, ЦЕРН модернизировал SPS. Если первоначально там ускорялись протоны, в новой конфигурации должны были сталкиваться протоны с антипротонами. Антипротоны трудно получить, и с ними трудно работать. Они – не то что протоны, которых полно вокруг. Сперва нужно создать антипротоны в столкновениях при более низких энергиях, а затем аккуратнейшим образом собрать их, ни в коем случае не допуская случайных встреч с протонами, иначе частицы аннигилируют, испустив свет. Но если с этим справиться, то возникает огромное преимущество: протоны и антипротоны имеют противоположные заряды, и следовательно, одним и тем же магнитным полем их можно направлять по одинаковым круговым траекториям, но в противоположных направлениях. (В БАКе сталкиваются протоны с протонами, и следовательно, нужно использовать две отдельные трубы для пучков, несущихся в противоположных направлениях.) Итальянский физик Карло Руббиа в 1983 году на модернизированном синхротроне SPS открыл переносчики слабого ядерного взаимодействия W– и Z-бозоны, получив за это в 1984 году Нобелевскую премию.

SPS по-прежнему на ходу и напряженно работает. Благодаря модернизации теперь он ускоряет протоны до 450 ГэВ. Пучки из него поступают в БАК, который разгоняет их до еще более высоких энергий. Физики элементарных частиц очень любят «апгрейдить» старые машины.

В 1989 году ЦЕРН открыл свой следующий большой проект: запустил Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP). Для этого на швейцарско-французской границе на глубине 100 метров проложили новый тоннель, на этот раз с длиной окружности 27 километров. Эти цифры должны вам что-то напомнить, и действительно, туннель, построенный для LEPа, – тот же самый туннель, в котором сейчас помещается БАК. После успешной десятилетней работы в 2000 году LEP был отключен, а вся техника демонтирована – нужно было освободить место для БАКа.

Большой электрон-позитронный коллайдер

Протоны – адроны, то есть сильно взаимодействующие частицы. Когда вы сталкиваете два протона друг с другом (или протон и антипротон), предсказать результат не очень просто. На самом деле там происходит следующее: один из кварков или глюонов первого адрона налетает на кварк или глюон второго адрона, но проблема в том, что вы не знаете точного значения начальной энергии ни одной из частиц, поэтому непонятно, с чего начать анализ. У машины, в которой сталкиваются электроны и позитроны, совсем другое назначение: она построена в первую очередь для точных измерений, а не в качестве инструмента грубой силы. Когда электрон и позитрон сталкиваются, как это происходит в LEPе, вы точно знаете, что происходит, а такие инструменты лучше подходят для тонких измерений свойств известных частиц, чем для открытия новых. Если воспользоваться аналогией с игрой «Где же Уолдо?»[2], то в экспериментах на адронном коллайдере ваш взгляд как бы беспорядочно блуждает по всей картине в поисках забавной полосатой шапочки, а эксперименты на электрон-позитронном коллайдере похожи на нанесение мелкой сетки на рисунок и кропотливого изучения всех лиц, одного за другим.

LEP был настолько точным прибором, что с его помощью оказалось даже возможным обнаружить влияние Луны, или, по крайней мере, приливов, которые она вызывает. Каждый день гравитационное поле Луны притягивает Землю, а в ЦЕРНе эти крошечные деформации Земли каждый день вызывают растяжение и сжатие общей длины туннеля LEPа примерно на миллиметр. В масштабах двадцатисемикилометровой пучковой трубы не так уж много – но этого достаточно, чтобы вызвать крошечные колебания энергии электронов и позитронов. И такой высокоточный инструмент, как LEP, их быстро уловил. После первых недоумений по поводу странных суточных колебаний энергии частиц физики ЦЕРНа быстро разобрались в том, что происходит. (Кстати, такой способ обнаружения Луны ничем не отличается от того метода, которым астрофизики доказывают существование темной материи во Вселенной, а именно – по наличию ее гравитационного воздействия.) А еще LEP зарегистрировал всплески токов утечки, возникавшие в момент отправления высокоскоростных поездов TGV от вокзала Женевы и заметно менявшие режим работы тонко настроенной машины.

Но LEP был сконструирован не для того, чтобы физики с его помощью определяли воздействие Луны на Землю или время отправления поездов. Они хотели найти бозон Хиггса. И в какой-то момент им показалось, что они нашли его.

После десятилетия очень успешной работы, в ходе которой были проведено множество прецизионных измерений свойств частиц Стандартной модели (хотя новых частиц обнаружено не было), в сентябре 2000 года планировалось LEP остановить и демонтировать, чтобы освободить место для БАКа. Зная, что их машине осталось жить всего несколько месяцев, инженеры и техники решили пойти ва-банк и, используя все возможные резервы и ухищрения, выжали из нее энергию 209 ГэВ. Такую большую энергию на этом ускорители никогда раньше даже и не мечтали получить. Команда LEP рассудила так: если коллайдер сломается – ну так что ж, он все равно уже был «сбитым летчиком».

Когда пучки частиц разогнали до этих невиданных энергий, ученые из группы детектора ALEPH во главе с Сау Лан Ву – профессором Университета Висконсин-Мэдисон – заметила несколько событий, выделявшихся на фоне остальных. Появилось всего несколько слабых намеков, но именно таких сигналов следовало бы ожидать, если бы бозон Хиггса скрывался в области масс вокруг 115 ГэВ – прямо на краю того диапазона энергий, где LEP мог отслеживать события. Профессору Ву принадлежит несколько важных научных результатов, в частности она в составе группы ученых получила премию Европейского физического общества за эксперимент 1979 года, который помог установить существование глюонов. И вот теперь она как будто взяла след бозона Хиггса и не намерена была упустить возможность его поймать.

Обычно несколько многообещающих событий в детекторе частиц – еще не причина для радости, даже если они выглядят в точности как Святой Грааль, за которым вы и ваши коллеги охотились годами. В физике элементарных частиц очень важна статистика: почти все события, которые видны в детекторе, могут произойти множеством способов, и весь фокус в том, как отличить процесс, идущий без новой частицы, от процесса, который наблюдается при ее появлении. Так что если несколько событий намекают на что-то интересное, нужно просто собрать больше данных. Сигнал либо усилится, либо исчезнет.

Но как собрать больше данных, если ЦЕРН собирается выключить ускоритель? И тогда Ву и другие физики обратились к Лучано Майани – он в то время был генеральным директором ЦЕРНа – с просьбой продлить работу LEPа для сбора большего количества данных. Все понимали важность возможного открытия и то, какое сожаление все испытают, если машину остановят как раз тогда, когда появилась надежда найти бозон Хиггса. Не часто удается первыми увидеть элементарную частицу, особенно ту, которая играет ключевую роль в физике. Как с пафосом сказал Патрик Жано, «мы вписываем новую строку в историю человечества». Кроме всего прочего, в ЦЕРНе знали, что их конкуренты из Фермилаба, исследовательского центра, расположенного в пригороде Чикаго, также нацелились на поиски бозона Хиггса на своем ускорителе – Теватроне. И ученые ЦЕРНа боялись, что американцы найдут Хиггса раньше, чем БАК начнет работать, поскольку область энергий порядка 115 ГэВ была вполне доступной для Теватрона. Физика элементарных частиц, конечно, немыслима без международного сотрудничества, но это не значит, что в душе каждого ученого не горит огонь соперничества.

Майани, оценив все, что было поставлено на карту, выбрал компромисс: LEP будет все-таки закрыт, но только после того, как проработает еще один месяц, – до октября 2000 года. Охотники на бозон Хиггса поворчали немного и бросились собирать дополнительные данные в поисках событий, подтверждающих участие бозона Хиггса. И они нашли их – правда, всего несколько, но зато не только на детекторе ALEPH, где работала команда Ву, но на четырех других детекторах LEPа. Но собрали они и множество «фоновых» событий, которые вообще ничем не намекали на присутствие бозона Хиггса.

Когда дополнительное время, отведенное LEPу для работы, подошло к концу, общая статистическая значимость предполагаемого появления бозона Хиггса даже уменьшилась. Сигнал потерялся за фоновыми событиями. Можно было разрешить LEP и дальше работать, но это привело бы к серьезным задержкам в графике строительства БАКа, что означало бы увеличение расходов и перенос на более позднюю дату запуск долгожданного Большого коллайдера. Как бы заманчиво это ни было – в последний момент схватить за хвост жар-птицу, но настало время LEPу уйти на пенсию и передать эстафетную палочку другим ускорителям.

Американские лаборатории: SLAC, Брукхейвен, Фермилаб

Кроме ЦЕРНа, успешно объединившего усилия многих стран Европы (а в последнее время и мира) для создания ведущей физической лаборатории, очень много сделали для понимания природы частиц и сил и другие научные лаборатории. В частности, значительный вклад в «сборку» Стандартной модели внесли три американские лаборатории: Национальная ускорительная лаборатория SLAC (Стэнфордская национальная ускорительная лаборатория) при Стэнфордском университете в Калифорнии, Брукхейвенская лаборатория на Лонг-Айленде и Фермилаб в окрестностях Чикаго.

SLAC первоначально было аббревиатурой полного названия «Stanford Linear Accelerator Center» – Стэнфордского центра линейного ускорителя, но в 2008 году министерство энергетики США официально переименовало его в «Центр линейного ускорителя SLAC» по-видимому, потому, что кто-то из начальников был любителем рекурсий. (Более правдоподобная версия состоит в том, что Стэнфордский университет не хотел, чтобы министерство энергетики использовало в товарном знаке аббревиатуру, содержащую имя университета).

Основанный в 1962 году, SLAC – уникальное место для физиков элементарных частиц, поскольку там сконструирован линейный ускоритель высоких энергий – частицы летят в нем не по кольцу, а по прямой. Здание, в котором находится ускоритель, имеет в длину 3.2 километра – это самое длинное сооружение в США и третье по длине в мире. (Первое место занимает Великая китайская стена, а второе – Форт Рэникот в Пакистане – военная крепость XVII века.) Изначально в этом ускорителе разгонялись электроны, которые потом врезались в неподвижные мишени. В 1980-х годах ускоритель подвергся модернизации, после чего там стали сталкивать электроны с позитронами, а еще позже в лаборатории появился и кольцевой ускоритель, а линейный используют в качестве первой ступени.

SLAC сыграл ключевую роль в открытии нескольких частиц, в том числе очарованного кварка и тау-лептона, но, несомненно, его основной вклад состоял в том, что с его помощью было показано, что сама идея «кварков» – правильная. За это открытие в 1990 году была присуждена Нобелевская премия Джерому Фридману и Генри Кендаллу из Массачусетского технологического института (MIT) и Ричарду Тейлору из лаборатории SLAC, которые в 1970-х годах использовали пучок электронов, ускоренный на SLACе, для изучения внутренней структуры протонов. Команда SLAC – MIT тогда показала, что низкоэнергетические электроны проходят прямо сквозь протоны, не особо отклоняясь, в то время как электроны с высокой энергий (которым, как логично было бы предположить, еще легче пройти сквозь протоны), чаще всего отклонялись под странными углами. Как известно, частицам с более высокими энергиями соответствуют колебания с меньшей длиной волны, поэтому они более чувствительны к тому, что происходит на очень малых масштабах. Те препятствия, на которые натыкались высокоэнергетичные электроны, оказались очень маленькими частицами, живущими внутри протонов. Это явилось первым доказательством существования хорошо знакомых нам сейчас кварков.

Брукхейвенская национальная лаборатория была основана в 1947 году. За работы, сделанные в Брукхейвене, получены семь различных Нобелевских премий: пять по физике и две по химии. В частности, мюонное нейтрино, за открытие которого Ледерман, Шварц и Штейнбергер получили одну на троих Нобелевскую премию, было обнаружено в Брукхейвене. В настоящее время основной вклад в исследование элементарных частиц вносит расположенный там релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC) – кольцо длиной почти 4 километра, где сталкиваются друг с другом тяжелые ядра, и в результате образуется своего рода кварк-глюонная плазма типа той, что существовала вскоре после Большого взрыва. Составители Книги рекордов Гиннеса зарегистрировали достигнутый на RHIC температурный рекорд – там была получена наивысшая из всех когда-либо полученных в искусственных условиях температура – более семи миллионов градусов по Фаренгейту (примерно 4 миллиона градусов Цельсия), что в 250 000 раз выше, чем температура в центре Солнца. Цель исследований на RHIC состоит не столько в поисках новых частиц, сколько в исследованиях поведения кварков и глюонов в этих экстремальных условиях.

Еще один важный центр физики высоких энергий – Национальная ускорительная лаборатория имени Ферми, или кратко – Фермилаб. Главное сооружение Фермилаба – гигантские кольца, где протоны и антипротоны ускоряются до высоких энергий; благодаря им Фермилаб на протяжении большей части своего существования был прямым конкурентом ЦЕРНа. Фермилаб был основан в 1967 году, первым его руководителем стал Роберт Уилсон – ученый-универсал и гениальный администратор, прославившийся среди физиков своей креативностью и способностью добиться практически невозможного. При нем новая лаборатория была не только построена досрочно, но и на меньшие, чем предусмотрено бюджетом, средства. Кроме того, Уилсон сам спроектировал главное здание лаборатории и создал множество скульптур, которые вдохнули в это место жизнь и сделали его неповторимым. Когда Уилсон, который какое-то время обучался ваянию в Академии изящных искусств в Риме, предложил возвести на территории лаборатории 10-метровый металлический обелиск, ему было отказано, поскольку правила профсоюза сварщиков требуют, чтобы все сварочные работы проводились только членами профсоюза. Реакция Уилсона была необычной, но очень характерной для него: он вошел в союз сварщиков, поступил учеником к главному сварщику механического цеха Фермилаба Джеймсу Форестеру и послушно прошел курс обучения. Обелиск, который Уилсон сооружал в обеденное время и выходные дни, был установлен в 1978 году недалеко от главного здания.

Гордостью лаборатории Ферми был Теватрон – громадная машина, в которой сталкивались протоны с антипротонами при энергиях 2000 ГэВ. (Вспомним, что «ТэВ» означает один терраэлектронвольт, что составляет один триллион электронвольт или 1000 ГэВ.) Завершенный в 1983 году Теватрон был тогда ускорителем с самой высокой энергией в мире, пока этот титул не перешел в 2009 году к БАКу. Свой звездный час Теватрон пережил в 1995 году, когда на нем был открыт необычайно массивный истинный (top) – кварк. Гордон Уоттс из Университета Вашингтона, который был в то время аспирантом в лаборатории Ферми, вспоминает момент, когда сигнал поднялся выше важного порога «три сигма» (подробнее про него будет сказано в главе 9), что позволяло объявить об открытии новой частицы:

Мы собрались на одно из серии важных заседаний, где обсуждались результаты всех анализов, которые должны были вот-вот докладываться на ближайшей конференции. В каждом анализе наблюдался небольшой избыточный сигнал, но он был столь маленьким, что не выглядел особенно значимым. На самом деле примерно те же результаты демонстрировались достаточно регулярно, мы все привыкли к ним, и на этот раз проигнорировали. Заканчивалось одно из заседаний этого обычного марафона, комната была переполнена, я сидел на полу фактически в самом конце аудитории. Было жарко, и воздух в помещении был… ммм… тяжелым (мягко говоря). Мы уже ждали последнего выступления, но тут один из слушателей, который, видимо, вошел в аудиторию достаточно рано, раз ему достался стул, поднял руку и произнес:… «Э-э…, минуточку… я делаю самую простую операцию: складываю весь фон и все сигналы и получаю больше трех сигм». В аудитории наступила тишина, все вспоминали, что было сказано в докладах, и пытались понять, прав автор реплики или нет. И тут либо докладчик, либо председатель собрания открыл рот… и грязно выругался. Я думаю, у всех холодок пробежал по спине.

Но долгожданный бозон Хиггса оставался вне пределов досягаемости Теватрона. С меньшими энергией и светимостью, чем у БАКа, американская машина всегда была аутсайдером в этой гонке. И только после того, как LEP был отключен, а БАК еще не заработал, у сотрудников Фермилаба появились шансы на то, что они первыми найдут надежные свидетельства существования таинственной частицы. Однако им это не удалось – физики с Теватрона смогли только исключить некоторые диапазоны масс, в которых бозона Хиггса не могло быть.

30 сентября 2011 года Теватрон был отключен навсегда – у американцев не хватало денег, да еще заработал БАК, гораздо более мощный. Закончилась работа последнего крупного коллайдера частиц высоких энергий на территории США. (Релятивистский коллайдер тяжелых ионов в Брукхейвене выполняет важную работу для ядерной физики, но он – не конкурент в поисках новых частиц, поскольку его максимальная энергия меньше 10 ГэВ на нуклон.) Будет ли у него когда-нибудь преемник, пока не известно.

Суперколлайдер

Предполагалось, что у Теватрона будет преемник – Сверхпроводящий суперколлайдер (ССК), проект которого был одобрен президентом Рональдом Рейганом в 1987 году и который первоначально планировалось запустить в 1996 году. ССК был невероятно амбициозным проектом, предусматривающим сооружение совершенно нового кольца с длиной окружности примерно 87 км и полной энергией сталкивающихся протонов 40 ТэВ, что в двадцать раз выше, чем на Теватроне. Оглядываясь назад, можно сказать, что проект оказался, видимо, слишком амбициозным. В первые дни, когда место для лаборатории еще не было выбрано, поддержка проекта была почти единодушной: представители почти всех штатов в Конгрессе надеялась, что смогут заполучить масштабный проект для своего штата и похвастаться этим перед избирателями. 43 из 50 американских штатов восприняли конкурс настолько серьезно, что даже провели геологические изыскания и экономическую экспертизу. Победителем стал Техас, точнее, территория возле сонного городка Ваксахачи, расположенного примерно в 50 км к югу от Далласа.

Но после того, как место для ССК было выбрано, энтузиазм в отношении проекта у представителей оставшихся ни с чем 49 штатов в Конгрессе сразу угас. Это были годы усиления требований по введению контроля над дефицитом федерального бюджета, а стоимость ССК, и в начале немаленькая, выросла почти в три раза, до 12 миллиардов долларов. Дополнительным негативным фактором (если не в представлении ученых, то уж точно в головах правительственных чиновников) была конкуренция проекту Суперколлайдера со стороны другого гигантского проекта – Международной космической станции. Бюджет МКС составлял свыше 50 миллиардов долларов только на саму станцию, разрабатываемую в NASA, а если включить в общую стоимость полеты космических шаттлов, получалось более 100 миллиардов долларов. И это при том, что большая часть денег на этот гигантский проект также должна была в конечном итоге осесть в Техасе – в Джонсоновском космическом центре управления полетами.

Я спросил Джоан Хьюэтт, теоретика из лаборатории SLAC, когда она решила пойти туда работать. Джоан назвала точную дату – 21 октября 1993. Это был день, когда Конгресс проголосовал за то, чтобы окончательно похоронить проект ССК. Хьюэтт звали и в лаборатории Суперколлайдера, и в SLAC, и естественно, она предпочла бы работать в новой команде и окунуться в захватывающую атмосферу создания новой машины на стадии ее строительства. Все то осеннее утро она внимательно наблюдала по каналу C-SPAN за слушаниями в Конгрессе, с ужасом понимая, что обсуждение идет в неправильном направлении. Она провела день в рыданиях, а потом позвонила директору SLACа и приняла его предложение. Ее карьера сложилась вполне успешно, в Стэнфорде она строила новые модели в физике элементарных частиц и изобретала хитроумные способы их проверки на основании полученных экспериментальных данных. Но невозможно было не чувствовать разочарования из-за несбывшейся надежды получать эти данные не из чужой лаборатории, а прямо у себя, раньше всех и при гораздо больших энергиях столкновений.

Сам я в то время был свежеиспеченным постдоком, членом группы, занимавшейся теорией элементарных частиц в Массачусетском технологическом институте. Я помню, мрачную атмосферу на встрече, которую мы проводили, пригласив все физическое сообщество большого Бостона поговорить о том, что делать дальше. Некоторые вопросы были чисто научными, например есть ли альтернативный способ решения тех задач, для которых разработан ССК. Но в основном говорили о том, должны ли мы направить свои усилия на поддержку серьезных инвестиций со стороны США в БАК или правильнее продолжать бой за ССК, который, впрочем, был уже проигран. Некоторые из вопросов были даже еще более практическими: есть ли какие-то способы помочь найти работу, хотя бы временную, тем ученым, которые остались на улице после закрытия лаборатории ССК?

На момент закрытия проекта Суперколлайдера на него уже было потрачено $2 млрд, выкопана часть туннеля и создана часть необходимой инфраструктуры. Трудно точно понять главный мотив решения Конгресса по закрытию проекта, но известно, что чиновники часто жаловались на нежелание руководства ССК следовать принятым бюрократическим процедурам. Отчет 1994 года, составленный комитетом Конгресса после закрытия проекта, назывался: «Потеря контроля: уроки Сверхпроводящего суперколлайдера». Он содержал подробный перечень многочисленных фактов бесхозяйственности, в том числе постоянную недооценку затрат, невыполнение обязательных внутренних проверок, а также трудности ученых в общении с Конгрессом и самим министерством энергетики. Иногда критика звучали глупо, например, когда газеты сообщили, что лаборатория потратила 20 000 долларов на растения, а эта сумма, как оказалось, включала затраты на озеленение территории. Физиков, меж тем, раздражало, что их отвлекают на то, что им казалось бюрократическими проволочками. Рой Швиттерс, бывший в то время директором лаборатории ССК, раздраженно заявил репортерам: «Наше время и энергию откачивают бюрократы и политики. Мы на ССК становимся жертвой мести студентов-троечников». Оглядываясь назад, мы понимаем, что это была, возможно, не самая политически дальновидная формулировка.

Кроме всего прочего, внутри физического сообщества тоже шла борьба. В то время как физика элементарных частиц на свои исследования получила изрядное финансирование и сумела привлечь общественное внимание, на другие направления физики выделялись гораздо меньшие деньги, и широкая общественность ими почти не интересовалась. Только семь процентов членов Американского физического общества (APS) состоят в Отделении элементарных частиц и полей, остальные занимаются исследованиями в области конденсированных сред и материалов, атомной и молекулярной физики, оптики, астрофизики, физики плазмы, гидродинамики, биофизики или другими направлениями. В конце 1980-х и начале 1990-х годов многие физики, работавшие в этих областях, были изрядно раздражены непропорционально щедрым финансированием работ по физике элементарных частиц, и для них проект ССК стал символом серьезного искажения приоритетов.

В 1987 году Боб Парк, бывший в то время исполнительным директором отдела APS (Американского физического общества) по связям с общественностью, сказал, что проект ССК «пожалуй, самый спорный из всех, расколовших физическое сообщество». Филип Андерсон из Принстона, уважаемый физик, специалист в области физики конденсированных сред, получивший Нобелевскую премию в 1977 году, заявил, что масштаб «результатов, полученных в физике элементарных частиц, совершенно не соответствует не только реальным затратам, но и несравним с масштабом результатов, полученных в других науках», и хотя ССК – хороший проект с научной точки зрения, деньги, которые он требует, лучше бы потратить на развитие других направлений науки. Джеймс Крумхансл, ученый-материаловед из Корнелла, который должен был стать следующим президентом APS, считал, что проект забирает деньги из более рентабельных областей исследований и с разработкой нового ускорителя частиц нужно подождать, пока технологии изготовления сверхпроводниковых магнитов не усовершенствуются. Кроме всего прочего, физики, занимающиеся элементарными частицами, часто сами себе вредили, хвастаясь перед коллегами своими достижениями в других областях, которые они считали побочными продуктами развития ускорителей, например, в магнитно-резонансной томографии. Николас Бломберген – еще один лауреат Нобелевской премии и президент APS – в 1991 году заявил: «Как один из пионеров в области магнитного резонанса, могу заверить вас, что он возник из физики микрообъектов».

Под натиском проблем, связанных с бюрократическим контролем, бюджетными проблемами и определением приоритетов в науке, немного отошли на второй план более важные вопросы о значении фундаментальных исследований и ценности собственно открытий самих по себе. В 1993 году в США избрали нового президента, сменились и многие конгрессмены, и новые поклялись народу взять государственные расходы под строгий контроль. Берлинская стена и Советский Союз рухнули, окончилась холодная война, а с ней и сопровожшее ее соревнование за технологическое превосходство. Роль физики высоких энергий в национальной политике, достигшая своего апогея во время Второй мировой войны в ходе выполнения Манхэттенского проекта, все последующие годы постепенное снижалась. Большинство думающих людей согласятся с тем, что задача лучшего понимания устройства Вселенной является важной, но не менее важно организовать адекватную медицинскую помощь и рабочие места для граждан страны. Выбрать здесь приоритеты и сбалансировать их между собой было не легко даже в самые благополучные времена.

После того как ССК был закрыт навсегда, отведенная для него земля и объекты инфраструктуры передали штату Техас, который очень долго пытался продать их частным владельцам. Это, наконец, удалось в 2006 году, когда миллионер из Арканзаса по имени Джонни Брайан Хант приобрел участок за 6,5 миллионов долларов. Хант хотел превратить комплекс ССК в супербезопасные информационные центры (дата-центры). Лаборатория ССК уже была оборудована силовыми и телекоммуникационными линиями, место тщательно выбиралось подальше от эпицентров возможных землетрясений и наводнений. Но в конце того же года 79-летний Хант поскользнулся на льду, сиьно ударился головой и умер. Планы по организации дата-центра были забыты, а участок под ССК снова оказался заброшенным. По сведениям на 2012 год, комплекс сегодня принадлежит владельцу химических заводов, который надеется построить там новый химический завод, но соседи возражают против этого. Какой бы ни была дальнейшая судьба лаборатории ССК, Ваксахачи уже никогда не сыграет важную роль в поиске бозона Хиггса.

Как многие и предсказывали, закрытие проекта ССК не привело к увеличению финансирования в других областях науки. Более того, те же самые конгрессмены, которые с таким энтузиазмом недавно голосовали за урезание расходов, с удовольствием стали распределять высвободившиеся деньги. В этой грустной истории был, однако, один бенефициант: Большой адронный коллайдер. Американские физики, которым власти отказали в постройке своей супермашины, успешно пролоббировали повышение участия США в проекте БАКа. Вливание американских денег сильно помогло продвинуть проект коллайдера и сохранить надежду на то, что бозон Хиггса когда-нибудь все-таки удастся поймать.

Глава 5 Величайшая машина всех времен

Мы посетим Большой адронный коллайдер – символ триумфа науки и техники, сыгравший важную роль в поисках и обнаружении бозона Хиггса.

10 сентября 2008 года началась большая жизнь Большого адронного коллайдера. Первые протоны успешно проделали весь путь по кольцу. Тысячи физиков всего мира были счастливы. Полетели в потолок пробки шампанского, сотрудники ЦЕРНа радостно похлопали друг друга по спине, произнесли пологающиеся в этом случае речи, и наступила новая эра грандиозных открытий.

А девять дней спустя коллайдер взорвался.

Не весь, конечно. БАК помещается в кольцевом туннеле, вырытом на глубине около 100 м. Он образует кольцо с длиной окружности примерно 26,7 км, пересекающее франко-швейцарскую границу в пятнадцати минутах езды от центра Женевы. Чтобы взорвалась такая махина, нужен какой-то невероятный катаклизм. Но с отдельными ее частями это вполне может произойти.

Для того чтобы БАК работал, внутри должно быть очень холодно. Машина гоняет пучки протонов по двум отдельным пучковым трубам: в одной пучок движется по часовой стрелке, в другой – против, пучки могут столкнуться в определенных местах – там, где расположены детекторы. Обе пучковые трубы окружены сверхмощными магнитами, задача которых искривлять траекторию протонов так, чтобы они оставались на правильном пути.

Магнитное поле создать легко: нужно просто пропустить электрический ток через виток проволоки. Чтобы получить сильные поля, требуется большой ток. Но большинство материалов, даже высококачественные провода, оказывают некоторое сопротивление току. Проблема состоит в том, что провод начинает нагреваться и в конце концов плавится. Для борьбы с этой проблемой провода охлаждают до невероятно низкой температуры, тогда они становятся сверхпроводящими. Сверхпроводник не имеет никакого сопротивления вообще, так что при прохождении через него тока его температура не повышается. БАК является самым крупным холодильником в мире (с большим отрывом от остальных), и охлаждение его магнитов достигается с помощью жидкого гелия, температура в котором поддерживается на уровне 1,9 градуса Кельвина (минус 271 градус по Цельсию) выше абсолютного нуля – самой низкой возможной температуры.

Но все время нужно следить: при малейшем увеличении температуры гелия провода магнитов тут же перестанут быть сверхпроводящими. Если это произойдет, огромные электрические токи, проходящие через них, встретят сопротивление, и в результате нагреют провода еще больше. От них, в свою очередь, нагреется гелий, и процесс выйдет из-под контроля, при этом жидкий гелий вскипит, превратится в газ и взорвется в своих контейнерах. Когда БАК работает, магниты всегда на волоске от катастрофы.

Такое катастрофическое развитие событий на профессиональном языке называется квенчем магнита. 19 сентября 2008 года незначительная, казалось бы, неисправность в электрическом контакте вызвала квенч в одном магните, а затем процесс быстро распространился на другие, соседние магниты. Лин Эванс, в то время бывший главой БАКа, сидел в это время в офисе для персонала и спорил по какому-то довольно тривиальному вопросу, когда зазвонил его мобильный. Эванса просили немедленно прийти – случилось что-то серьезное. «Это был ужас! – вспоминал Эванс, – я никогда не видел подобного даже на экране компьютера. Везде мигали красные сигналы тревоги».

Виновник неисправности был в конечном счете найден – им оказался плохой контакт в сверхпроводящем соединении, в результате чего возникла электрическая дуга, пробившая гелиевый дьюар. Из 1232 магнитов, направляющих протоны вдоль кольца БАКа, более пятидесяти пришлось заменить. Первоначально в докладах ЦЕРНа авария была охарактеризована как «утечка» гелия, но в данном случае больше подходит термин «взрыв». Более шести тонн жидкого гелия в течение нескольких минут было выброшено в туннель, давление там поднялось так резко, что магниты просто вырвало из пола, к которому они были прикручены болтами. Техника безопасности запрещает сотрудникам быть в туннеле БАКа, когда там циркулируют протоны, и хотя во время инцидента пучки были отключены, к счастью, на поврежденном участке в то время никого не было и никто не пострадал.

Удвоение усилий

Действительно, физически никто не пострадал. Но моральный ущерб был огромным. Роберт Аймар – французский физик, бывший в то время генеральным директором ЦЕРНа, – выпустил пресс-релиз, в котором говорилось: «Авария, случившаяся сразу после очень успешного начала работы БАКа 10 сентября, вызвала, несомненно, психологический шок». После стольких лет тяжелой подготовительной работы подойти так близко к долгожданному моменту запуска БАКа и из-за какой-то досадной неполадки пережить крушение всех надежд!

Но это история со счастливым концом. Как ни велико было разочарование, охватившее команду ЦЕРНа после взрыва 19 сентября, задача восстановления БАК только сплотила всех. Инженеры и физики бросились проверять и усиливать каждый узел машины, чтобы она выдержала те беспрецедентно высокие энергии, которые они собирались получить. Дело было не просто в том, чтобы подкрутить несколько винтов: требовалось не только отремонтировать поврежденное оборудование, но и все остальные детали машины довести до более высокого стандарта качества. И вот, несмотря на множество трудностей, не прошло и года, как ускоритель был готов к повторному запуску.

Официально должность Майка Ламона называлась «координатор БАКа», но фанаты «Звездного пути» однажды назвали его «Мистером Скоттом с БАКа[3]». Он проработал в ЦЕРНе более 23 лет, в его обязанности входило поддержание пучка протонов в рабочем состоянии даже в тех случаях, когда для этого возникали казалось бы непреодолимые препятствия. Крошечные неполадки, конечно, происходят все время, но по мере того, как день повторного запуска БАКа приближался, каждый чих представлялся смертельной болезнью. Например, во время испытаний 3 ноября 2009 года температура на некоторых магнитах начала расти из-за электрической неисправности на одной из электростанций на поверхности. Неисправность быстро ликвидировали, и Ламот объяснил любопытным репортерам, что проблема возникла из-за крошечного кусочка хлеба, упавшего на электрошину – видимо, пролетавшая птица выронила из клюва. Работа на ускорителе шла как обычно, но репортеры все-таки сумели раздуть сенсацию. The Telegraph напечатал фотографию детектора CMS рядом с фотографией голубя с подписью «Большой адронный коллайдер (слева) и его заклятый враг (справа)».

20 ноября 2009 года по трубам БАКа впервые с момента аварии полетели протоны. Через три дня пучки направили навстречу друг другу, чтобы увидеть первые столкновения. А всего лишь через семь дней после этого энергию в ускорителе подняли до такой величины, что БАК тут же вышел на первое место по энергии столкновений среди всех когда-либо построенных ускорителей.

Обычным графиком предусматривалось, что в течение большей части зимы из соображений экономии БАК не работает – в эти месяцы электричество в Женеве дороже, чем в другие периоды года. Но в 2009/2010 в команде ускорителя царило такое нетерпение, что график изменили. Ускоритель проработал зиму, и первые значимые данные (уже не «эксплуатационные», которые используются для тестирования установки) получили уже в начале 2010 года. В марте 2010 года энергия БАКа была поднята до запланированного промежуточного значения (половины максимального уровня энергии), что составило рекордную величину для столкновений частиц высоких энергий. Шампанское вновь потекло рекой.

Оглядываясь назад, можно сказать, что авария, произошедшая в сентябре 2008 года, помогла физикам и техникам БАКа намного лучше изучить свою машину, и в результате, начиная с 2010 года, физические исследования на ускорителе шли без существенных перерывов. Учитывая, что до 2010 года серьезных экспериментов на БАКе по сути не проводилось, почти для всех стало полнейшей неожиданностью то, что уже к июлю 2012 года было собрано и проанализировано достаточно данных для обнаружения бозона Хиггса. Представьте, что вы купили дорогой автомобиль, который почти сразу сломался. Вам пришлось бы потратить время, чтобы найти некоторые досадные неполадки и исправить их, но как только вы справитесь с этим, выедете на автостраду и надавите на газ, вы почувствуете, что взлетаете.

Большой адронный коллайдер – это в чистом виде Большая наука. Количество подвижных частей – как живых, так и механических – может испугать, а может и удручить. Лауреат Нобелевской премии Джек Стейнбергер заметил: «БАК – это символ того, как трудно в наши дни добиться существенного продвижения в науке. Какая огромная разница с моими аспирантскими годами, когда 65 лет назад я в одиночку за полгода смог проделать эксперимент, и он оказался важным». БАК – это самая крупная и наиболее сложная машина из всех конструкций, построенных людьми, и иногда удивляешься, что она вообще работает.

Но она работает и работает на редкость хорошо. Физики, с которыми я беседовал, когда писал эту книгу, снова и снова говорили о потрясающих масштабах проекта, но их восхищал не только он. По их мнению, ЦЕРН можно рассматривать в качестве модели крупномасштабного международного сотрудничества. Джо Инкандела сказал однажды: «Меня поразило, что у нас работают бок о бок ученые из 70 стран мира – палестинцы и израильтяне, иранцы и иракцы. Такое сотрудничество во имя Большой науки следовало бы взять за образец для подражания». Джо Ликкен – американский физик-теоретик из лаборатории Ферми – грустно сказал: «Если бы только ООН могла работать как ЦЕРН, мир был бы намного лучше».

Если считать, что изучение частиц, подобных бозону Хиггса, требующих для своего рождения огромного количества энергии, – цель, оправдывающая затраты, то единственный способ достичь этой цели – развивать эту Большую науку. Существует море фантастически интересной науки, которой нужно заниматься, и это можно делать с помощью недорогих лабораторных экспериментов, но открытие новых тяжелых частиц – не из этой категории. Сейчас БАК является единственным в своем роде инструментом для занятий такого рода научной деятельностью, и то, что он работает, свидетельствует о необыкновенной человеческой изобретательности и настойчивости.

Подготовка проекта

БАК – это апофеоз человеческой способности все точно спланировать и спроектировать. Физики ЦЕРНа ко времени создания проекта уже довольно долго мечтали о гигантском протонном коллайдере, но первые «официальные» дискуссии о том, чем в конечном счете должен стать БАК, прошли на семинаре в Лозанне (Швейцария) в марте 1984 года. Те, кто был занят разработкой проекта, знали, что в США рассматривается похожий проект, который в конечном счете должен был стать Сверхпроводящим суперколлайдером (ССК), и исходя из этого, должны были решить, имеет ли смысл тратить ограниченные ресурсы на европейского конкурента. (Тогда еще никто не знал, что проект ССК в конечном итоге будет закрыт.) В отличие от проекта ССК, который был новым объектом, и его строительство начиналось с нуля, коллайдер БАК предполагалось поместить внутри готового туннеля, уже выкопанного для ускорителя LEP, что накладывало ограничения на его размеры и мощность. В результате предполагаемое значение энергии для БАКа составило 14 ТэВ, то есть чуть больше одной трети соответствующего показателя для ССК (40 ТэВ). Зато на БАКе предполагалось получать ежесекундно больше столкновений, и кроме того, плнировалось, что он будет дешевле. При благоприятном стечении обстоятельств и везении могло оказаться, что все интересные физические явления происходят при энергиях, меньших 14 ТэВ, и, таким образом, более высокие энергии, на которые был рассчитан ССК, стали бы не нужны.

Больше всего для продвижения проекта БАКа сделал итальянский физик Карло Руббиа, смелый человек и великолепный экспериментатор, получивший в 1984 году Нобелевскую премию за открытие W– и Z-бозонов. Руббиа был чрезвычайно влиятельной фигурой, его хорошо знали благодаря не только достижениям в науке (весьма значительным), но и волевому характеру. Именно он добился строительства в ЦЕРНе в 1981 году первого протон-антипротонного коллайдера ISR, концепция которого позже будет принята и в Фермилабе при строительстве Теватрона. (При проектировании БАКа вернулись к идее столкновения протонов друг с другом, поскольку создание нужного количества антипротонов для получения требуемого числа столкновений оказалось слишком сложной задачей.)

Сначала в качестве председателя группы стратегического планирования ЦЕРНа, а затем в качестве генерального директора лаборатории с 1989 по 1993 год Руббиа энергично продвигал проект БАКа еще тогда, когда LEP не закончил свою работу, а в США строительство ССКа не было остановлено. В Европе имелись свои финансовые проблемы, особенно в ФРГ, где незадолго до этого произошло воссоединение двух Германий, и затраты на него все время возрастали. Постепенно Руббиа смог убедить европейские правительства, что адронный коллайдер должен стать следующим шагом в развитии лаборатории ЦЕРН независимо от того, что делают другие страны. Но только в 1991 году Совет ЦЕРНа принял резолюцию, в которой официально зафиксировал решение изучить предложения по проекту БАКа, а окончательно проект БАК был утвержден лишь в декабре 1994 года (уже после остановки строительства ССК). Лин Эванс был назначен директором БАКа, и ученые и инженеры вплотную занялись решением сложнейшей задачи воплощения идеи в реальность.

Главный архитектор проекта

В проекте, рассчитанном на долгие годы, в котором участвовало столько людей и стран и в котором было столько сложнейших подпроектов, несправедливо приписывать слишком большую роль одному человеку, преуменьшая тем самым вклад множества других участников. Тем не менее если кто-либо и должен быть персонально упомянут среди создателей БАКа, так это Лин Эванс.

Эванс производит впечатление скромного человека. Седой и импозантный, в общении вполне демократичен. Он родился в горняцкой семье из Уэльса. Его первой любовью была химия, причем особое удовольствие ему доставляло изготовление взрывчатки. И это, возможно, как раз то, с чего должен начинать человек, который в один прекрасный день начнет проектировать машину для столкновений частиц с самыми высокими энергиями из всех, когда-либо полученных людьми. В университете он переключился на физику, потому что «физика была интереснее и легче». Когда проект БАКа был одобрен, для управления его строительством ЦЕРНу понадобился человек с опытом, но при этом достаточно молодой и энергичный, чтобы довести дело до конца. Эвансу была поставлена сложнейшая задача: в условиях ограниченного бюджета построить машину заданного размера, добиться от нее максимально возможной научной отдачи, попутно решив массу самых сложных за всю историю экспериментальной науки технологических проблем. Именно Эванс придумал, как модифицировать первоначальные планы конструкции БАКа и привести их в соответствие с финансовыми реалиями.

В ходе реализации инженерного проекта такого масштаба всегда возникают непредвиденные препятствия. Благодаря LEP для БАКа уже имелся готовый туннель, но для четырех крупных детекторов, необходимых при исследовании столкновений, требовалось выкопать новые котлованы. Детектор CMS планировали установить на противоположной стороне кольца (если смотреть от основного здания ЦЕРНа), недалеко от французского города Сесси. И вот когда рабочие начали копать, они случайно натолкнулись на остатки римской виллы IV века! Там обнаружились ювелирные изделия и монеты, имевшие хождение на территориях, ставших позже Англией, Францией и Италией. Неоценимая для историков находка обернулась для физиков задержкой, грозящей нарушением всех графиков. Строительство было остановлено на шесть месяцев, во время которых археологи исследовали руины.

А потом выяснилось еще одно неприятное обстоятельство. Оказалось, что над котлованом, в котором должен помещаться детектор CMS, протекала подземная река. Просачивание воды было не столь сильным, чтобы помешать работе детектора, но оно мешало проведению земляных работ. Команда строителей нашла выход: в яму опустили трубы, по которым тек жидкий азот, замораживающий воду, и копать твердую землю стало намного легче, чем выкачивать жижу. Эванс говорил, что это «было просто здорово».

Эванс и все другие сотрудники ЦЕРНа, работавшие на строительстве БАКа, упорно продвигались к цели. Помимо технических проблем, мешали работе и правительства европейских стран, участвовавших в проекте, постоянно угрожавшие урезать их взносы в ЦЕРН. От руководителей проектов, связанных с физикой элементарных частиц, требуются не только познания в физике и технологиях, но и дипломатическая хитрость и политическое чутье. Важный импульс развитию проекта в 1997 году придало решение США инвестировать в БАК $2 млрд. Все официальные «государства-члены» ЦЕРНа – это европейские государства: Австрия, Бельгия, Болгария, Чехия, Дания, Финляндия, Франция, Германия, Греция, Венгрия, Италия, Нидерланды, Норвегия, Польша, Португалия, Словацкая Респуб лика, Испания, Швеция, Швейцария и Великобритания. Множество других стран подписало соглашения, позволяющие их ученым работать в ЦЕРНе. США (как и Индия, Япония, Россия и Турция) имеет статус государства-«наблюдателя», что подразумевает участие в физических экспериментах и заседаниях Совета ЦЕРНа, но официально такая страна не участвует в обсуждении стратегических планов лаборатории. США – безусловный тяжеловес, и принятые американцами на себя важные обязательства сыграли значительную роль в успехе БАКа. (Не менее важна роль Японии и России.) Более тысячи американских физиков вскоре приехали в ЦЕРН работать на БАКе.

Эванс по своему характеру не начальник, ему легче самому возиться с оборудованием, не боясь запачкать руки, чем требовать от подчиненных, чтобы они тщательно вели записи проходящих работ. Само строительство БАКа проводились в соответствии с планом, но постепенно накапливались небольшие перерасходы средств. Момент истины наступил в 2001 году, когда стало ясно: ускоритель приблизительно на 20 % дороже, чем предусматривалось первоначальным бюджетом. На открытом заседании совета ЦЕРНа генеральный директор Лучано Майани вопреки совету Эванса обнародовал величину перерасходованных средств и прямо заявил, что государства-члены должны оплатить дополнительные расходы.

Естественно, те не пришли в восторг от такой перспективы. Роберту Аймару, который стал следующим генеральным директором после Майани в 2004 году, Совет ЦЕРНа поручил присматривать за менеджментом уникальной машины. Некоторые члены Совета засомневались в том, что Эванс подходит для этой бюрократической роли, и посчитали, что тут нужен другой человек – более жесткий. Но Аймар понял, что уникальное знание Эвансом коллайдера намного важнее, чем мягкость его стиля руководства, и он был оставлен на посту директора проекта. Позже Эванс вспоминал: «Меня, признаться, тогда как следует поджарили. Тот год был самым худшим за весь период моей работы на БАКе».

После инцидента 19 сентября, произошедшего уже после запуска машины, Эванс сказал: «Авария стала последним звеном в цепи неудач, и это было тяжелым ударом. Однако, у меня бывали сложные моменты и в прошлом».

Ускорение частиц

В игре тетербол один конец веревки прикрепляется к мячу, а другой – к верхушке столба. Два игрока стоят по разные стороны столба, бьют по мячу, стараясь намотать веревку вокруг столба. А теперь представьте, что есть только один игрок и что веревка не закреплена неподвижно, а на ее конце петля, которая может свободно скользить вокруг столба. Тогда веревка уже не будет накручиваться на столб, и на каждом обороте игрок, ударяя по шару, будет подталкивать мяч все время в одном и том же направлении и разгонять его до все более высоких скоростей.

В сущности, в этом и состоит основная идея ускорителей частиц. Роль мяча играют пучки протонов, а роль веревки, которая удерживает мяч на круговой траектории, – сильные магнитные поля, заставляющие протоны двигаться по искривленным траекториям в кольце. А вот роль игрока, ударяющего по мячу, играют электрические поля – они подталкивают протоны, чтобы на каждом обороте их скорость увеличивалась.

Протоны чрезвычайно малы по сравнению с предметами, с которыми мы имеем дело в повседневной жизни, – их размер около одной десятитриллионной сантиметра в поперечнике. Вы не можете просто взять один из них в руку и бросить или ударить по нему, когда он пролетает мимо. Для ускорения протонов в БАКе электрический генератор создает во время прохождения частиц электрическое поле, меняющее свое направление с частотой около 400 миллионов раз в секунду. Коммутации очень точно синхронизованы по времени, так что каждый протон при движении в туннеле всегда чувствует электрическое поле, направленное в одном и том же направлении, в результате он быстро набирает большую скорость. Это ускорение создается только в одной точке в кольце, а большая часть усилий на всей длине 27-километрового кольца тратится не на ускорение протонов, а на то, чтобы они сохраняли направление своего движения по круговой траектории внутри кольца.

Когда БАК будет работать в полную силу, там будет в общей сложности около 500 триллионов протонов в двух пучках, в одном из которых протоны движутся по кольцу по часовой стрелке, а в другом – против часовой стрелки. (Цифра приблизительная, поскольку характеристики машины со временем улучшаются.) Это большое количество протонов, но оно очень мало по сравнению с их количеством, содержащимся в любом обычном предмете. Все протоны в БАКе находятся в одной невзрачной канистре с водородом, для всех посторонних она выглядит как огнетушитель. Из этой канистры извлекают небольшое количество молекулярного водорода, который подвергают удару электрическим током, в результате чего электроны обдираются, а протоны отправляются в путь (молекула водорода состоит из двух атомов, каждый из которых содержит один протон и один электрон). Лин Эванс, обучавшийся в юности взрывным наукам, а не физике элементарных частиц, начал свою карьеру в ЦЕРНе, занимаясь именно этой проблемой. В канистре содержится около 1027 атомов водорода, и протонов в них хватит примерно на миллиард лет работы БАКа. Протоны – не дефицитный ресурс.

Протоны загружают в БАК не непрерывно, а порциями – «загрузками», причем вся загрузка отправляется в работу сразу и гоняется там примерно десять часов (или до тех пор, пока пучок по какой-то причине не деградирует). Сначала протоны пропускают с максимальной осторожностью через серию предварительных ускорителей, а оттуда они, наконец, попадают в главное кольцо. И здесь малейшая небрежность недопустима. Протоны в двух циркулирующих пучках распространяются не равномерно – они группируются в тысячи «банчей» (порций или сгустков) в каждом пучке, причем в одном таком банче находится около 100 миллиардов протонов. Сгустки имеют длину 2–3 см, летят на расстоянии примерно 7 метров друг от друга и фокусируются в очень тонкую иглу. Пучок при движении протонов по кольцу имеет диаметр, примерно равный одному миллиметру, – такой же как грифель карандаша – и при входе банча в детектор перед столкновением дополнительно фокусируется, и его диаметр сужается до нескольких тысячных сантиметра. Протоны все имеют одинаковый положительный электрический заряд, поэтому, естественно, стремятся растолкать друг друга, и главной проблемой становится удержание такого тонкого пучка в нужных параметрах.

Кроме энергии сталкивающихся частиц у ускорителя есть еще одна важная характеристика – «светимость», она определяется числом частиц, участвующих в процессе. Вы можете подумать, что считается число всех частиц, летящих по кольцу, но в реальности имеет значение только число столкновений, а большое количество частиц приводит к большому количеству столкновений, лишь если пучок очень сильно сфокусирован. В течение 2010 года главным для создателей БАКа было испытание всех частей машины, ведь требовалось убедиться, что все они находятся в рабочем состоянии, поэтому светимость тогда была не очень высокой. К 2011 году все узлы в значительной степени были проверены, и число столкновений увеличилось примерно в 100 раз по сравнению с предыдущим годом. В 2012 году успешная работа продолжилась, и в течение первой половины года физики арегистрировали больше столкновений, чем за весь 2011 год. Это огромное количество полученных данных и позволило обнаружить бозон Хиггса раньше, чем ожидалось.

Скорость и энергия

У протонов в БАКе большая энергия, потому что они быстро мчатся – со скоростями, очень близкими к скорости света. Каждый массивный объект, человек ли это, автомобиль или протон, обладает некоторым количеством энергии даже когда он неподвижен, и, согласно формуле Эйнштейна, эта энергия покоя есть E = mc². Но когда объект движется, он приобретает дополнительную – «кинетическую» – энергию, величина которой зависит от величины его скорости. В повседневной жизни энергия движения на много порядков меньше энергии, которую объект имеет в состоянии покоя только потому, что обычные скорости гораздо меньше скорости света. Самый быстрый в мире самолет – экспериментальный самолет НАСА, называемый X-43, – в состоянии ускориться до скорости 11230 км/ч. Но и при этой скорости энергия движения самолета добавляет лишь одну десятимиллиардную к его энергии покоя.

Протоны в БАКе летят намного быстрее, чем X-43. В ходе первых экспериментов 2009–2011 годов они разгонялись до скоростей, равных 99,999996 % скорости света, или примерно 1 079 022 114 км/ч. На этих скоростях энергия движения гораздо больше энергии покоя. У протона энергия покоя чуть меньше 1 ГэВ. При первом запуске Большого адронного коллайдера были получены протоны с энергией 3500 ГэВ, или коротко 3,5 ТэВ, так что, когда два из них сталкивались, общая их энергия в момент столкновения достигала 7 ТэВ. В 2012 году при столкновении протонов была получена общая энергия 8 ТэВ. Цель же физиков – достичь 14 ТэВ. Для сравнения в Теватроне, работавшем в Фермилабе, максимальная полная энергия достигала примерно 2 ТэВ.

При скоростях, близких к скорости света, вступает в игру теория относительности. Она учит нас, что на высоких скоростях пространство и время для движущихся предметов меняются: время замедляется, а длина – вдоль направления движения – уменьшается. Как следствие, путь по кольцу длиной 26,7 км любому высокоэнергетичному протону покажется гораздо короче, если, конечно, протоны в состоянии замечать такие вещи. Для протона с энергией 4 ТэВ один виток кольца будет равным всего лишь примерно 7 м. Когда же его энергия достигнет 7 ТэВ, этот путь уменьшится до 4 м.

Что такое энергия 1 ТэВ? Не то, чтобы много – примерно такая энергия движения у летящего комара – вы и не заметите, если он столкнется с вами. Важно не то, что 4 ТэВ (или любая сравнимая с ней энергия) – большая, а то, что вся эта энергия сосредоточена в одном протоне. И помните, что в БАКе одновременно крутится 500 триллионов протонов. Если взять пучок в целом, можно уже говорить о серьезных энергиях – примерно таких же, как у мчащегося на вас локомотива. Вряд ли вам захотелось бы оказаться у него на пути.

Или все не так страшно? Хотя протоны в БАКе и собираются в большие банчи, они фокусируются в очень тонкий луч. Может, большая часть протонов пройдет сквозь вас, не причиняя вреда?

И да, и нет. Никто в БАКе никогда не ставил на пути пучка какие-нибудь части своего тела, да это и невозможно – пучки плотно закупорены в вакуумной трубе и просто так человек оказаться там не может. Но в 1978 году один несчастный советский ученый по имени Анатолий Бугорский все же умудрился подставить голову прямо под пучок высокой энергии. (Стандарты безопасности в России на протвинском синхротроне У-70 были гораздо менее строгими, чем те, что установлены сейчас в ЦЕРНе.) Энергия пучка, который пронзил Бугорского, была равна всего 76 ГэВ – существенно меньше, чем в БАКе, но тем не менее это большая энергия. Он не погиб на месте – более того, он и сегодня все еще жив. Бугорский позже рассказал, что видел вспышку света, «ярче тысячи солнц», но не почувствовал боли. У него возник радиационный рубец, он потерял слух на левое ухо, левая сторона лица вообще была парализована, и до сих пор он страдает от периодических приступов боли. Но Бугорский выжил, у него не возникло психических нарушений, он защитил кандидатскую диссертацию и в течение многих лет после инцидента продолжал работать на ускорителе. Тем не менее эксперты не рекомендуют подставляться под пучки протонов высокой энергии.

Причина, по которой голову Бугорского не разорвало на мелкие кусочки, в том, что многие протоны прошли сквозь ткани его головы, не провзаимодействовав с ними. А в БАКе часто встает задача обратная задача – «загасить» энергию пучков, а это значит, что нужно всю энергию пучка куда-то отвести. (Если бы просто замедлить протоны, они бы безопасно рассеялись, но это технически сложно.) Представить масштаб полной энергии пучка можно еще одним способом – найти тротиловый эквивалент. Эта величина оказывается равной примерно 80 кг в тротиловом эквиваленте, и всю эту энергию в конце каждой загрузки, то есть примерно каждые десять часов, нужно как-то гасить.

Эксперименты показали, что если пучок протонов в БАКе направить на медную болванку, его энергии будет достаточно, чтобы расплавить тонну меди. Поскольку нежелательно, чтобы эти мчащиеся пучки, случайно отклонившись, врезались в тщательно отъюстированную экспериментальную установку, предварительно ослабленный пучок отклоняют от нормальной траектории пучка специальными магнитами, затем идет расфокусировка, после чего он проходит еще около километра перед тем, как врезаться в специальной графитовый «блок сброса». Графит особенно хорошо поглощает энергию, не плавится, несмотря на то что температуры там достигают 760 °С. В таком блоке содержится в общей сложности около 10 т графита, а сам он помещен в экранирующий 1000-тонный кожух из стали и бетона. Ему требуется всего несколько часов, чтобы остыть, и вот уже все готово для гашения следующего пучка.

Мощные магниты

Мы представляем себе БАК в виде гигантского кольца длиной 26,7 км, но на самом деле он больше похож на искривленный восьмиугольник, поскольку кольцо разделено на восемь частей – восемь дуг, а концы этих дуг соединены прямыми отрезками около 2,5 км длиной. Если бы вам пришлось войти в одну из дуг туннеля БАКа, вы увидели бы ряд больших голубых труб, тянущихся в обоих направлениях. Это «дипольные магниты», которые направляют протоны по траекториям внутри пучковых труб. В каждой дуге имеется 154 трубы, и каждая из них имеет длину около 15 м и вес более 30 т. Большая часть внутреннего пространства каждой трубы занята сверхпроводящим магнитом, охлаждаемым жидким гелием, а по самому центру идут две узкие пучковые трубы, в которых движутся пучки протонов – в одной частицы движутся по часовой стрелке, в другой – против.

Если какая-либо заряженная частица, например протон, покоится в стационарном магнитном поле, она не чувствует вообще никакой силы и может там спокойно оставаться бесконечно. Но если заряженная частица летит через магнитное поле, она отклоняется от прямой линии. (Если через поле пролетит нейтральная частица, ее траектория не изменится.) Вспомним, что энергия пучка в БАКе сравнима с энергией движущегося поезда, а потому БАКу нужны невероятно мощные магниты, ведь сильно искривить траекторию протонов не так-то легко.

Мощность магнитов должна быть достаточной, чтобы обеспечить максимально возможную энергию протонов в туннеле фиксированного размера. Земля тоже имеет магнитное поле, которое позволяет с помощью стрелки компаса установить, где север, а где юг. Поле внутри каждого из дипольных магнитов БАКа примерно в 100 000 раз сильнее поля Земли, и обычные материалы для его изготовления не подходят, нужны сверхпроводники. В магнитах БАКа используется почти 8000 километров кабелей, изготовленных из сверхпроводящих материалов на базе ниобия и титана, охлаждаемых до сверхнизких температур 120 т жидкого гелия. Внутри БАКа холоднее, чем в космосе: температура магнитов ниже, чем у космического фонового излучения, сохранившегося после Большого взрыва.

Температура – не единственный критерий, по которому БАК переплюнул космическое пространство: в пучковых трубах поддерживается очень высокий вакуум – настолько высокий, что давление внутри трубы примерно такое же, как атмосферное давление на Луне. Если бы внутри труб был воздух, протоны постоянно натыкались бы на его молекулы и пучок бы рассыпался.

Перед тем как машину запустили в первый раз, команда БАКа очень волновалась, достаточно ли тщательно откачана пучковая труба. Когда в 1983 году в Фермилабе заработал Теватрон, первые попытки раскрутить протоны быстро закончились неудачей. Виновника довольно быстро нашли – им оказался случайно застрявший в трубе маленький кусочек ткани. Но легко ли обследовать трубу ускорителя длиной 27 км при том, что сами пучковые трубы имеют в поперечнике только около 2,5 см? И тут у техников возникла гениальная идея: они сделали шарик из ударопрочного поликарбоната, похожий на мячик для пинг-понга, внутрь засунули радиопередатчик и покатили по трубе. Если бы шарик остановился, техники смогли бы отследить по сигналу передатчика, где это произошло. То была отличная идея, и кое-кто, вероятно, почувствовал разочарование, когда шарик выкатился, не встретив ни единого препятствия. Трубе была выдана справка об абсолютном здоровье.

Магниты в БАКе – самые крупные и громоздкие части машины, они олицетворяют мощь технологических инноваций и эффективность международного сотрудничества. Такой уровень точности, какой необходимо обеспечить для столкновения пучков, не обходится дешево. Трудно установить точную стоимость БАКа, поскольку часть денег расходуется на содержание лаборатории в целом, но цифра 9 млрд долларов – хорошая оценка для общего бюджета. По словам физика Джан Джудайса, «если пересчитать в евро за килограмм, то килограмм дипольных магнитов на БАКе – самого дорогого элемента ускорителя – стоит примерно столько же, сколько килограмм швейцарского шоколада. Будь БАК построен из шоколада, он бы стоил примерно столько же».

Шоколад может не восприниматься как слишком дорогой продукт, ведь мы время от времени его покупаем и едим. Но обычно все-таки меньшими порциями, чем двадцатисемикилометровая шоколадка, сделанная из самого лучшего шоколада. Посчитайте, сколько бы она стоила!

Передача факела

Лин Эванс официально ушел из ЦЕРНа в 2010 году, уже когда машина была успешно запущена после аварии и заработала. А поступил на работу в ЦЕРН в 1969 году, отдав ему сорок лет жизни и пережив десять генеральных директоров. Еще совсем недавно, в 1981 году, он, Карло Руббиа и Серджо Читтолин (итальянский физик со своеобразным хобби – украшать лабораторные журналы эскизами в стиле Леонардо да Винчи) втроем в 4 часа 15 минут утра, находясь в пустой в диспетчерской, включили модернизированный Суперпротонный синхротрон и наблюдали первые протон-антипротонные столкновения частиц внутри ускорителя.

Ничего похожего на то, что происходило 10 сентября 2008 года, когда торжественное открытие БАКа стало международным событием, непосредственными свидетелями которого стали сотни людей, и еще тысячи наблюдали за ним благодаря Интернету по всему миру. В тот день в диспетчерской БАКа, заполненной представителями средств массовой информации, известными учеными и высокопоставленными гостями, Эванс выступал в качестве дирижера. Чтобы заставить аудиторию поволноваться, инженеры не сразу запустили протоны по всему кольцу, а стали открывать восемь секторов один за другим. После того как первые семь секторов успешно прошли испытание, Эванс начал обратный отсчет, а в это время протоны готовили к пролету полного оборота по кольцу. В назначенное время на сером экране компьютера вспыхнули две точки – это означало, что пучок успешно стартовал и успешно вернулся в ту же самую точку. Комната взорвалась аплодисментами, и в физике элементарных частиц наступили новые времена.

Физики редко уходят на пенсию в обычном смысле слова, вот и Эванс после выхода на пенсию участвует в эксперименте CMS и помогает проектировать следующее поколение ускорителей. После того как было объявлено об открытии бозона Хиггса, Эванс, размышляя о том, что все-таки произошло, сказал: «Недавно я оказался на вечере, организованном коллаборацией CMS. Там собралось около 500 человек. Увидев всех этих молодых людей, я вдруг понял, какой груз ответственности лежал на моих плечах. Я имею в виду то, сколько людей рассчитывает, что эта машина будет работать!»

Теперь в ЦЕРНе надеются, что она будет продолжать функционировать в течение будущих десятилетий. Чтобы оправиться от аварии сентября 2008 года, потребовалось больше года, но с тех пор БАК работает просто великолепно. В 2010 и 2011 годах эксперименты велись при полной энергии 7 ТэВ, в 2012 году – при 8 ТэВ, что позволило обнаружить бозон Хиггса или нечто очень похожее на него. По-прежнему конечная цель – достичь 14 ТэВ, но чтобы добиться этого, потребуется отключить БАК на два года для тестирования и модернизации оборудования. Отключение изначально планировалось начать в конце 2012 года, но после открытия бозона Хиггса Совет ЦЕРНа решил продлить работу ускорителя на 8 ТэВ еще на несколько месяцев. Это так понятно – всякий раз, получая новую игрушку, вы хотите с ней поиграть прямо сейчас, сразу и без промедлений!

Глава 6 Что открывают нам столкновения

Мы узнаем, как обнаружить новые частицы, сталкивая уже известные частицы на огромных скоростях и наблюдая за тем, что происходит.

В детстве я увлекался разными науками, но только две вещи действительно захватили меня: физика и динозавры. (В свои двенадцать лет я не знал слова «палеонтология».) Время от времени у меня случался флирт с другими науками, но отношения никогда не заходили слишком далеко. Например, я с удовольствием развлекался с подаренным мне детским химическим набором, но в основном поджигал реактивы и никогда не испытывал особенного счастья от получения новых соединений в строго контролируемых условиях.

Другое дело динозавры! Это был настоящий роман. Мой дед брал нас с братом в музей штата Нью-Джерси, расположенный в Трентоне, где мы быстро проскальзывали мимо скучных артефактов и исторических выставок, но замирали перед зловеще нависающими огромными скелетами. Я никогда всерьез не связывал свое будущее с палеонтологией, но каждый ученый из тех, что я знаю, в душе согласен, что динозавры – это по-настоящему круто.

Вот почему я был взволнован, когда меня, уже вполне взрослого, преподавателя Университета Чикаго, пригласили поучаствовать в экспедиции по поискам динозавров. Большинство палеонтологических экспедиций прекрасно могут обойтись без физиков, но эта экспедиция была организована под эгидой некоммерческого Исследовательского проекта, предназначенного для того, чтобы увлечь наукой детей и представителей национальных меньшинств. То было специальное мероприятие для друзей организации, и меня пригласили для участия в различного вида научно-просветительских мероприятиях, связанных с экспедицией. Признаться, мне было совершенно неважно, чем там заниматься – хоть мыть посуду, я был согласен на все, лишь бы мне разрешили раскапывать кости динозавров, ведь это была мечта моего детства.

И мы нашли их – в районе геологической формации Моррисон, недалеко от городка Шелл (штат Вайоминг) с населением около 50 человек. Земля Моррисона набита окаменелостями юрского периода, и мы коротали теплые деньки, бодро выкапывая образцы камаразавра, трицератопса и стегозавра. Слово «выкапывать» может дать преувеличенное представление о достижениях нашей – в основном любительской – команды. По большому счету мы лишь нашли место, где имело смысл копать, и оставили его для другой экспедиции, которая должна была довести дело до конца.

Это был полезный опыт – я многому научился, и прежде всего понял, что заниматься теоретической физикой гораздо легче, чем палеонтологией. А еще я нашел ответ на вопрос, который не давал мне покоя в течение многих лет: чем отличается кусок окаменевшей кости от окружающей его горной породой? В течение миллионов лет эта кость всасывала минералы из окружающей скальной породы, пока в конце концов не превратилась почти в настоящий камень. Так как отличить одно от другого?

Ответ: с помощью очень тщательного анализа. У экспертов-палеонтологов есть, конечно, приемы, отточенные за годы их работы и позволяющие увидеть тонкие градации цвета и текстуры тканей, которые ускользают от внимания непосвященных. Приведите группу любителей к месту залегания ископаемых остатков динозавра, и, несомненно, самый частый вопрос, который вы услышите, будет: «А этот кусок – кость?». На него всегда есть однозначный правильный ответ, и эксперты почти всегда могут его найти.

В то время как работа по поиску костей динозавров очень далека от повседневной жизни физиков-теоретиков, сходство с экспериментальной физикой элементарных частиц очевидно. Мы говорим кратко: на Большом адронном коллайдере мы «увидели бозон Хиггса», но в реальности все не так просто. Мы никогда не видели бозонов Хиггса, и вероятность его увидеть не больше, чем вероятность встретиться с динозавром на улице. Век бозонов Хиггса очень недолог – едва ли хоть один из них переживет одну десятимиллиардную одной триллионной доли секунды. Это слишком мало, чтобы успеть поймать его даже с помощью такого технологического чуда, как все детекторы БАКа. (Время жизни прелестного кварка – одна триллионная секунды, и это предельное время жизни, за которое еще частицу можно успеть засечь, а время жизни бозона Хиггса равно одной десятимиллиардной этого значения.)

Вот почему мы надеемся найти лишь свидетельства того, что бозон Хиггса существовал, – в виде появления других частиц, возникающих при его распаде. Если продолжить аналогию с динозаврами, мы ищем окаменелости.

В предыдущей главе мы говорили об ускорителе БАК, который гоняет сотни миллиардов протонов по круговым траекториям в тоннеле, расположенном в пригороде Женевы. В этой главе мы поговорим о массивных детекторах, установленных в определенных помещениях по всему кольцу, где в сериях частых взаимодействий протоны приводятся в столкновение. В полученных данных, касающихся какого-то отдельного события, мы могли бы, например, обнаружить две струи сильно взаимодействующих частиц или высокоэнергетичную мюон-антимюонную пару. Вопрос: все это возникло при распаде бозона Хиггса или от чего-то еще? Методика правильной идентификации этих «окаменелостей» представляет собой сочетание научных методов, технических приемов и черной магии. Они и лежат в основе охоты на бозон Хиггса.

Идентификация частиц

Физика элементарных частиц подобна работе следователей. Прибывшие на место преступления детективы редко находят там видеозапись с кадрами, на которых запечатлен преступник в момент убийства, нечасто их ждут и непротиворечивые показания очевидцев или подписанные преступником признания. Скорее всего, есть несколько разрозненных улик: там – фрагменты отпечатков пальцев, здесь крошечный образчик ДНК. Самая сложная часть работы – сложить эти фрагменты вместе и восстановить полную картину преступления.

Аналогично, когда физик-экспериментатор, работающий с элементарными частицами, анализирует результаты, полученные на коллайдере, он и не надеется увидеть приколотый к частице значок, на котором написано: «Я – бозон Хиггса!». Мы уже говорили, что бозон Хиггса быстро распадается на другие частицы, поэтому у нас должно быть четкое представление о том, какими эти частицы должны быть, а это – задача для теоретиков. А экспериментаторы сталкивают протоны друг с другом и смотрят, что получается. Большая часть внутренности детектора частиц заполнена материалом, проходя через который частицы оставляют следы. Конечно, не все частицы так делают: например, нейтрино не чувствуют ни электромагнитное, ни сильное взаимодействие, поэтому они не оставляют никаких следов, и нам приходится напрячь умственные способности, чтобы их обнаружить.

К сожалению, и треки частиц, которые мы все-таки наблюдаем, тоже не снабжены табличками с надписями: «Я мюон, и лечу со скоростью, равной 0,958 от скорости света!». Мы сами должны определить, что за частицы возникли в результате столкновений и что это означает для процессов, благодаря которым стало возможным рождение этих частиц. Мы должны знать, был ли этот мюон произведен в результате распада хиггсового бозона, Z-бозона, или каких-либо еще подозреваемых. И при этом сами частицы совершенно не горят желанием сделать чистосердечное признание.

Хорошей новостью является то, что общее число частиц в Стандартной модели относительно невелико, так что у нас набирается не слишком много подозреваемых, которых придется проверять. В этом смысле мы больше похожи на шерифа из Мэйберри[4], чем на детектива с Манхэттена. У нас есть шесть кварков, шесть лептонов и несколько бозонов: фотоны, глюоны, W– и Z-бозоны, и, наконец, сам бозон Хиггса. (Гравитоны по существу никто никогда не видел, потому что гравитация – очень слабое взаимодействие.) Определив массу и заряд частицы, а также то, чувствует ли она сильное взаимодействие, мы почти наверняка однозначно идентифицируем ее. И задача экспериментатора – отследить как можно точнее треки частиц, образующихся при столкновении, а также определить их массы, заряды и взаимодействие с другими частицами. Это позволит нам воспроизвести основной процесс, который вызвал всю эту неразбериху.

Определить, ощущает частица сильные взаимодействия или нет, довольно легко, поскольку по счастливому стечению обстоятельств эти взаимодействия являются по-настоящему сильными. Кварки и глюоны оставляют совершенно не такие следы в детекторе, как лептоны и фотоны. Они быстро группируются и запирают себя в различные виды адронов – либо в комбинации из трех кварков, так называемые «барионы», либо в пары из одного кварка и одного антикварка – «мезоны». Эти адроны лихо врезаются в атомные ядра, поэтому их легко отличить. На самом деле, когда вы производите один кварк или глюон с высокой энергией, сильные взаимодействия, как правило, приводят к тому, что они превращаются в целый букет адронов, называемый «струей» или «джетом». Соответственно, очень легко увидеть, что был получен кварк или глюон, но выяснить его точные свойства немного сложнее.

Зато с помощью волшебных магнитных полей довольно легко выяснить, какой у частицы электрический заряд. Детекторы БАКа, как и его туннель, заполнены разными магнитными полями, которые направляют частицы в разных направлениях. Если движущаяся частица отклоняется в одном направлении, она имеет положительный заряд, если в другом – ее заряд отрицательный, ну, а если частица движется по прямой, значит, она нейтральна.

Детекторы бака

Когда Карл Андерсон в 1930-х годах открыл позитрон, он сделал это с помощью облачной камеры, имевшей около 1,5 м в поперечнике и весившей 2 т. Детекторы БАКа немного больше. Два крупнейших детектора – мастодонты, предназначенные для поисков бозона Хиггса, – называются ATLAS (аббревиатура слов A Toroidal LHC Apparatus – Тороидальный детектор БАКа) и CMS (Compact Muon Solenoid – Компактный мюонный соленоид). Они расположены на противоположных сторонах кольца, причем ATLAS – недалеко от основного здания ЦЕРНа, а CMS – за границей, во Франции. Слово «компактный» применимо к детектору CMS, конечно, условно – его длина около 22 м, а вес – около 13 800 т. ATLAS больше по размеру, но легче – в длину примерно 43 м, а вес – всего 7700 т. Это своего рода масштаб, показывающий, как глубоко нужно «копать», чтобы «выкопать» скрывающийся от нас бозон Хиггса.

На БАКе имеется еще пять других детекторов («экспериментов»): два из них имеют средний размер – ALICE и LHCb, и три маленьких – TOTEM, LHCf и MoEDAL. LHCb специализируется на изучении распадов прелестных кварков, которые используются для точных измерений. Детектор ALICE (A Large Ion Collider Experiment) сконструирован для изучения столкновений тяжелых ядер, а не протонов, чтобы воспроизвести процесс образования кварк-глюонной плазмы, заполнившей Вселенную сразу после Большого взрыва. Вот почему церновский ускоритель – Большой «адронный» коллайдер, а не Большой «протонный» коллайдер – один месяц в году БАК ускоряет и сталкивается ионы свинца вместо протонов. ТОТЕМ (TOTal Elastic and diffractive cross-section Measurement), расположенный недалеко от CMS, изучает внутреннее строение протонов и будет проводить точные измерения вероятности их взаимодействий друг с другом. Детектор LHCf («f» означает «forward» – «вперед»: имеется в виду рассеяние вперед нейтральных частиц) сконструирован для того, чтобы с помощью выбросов частиц при столкновениях изучать условия, в которых космические лучи распространяются через атмосферу. Он гораздо меньше по размеру, чем другие детекторы, и состоит из двух калориметров, расположенных по обе стороны ATLASа. Детектор MoEDAL (Monopole and Exotics Detector At the LHC) специализируется на поиске очень необычных частиц.

Именно два самых больших детектора, ATLAS и CMS, играют ведущую роль в охоте на бозон Хиггса. В отличие от небольших детекторов, которые предназначены для весьма конкретных целей, эти два детектора сделаны для того, чтобы сталкивать протоны друг с другом, смотреть на то, что получается в результате, и стараться как можно точнее определить, что происходит при столкновениях. Конструкторы двух детекторов по-разному подошли к проблемам дизайна, но возможности установок в конечном итоге оказались сопоставимыми. Само собой разумеется, иметь два детектора несоизмеримо полезнее, чем один, – открытие, сделанное на одном из детекторов, не будут принято всерьез, пока другой не подтвердит его.

Трудно ощутить необъятность CMS или ATLAS, не увидев их воочию, и в этом я смог убедиться, посетив их еще в стадии строительства. Человек настолько мал по сравнению с этими машинами, что на фотографиях его не замечаешь, пока кто-то специально не укажет. Но поражают не только размеры детектора, но и сложность их устройства. Каждый элемент важен, причем, учитывая международный характер коллабораций, вполне вероятно, что два соседних элемента изготовлены в лабораториях, расположенных в противоположных концах земного шара.

Детектор CMS расположен достаточно далеко от ЦЕРНа – нужно ехать на машине, и довольно долго, но в свое время геологоразведка показала, что рядом с ЦЕРНом есть только одно место для детектора, и в нем установили более громоздкий детектор ATLAS. CMS – чрезвычайно плотная и компактная конструкция из металла, кристаллов и проволоки. Размер основных магнитов CMS – самых мощных из всех когда-либо сконструированных магнитов такого типа – пришлось ограничить 7 м в поперечнике по очень прозаической причине: конструкции большего размера не поместились бы на грузовик, который мог проехать по улицам Сесси – крошечного французского городка, рядом с которым расположился детектор. (На странице Википедии, посвященной Сесси, явно написанной физиками, работающими на CMS, содержится совет пообедать в местной пиццерии, и предупреждение, что «обслуживание может затянуться, так что туда не стоит идти, если вы торопитесь».) Вообще финансовые ограничители, наряду с логистическими, сыграли решающую роль в проектировании и строительстве: например, латунь на гигантские цилиндрические торцевые крышки, закрывающие оба торца детектора, была получена из отходов от утилизации российских артиллерийских снарядов[5]. Важной частью детектора являются 78 000 сцинцилляторов – кристаллов вольфрамата свинца, которые выращивали в России и Китае целых десять лет, поскольку каждый искусственный кристалл растет около двух дней.

Однако чаще всего на рекламных фотографиях БАКа изображен не CMS, а ATLAS, и по простой причине: он очень фотогеничен и выглядит как инопланетный корабль. Отличительной особенностью детектора являются восемь гигантских тороидальных магнитов, которые и дали свое имя детектору. Вы могли бы не признать в магните ATLASа классический «тор», похожий на бублик. Магниты детектора – это конструкция из труб, имеющая скорее прямоугольную форму со скругленными углами. Но физики учатся у математиков-топологов, для которых важны общие закономерности, а не конкретные формы, и для них тором является любой изогнутый цилиндр, у которого торцы совпадают. В ATLASе тороиды создают гигантскую область, в которой магнитное поле огромно, используемую для отслеживания высокоэнергетичных мюонов, созданных во внутренних областях детектора. Когда магниты включены, общий запас энергии в них составляет более одного миллиарда джоулей – эквивалент примерно 150 кг тротила. К счастью, это не опасно – взрыв с высвобождением этой огромной энергии невозможен, поскольку нет способа ее высвободить. (Энергия не представляет опасности, если нет способа ее сбрасывания. Например, энергия покоя яблока эквивалентна примерно миллиону тонн тротила, но это не очень опасно до тех пор, пока вы не приведете в соприкосновение ваше яблоко и антияблоко.)

Огромный геометрический размер детекторов ATLAS и CMS вполне соответствует численности коллабораций, которые построили их и работают там. Это примерно две одинаковые группы, примерно 3000 ученых в каждой, представляющих более 170 учреждений из 38 стран. Вся группа никогда не собирается в одном месте в одно и то же время, но различные подгруппы находятся в постоянном контакте, непрерывно обмениваясь письмами и устраивая видеоконференции.

Если есть две большие коллаборации, ведущие очень похожие эксперименты по изучению одних и тех же явлений, значит ли это, что они конкурируют друг с другом? И вы еще спрашиваете? Разумеется, между командами двух детекторов идет постоянное соревнование за приоритет в открытии, и ставки тут очень высоки. И поскольку сами команды очень большие, существует конкуренция и внутри команды каждого детектора, так как физики – члены команды – борются за командные места, а также пытаются доказать превосходство своих способов анализа данных над другими.

Но система работает. Эта гонка может привести у некоторых ученых к расшатыванию нервной системы и потере сна, но дружеское соперничество, существующее между группами и внутри них, помогает получать первоклассные научные результаты. Каждый хочет быть первым, но никто не хочет ошибиться, и в условиях такой конкуренции если кто-то проявит небрежность или нечестность, его быстро выведут на чистую воду. Профессиональная квалификация хорошо подобранных коллабораций CMS и ATLAS – одна из главных причин того, почему мы можем доверять любым результатам, которые подтверждают обе команды. В том числе, и в особенности – открытию бозона Хиггса.

Сталкиваем протоны

Задача этих гигантских детекторов – выяснить, что происходит, когда сталкиваются два протона с огромными энергиями. Протон – не бесконечно малая частица и не нерасчленимая капля материи. Он состоит из множества сильно взаимодействующих элементов. Мы часто говорим: «Протон состоит из трех кварков», но это не совсем точно. Два верхних кварка и один нижний, которые делают протон протоном, называются «валентными кварками». В дополнение к этим валентным кваркам, как предсказывает квантовая механика, в протоне есть большое количество «виртуальных частиц», которые постоянно то появляются, то исчезают – это глюоны, а также пары кварк-антикварк. Именно энергия, содержащаяся в этих виртуальных частицах, объясняет, почему протоны намного тяжелее, чем валентные кварки, определяющие их идентичность. Трудно точно сосчитать, сколько виртуальных частиц там находится, так как количество зависит от того, насколько подробно мы их рассматриваем. (Так утверждает квантовая механика.) Но число валентных кварков остается фиксированным. Если посчитать общее количество верхних кварков внутри протона в любой момент времени, оно всегда будет ровно на два больше, чем количество верхних антикварков, аналогично число нижних кварков всегда на единицу больше количества нижних антикварков.

По существу, протон в БАКе – это мягкий мешочек, набитый кварками, антикварками и глюонами, движущийся по кругу в пучковой трубе со скоростью, близкой к скорости света. Ричард Фейнман назвал все частицы, составляющие протоны, «партонами». Согласно теории относительности, объекты, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света, укорачиваются в направления движения. Таким образом два протона, сталкивающиеся внутри детектора, напоминают плоские блины, нашпигованные партонами и налетающие друг на друга. На самом деле, когда один протон взаимодействует с другим, это означает лишь, что один из партонов одного протона взаимодействует с партоном другого протона. В результате трудно точно узнать, сколько энергии выделилось в столкновении, поскольку мы не знаем, какие партоны провзаимодействовали.

Изображение двух протонов, подлетающих друг к другу в эксперименте на БАКе. Обычно они имеют сферическую форму, но, поскольку протоны летят со скоростью, близкой к скорости света, из-за релятивистских эффектов они превращаются в блины. Внутри протонов находятся партоны, включающие кварки (черные кружки), антикварки (пустые кружки) и глюоны (закорючки). Кварков на три больше, чем антикварков, – это «валентные кварки». Все остальные партоны – виртуальные частицы.

Условия внутри детектора ВАКа могут стать довольно напряженными. Есть около 1400 банчей протонов в каждом пучке, и банч, перемещающийся в одном направлении, проходит внутри детектора мимо банча, движущегося в другом направлении около 20 миллионов раз в секунду. В каждом сгустке около 100 миллиардов протонов, так что есть очень много частиц, готовых к взаимодействию. Тем не менее, даже несмотря на то, что банчи имеют довольно маленькие размеры (около 2,5 тысячных сантиметра в поперечнике), они по-прежнему огромны по сравнению с размером протона. Основной объем банча – это пустое пространство. Каждый раз, когда пучки скрещиваются, между миллиардами протонов происходит всего лишь пара десятков взаимодействий.

Но пара десятков взаимодействий – это уже много. При одном столкновении двух протонов часто испускается поток всевозможных частиц, до 100 адронов в одном событии. Поэтому мы можем столкнуться с опасностью «наложения» – когда много событий внутри детектора происходят одновременно, и трудно понять, что произошло и где. Вот почему CMS и ATLAS должны максимально задействовать существующие в настоящее время технологические и вычислительные мощности. Чем больше столкновений, тем лучше, потому что это означает больше данных, но с другой стороны, если получить слишком много столкновений одновременно, невозможно понять, что произошло.

Частицы в детекторах

Конструкция детектора частиц определяется природой самих частиц. А какие частицы могут образоваться при столкновении? Только частицы Стандартной модели, которые мы уже знаем и любим, а именно: шесть кварков, шесть лептонов и различные бозоны – переносчики взаимодействий. (Мы надеемся получить и совершенно новые частицы, но они почти наверняка будут распадаться на частицы Стандартной модели.) Так что для того, чтобы объяснить логику конструирования детекторов, мы должны рассмотреть возможности образования различных частиц, понять, каким способом их можно обнаружить и правильно идентифицировать. Давайте пройдемся по списку.

Кварки

Кварки рассмотрим все вместе, поскольку они никогда не встречаются поодиночке – они заперты внутри адронов. Но в столкновении может образоваться пара кварк-антикварк, и две частицы быстро разбегутся в противоположных направлениях. В этом случае происходит следующее: включается сильное взаимодействие, и вокруг исходных частиц сгруппируются осколки адронов. В детекторе этот процесс будет соответствовать появлению упомянутых выше «струй». Задача аналитиков заключается не только в обнаружении образовавшихся адронов, (что является относительно простой задачей), но и в воссоздании истории образования отдельных струй, что не просто. Определение вида родившегося кварка может оказаться страшно трудной задачей, хотя для ее решения используются разные трюки. Например, прелестные кварки живут достаточно долго и до распада пролетают крошечное, но конечное расстояние. В результате частицы при распаде прелестного кварка возникают с небольшой задержкой по отношению к моменту основного столкновения, и эта задержка используется для их идентификации, даже если их собственные треки напрямую не наблюдаются.

Глюоны

Хотя глюоны являются бозонами, а не фермионами, они тем не менее сами чувствуют сильные взаимодействия, так что тоже проявятся в детекторе в виде струи адронов. Некоторое отличие состоит в том, что единичный глюон создать можно – например, его может выплюнуть какой-нибудь кварк, а вот новорожденные кварки всегда рождаются в паре с антикварками. Так что если вы видите три струи в событии, это означает, что в соударениях была создана пара кварк-антикварк и глюон. Сау Лан Ву и ее коллеги впервые установили, что глюоны реально существуют, использовав именно такие события.

W-бозоны, Z-бозоны, тау-лептоны, бозоны Хиггса

Эти совершенно разные частицы объединены в одну группу по одной простой причине: они очень тяжелые и поэтому недолговечные. Все они быстро распадаются на другие частицы, причем настолько быстро, что детекторы их зарегистрировать не могут, и судить о существовании этих частиц приходится, анализируя то, на что они распались. Из этого списка тау-лептоны имеют самое большое время жизни и при благоприятных условиях смогут прожить достаточно долго, чтобы их можно было идентифицировать.

Электроны и фотоны

Эти частицы проще всего и зарегистрировать, и точно измерить их свойства. Они не фрагментируются в струи, в которых трудно разобраться, как кварки и глюоны, зато охотно взаимодействуют с заряженными частицами в материале детектора, создавая электрический ток, который просто измерить. К тому же их просто отличить друг от друга, поскольку электроны (и позитроны – их античастицы) электрически заряжены и, следовательно, подвержены влиянию магнитного поля, в то время как фотоны нейтральны и двигаются беспрепятственно по прямой.

Нейтрино и гравитоны

Эти частицы не чувствуют ни сильного взаимодействия, ни электромагнитного поля. Следовательно, практически нет никакого способа зарегистрировать их в детекторе, и они просто пролетают сквозь него незамеченными. Гравитоны появляются только при гравитационном взаимодействии, а оно столь слабое, что в коллайдере гравитоны не рождаются, и мы выбросим из головы. (В некоторых экзотических теориях утверждается, что гравитация при высоких энергиях велика, то есть что рождение гравитонов в коллайдере возможно. Конечно, такая вероятность принимается во внимание.) Нейтрино, однако, рождаются при слабых взаимодействиях, причем постоянно. Они – единственные частицы Стандартной модели, которые нельзя обнаружить, хотя они вполне способны появиться в столкновениях. Таким образом, выработалось простое правило: все, что не обнаруживается, можно считать нейтрино.

Когда два протона летят навстречу друг другу, они оба движутся вдоль пучковой трубы, поэтому их суммарный импульс в направлении, перпендикулярном к пучку, будет равен нулю. Общий импульс системы сохраняется, поэтому он должен быть равен нулю и после столкновений. Следовательно, мы можем измерить импульсы зарегистрированных частиц, и если их сумма не равна нулю, значит там были нейтрино, двигавшиеся в другую сторону, и их суммарный импульс должен компенсировать импульс зарегистрированных частиц. Этот метод называется методом «недостающего поперечного импульса» или просто «недостающей энергией». Мы, возможно, не знаем, сколько образовалось нейтрино, унесших недостающий импульс, но это часто можно понять, определив, какие еще частицы были произведены. (Например, в результате действия слабых сил создается не только мюон, но и мюонное нейтрино.)

Мюоны

Остается мюон, который является одной из самых перспективных частиц с точки зрения экспериментов на БАКе. Как и электроны, мюоны оставляют легко узнаваемые электрические следы, и их траектории искривляются в магнитном поле. Но они в двести раз тяжелее электрона. Это означает, что они могут распадаться на более легкие частицы. Их время жизни довольно велико. В отличие от еще более тяжелых тау-лептонов мюоны, как правило, живут так долго, что успевают добраться до конца детектора. Мюон продирается через все его слои подобно тяжелому джипу, проезжающему по пшеничному полю. Как и джип, мюон на своем пути оставляет легко узнаваемый след.

Мюоны проникают глубоко в обычное вещество как жесткое рентгеновское излучение. Это свойство нашло интересное применение несколько лет назад благодаря Луису Альваресу, который получил Нобелевскую премию за открытие разных адронов на Беватроне. Альварес заинтересовался египетскими пирамидами, и, в частности, большими пирамидами фараона Хеопса и его сына Хефрена, которые расположены недалеко друг от друга в Гизе. Пирамида Хеопса – Великая пирамида – раньше была еще на 7 м выше, но под действием внешних воздействий осела и стала немного ниже, чем пирамида Хефрена. Внутри пирамиды Хеопса имеются три камеры, в то время как в пирамиде Хефрена, кроме погребальной камеры на уровне земли, других помещений не обнаружили. Это различие долгие годы не давало археологам покоя, и многие из них предполагали, что в пирамиде Хефрена имеются скрытые камеры.

Альваресу, блестящему физику, любящему разгадывать головоломки, пришла в голову мысль заглянуть внутрь пирамиды Хефрена, используя мюоны космических лучей. Это был бы не особо точный эксперимент, но так можно было бы отличить сплошной твердый камень от пустой камеры. Команда Альвареса, состоявшая из египетских и американских физиков, собрала детектор мюонов и поместила его в единственной обнаруженной в пирамиде камере, расположенной в нижней части пирамиды. По плану физики должны были попытаться подсчитать количество мюонов, поступающих в детектор под различными углами. Если бы в пирамиде имелись скрытые пустоты, в определенных направлениях поглощение мюонов было бы меньшим, и в детектор попало бы их больше. Дело происходило в 1967 году, и как раз накануне того дня, на который был назначен эксперимент, вспыхнула арабо-израильская война. Тут уж было не до физики. Эксперимент пришлось отложить. Но в конце концов война кончилась, детектор заработал – и обнаружил, что в пирамиде никаких пустот нет. А ученые-то надеялись, что в ней есть другие камеры! Так и осталось загадкой, почему конструкция пирамиды сына заметно проще, чем пирамиды отца.

Многослойные детекторы

При конструировании детекторов ATLAS и CMS ставилась задача извлечь максимальное количество информации из наблюдаемых столкновений частиц. Оба детектора имеют четыре слоя, причем каждый слой предназначен для вполне конкретных целей. В центре помещается внутренний детектор, его окружает электромагнитный калориметр, который, в свою очередь, окружает адронный калориметр и, наконец, самый внешний слой представляет собой мюонный детектор. Все частицы, полученные в результате столкновений, пролетят последовательно разные слои, пока в конце концов не будут либо пойманы, либо выпущены наружу в свободное пространство.

Задача внутреннего детектора – внутреннего слоя «луковицы» – выполнять функцию «трекера» – датчика, обеспечивающего поточечную информацию о траекториях заряженных частиц, образованных при столкновении. Это нелегкая работа: каждый квадратный сантиметр датчика бомбардируется десятками миллионов частиц в секунду. Он должен отследить все, что в него попадает, и при этом выдержать неслыханную интенсивность радиационного облучения. На самых первых чертежах детектора CMS его центральная область оставлена пустой – физики тогда не верили, что можно построить точный инструмент, который выдерживал бы такой нагрев. К счастью, потом до них дошли слухи, что военные уже придумали электронные датчики, умеющие работать в таких суровых условиях, и это очень вдохновило физиков. В конечном итоге им удалось понять, как «сделать крепче» нежную и хрупкую промышленную электронику, вовсе не предназначенную для работы под такими радиационными нагрузками.

Схематическое изображение детектора общего назначения, такого как ATLAS или CMS. В центральной части находится внутренний детектор, фиксирующий треки заряженных частиц. Дальше идет электромагнитный калориметр, улавливающий фотоны и электроны; за ним – адронный калориметр, который ловит адроны, и мюонный детектор.

Внутренние детекторы ATLASа и CMSа – сложные многокомпонентные машины со слегка различными функциями. Внутренний детектор в ATLASе, например, состоит из трех различных приборов – пиксельного детектора невероятно высокого разрешения, полупроводникового трекера, изготовленного из кремниевых полосок, и трекера переходного излучения, изготовленного из позолоченной вольфрамовой проволоки, помещенной внутри тонких дрейфовых трубок – и называют «строу» (соломинки). Задача внутреннего детектора – как можно точнее регистрировать траектории вылетающих частиц и восстанавливать местоположение точек, в которых произошло взаимодействие и из которых эти частицы вылетели.

Поперечное сечение детектора, схематически демонстрирующее поведение разных частиц. Внутренний детектор не чувствует нейтральные частицы вроде фотонов и нейтральных адронов, а заряженные частицы оставляют там искривленные следы. Фотоны и электроны захватываются электромагнитным калориметром, а адроны улавливаются адронным калориметром. То же самое происходит с мюонами во внешнем детекторе, а вот нейтрино не удается поймать ни одному детектору, и они беспрепятственно улетают. В детекторе CMS трек мюона закручивается в противоположном направлении, поскольку магнитное поле направлено в противоположную сторону.

Следующие слои – это калориметры, электронные и адронные. «Калориметр» – забавное название для устройства, которое измеряет энергию, ведь слово «калория» ассоциируется с тем, что написано на упаковках пищевых продуктов. Электромагнитный калориметр способен поймать электроны и фотоны, заставив их провзаимодействовать с ядрами и электронами в веществе самого калориметра. Частицы, чувствующие сильное взаимодействие, обычно проходят электромагнитный калориметр насквозь и останавливаются только в адронном калориметре. Этот аппарат состоит из чередующихся слоев тяжелого металла, с которым взаимодействуют адроны, и слоев сцинтилляторов, в которых измеряется количество выделившейся энергии. Измерение энергии частиц – ключевой этап при определении типов частиц; с помощью этих измерений часто удается определить массу частицы, в результате распада которой родились пойманные адроны.

Самые внешние слои детекторов ATLAS и CMS – это мюонные детекторы. Мюоны имеют достаточно большой импульс, чтобы пробиться через калориметры. Его можно точно измерить с помощью гигантских магнитных камер, которые их окружают. Эти исследования важны, поскольку мюоны не создаются в результате сильных взаимодействий (так как они лептоны, а не кварки), и лишь в редких случаях – в результате электромагнитных взаимодействий (из-за того, что они такие тяжелые, проще образоваться электронам). Поэтому мюоны обычно возникают в результате слабых взаимодействий или же какого-то еще неизвестного механизма. Любой вариант интересен, и мюоны играют важную роль в поиске бозона Хиггса.

Теперь мы видим, почему конструкция детекторов ATLAS и CMS имеет структуру матрешки. Внутренние детекторы дают точную информацию о траекториях всех заряженных частиц, образовавшихся при столкновениях. Электроны и фотоны ловятся электромагнитным калориметром, где измеряется их энергия. Частицы, участвующие в сильных взаимодействиях, ждет та же участь, только уже в адронном калориметре. Мюоны беспрепятственно пролетают сквозь калориметры и попадают в мюонный детектор, где подвергаются тщательному изучению. Среди известных нам частиц только нейтрино пролетают незамеченными, и об их существовании мы можем судить только по недостающему импульсу. В целом это – гениальная схема, позволяющая выкачать всю возможную информацию из протонных столкновений на БАКе.

Избыток информации

На БАКе банчи протонов сталкиваются 20 миллионов раз в секунду. При каждом пересечении встречных пучков происходят десятки столкновений, так что возникает около миллиарда столкновений в секунду. Каждое столкновение – настоящий фейерверк из множества, до сотни и даже больше, частиц, выстреливающих в детектор. И тонко откалиброванные приборы внутри детекторов собирают точную информацию о том, что каждая из этих частиц делает.

Это очень большой объем информации. Запись единичного события столкновения на БАКе требует примерно одного мегабайта памяти. (А если оценить объем необработанных данных, то получится более 20 мегабайт, но умный алгоритм сжатия превращает их в один мегабайт.) Это объем большой книги, или объем оперативной памяти в операционной системе космического шаттла. Жесткий диск достаточно мощного современного домашнего компьютера может хранить терабайт данных, или миллион мегабайт. Сравните – объем всех книг Библиотеки Конгресса США составляет около 20 терабайт. Можно хранить информацию о миллионе событий, происшедших на БАКе, на одном таком обычном жестком диске. Это, конечно, звучит здорово, пока не вспомнишь, что в секунду происходит сотни миллионов таких событий, и нужно заполнять этой информацией тысячу жестких дисков в секунду. Не слишком удобно, даже если учесть, что ЦЕРН может позволить себе купить лучшие жесткие диски, чем те, что в обычном ноутбуке.

Если не считать БАКа, крупнейшая в мире база данных – по климату – имеется у Международного дата-центра в Германии. Она содержит около 6 петабайт данных или 6000 терабайт. Если записывать все данные, полученные на БАКе, объем этой базы данных был бы превышен за пару секунд. Итак, добро пожаловать в мир Больших Объемов Данных.

Очевидно, что хранение данных, получаемых на БАКе, (а также их передача и анализ) – невероятно серьезная проблема, которую надо решать, используя различные методы. Самый важный из них – одновременно и самый основной – не записывать все данные. Это стоит подчеркнуть: подавляющее большинство данных, собранных БАКом, мгновенно выбрасывается. У ученых нет выбора, поскольку просто нет возможности все это записать.

Вы можете подумать, что экономически эффективее было бы просто уменьшить количество получаемых данных, например, за счет снижения светимости БАКа. Но для физики элементарных частиц этот способ неприемлем – каждое столкновение важно, даже если мы не записали эти данные на диск. Причина в том, что квантовая механика – единственная теория, адекватно описывающая взаимодействия, в которых создаются эти частицы – предсказывает только вероятности определенных результатов. Когда мы сталкиваем два протона друг с другом, мы не знаем заранее, что произойдет в результате этого столкновения, и не можем выбрать интересующий нас сценарий, мы просто принимаем то, что выдаст нам природа. При этом большая часть того, что она выдает, нам не интересна, по крайней мере в том смысле, что это мы уже понимаем. Чтобы получить небольшое количество интересных событий, мы должны создать огромное количество всяких событий и оперативно отобрать из них самородки.

В этой связи, естественно, возникает еще одна проблема: как выяснить, является ли событие «интересным», и сделать это очень быстро, так, чтобы успеть решить, стоит ли его оставить или выбросить. Это работа триггера – одного из самых важных элементов детектора БАКа.

Триггер представляет собой сочетание аппаратных и программных решений. Триггер первого уровня выводит все данные со всех элементов детектора в электронный буфер и выполняет сверхбыстрое сканирование (примерно за микросекунду), чтобы решить, произошло ли что-то потенциально интересное в данном событии. Около десяти тысяч случаев из миллиарда получают добро на то, чтобы двигаться дальше. Триггер второго уровня во многом похож на врача скорой помощи, который проводит предварительную быструю диагностику, после чего отправляет пациента сдавать определенные анализы. Этот триггер представляет собой сложную программу, более точно исследующую характеристики события, чтобы можно было сосредоточиться на тех событиях, которые ею отмечены как требующие внимательного анализа. В конечном итоге остаются только несколько сотен из миллиона событий, ежесекундно происходящих на БАКе, но это наиболее интересные события.

Как вы можете догадаться, над вопросом о том, какие события нужно сохранить, а какие отбросить, ученые напряженно думают, и вокруг этого происходит много яростных споров. Естественно, все беспокоятся, не выбрасываются ли какие-то интересные события вместе с якобы бесполезными. Поэтому по мере улучшения экспериментальной техники и рождения новых теоретических идей физики в коллаборациях CMS и ATLAS постоянно совершенствуют свои триггеры.

Распределение данных

Даже после пропускания полученных данных через триггер все еще остается сто событий в секунду, каждое из которых занимает примерно мегабайт. Теперь это событие мы должны проанализировать. И под местоимением «мы» я подразумеваю тысячи членов коллабораций ATLAS и CMS (в которые я на самом деле не вхожу), работающих в разных учреждениях по всему миру. Физикам, анализирующим данные, нужно иметь доступ к ним, и тут встает проблема передачи информации. К счастью, она, эта проблема, возникла уже много лет назад, и физики и программисты упорно потрудились над тем, чтобы построить всемирную компьютерную сеть БАКа – GRID (ГРИД), которая соединяет вычислительные центры в 35 разных странах и использует комбинацию открытого Интернета и частных оптических кабелей. В 2003 году был установлен рекорд скорости передачи данных: больше терабайта информации удалось передать из ЦЕРНа в Калтех (США), то есть на расстояние более 8000 километров, за 30 минут. Это равносильно тому, что вы загрузите полнометражный художественный фильм за семь секунд.

Такая сумасшедшая скорость действительно необходима: в 2010 году четыре основных детектора на БАКе получили более 13 петабайт данных. ГРИД-система берет все эти данные и распределяет их между различными вычислительными центрами по всему миру. Она разделена на несколько уровней. Сам ЦЕРН является Уровнем 0. Есть одиннадцать центров Уровня 1, которые играют важную роль в просеивании и классификации данных, а также 140 центров Уровня 2, на которых выполняются конкретные задачи анализа. Таким образом, каждому физику в мире, желающему проанализировать данные с БАКа, совсем не нужно подключаться непосредственно к ЦЕРНу, рискуя обрушить Интернет навсегда.

Как известно, голь на выдумки хитра. Нас не должно удивлять, что уникальные проблемы хранения и передачи данных, поставленные физикой элементарных частиц, привели к не менее уникальным решениям. Одно из таких решений, найденное много лет назад, изменило стиль всей нашей жизни. Это – Всемирная паутина (World Wide Web), возникшая сначала в виде глобального гипертекстового проекта Тима Бернерса-Ли. Бернерс-Ли сформулировал свою идею в 1989 году. В то время он работал в ЦЕРНе, а сегодня Бернерс-Ли – директор консорциума World Wide Web. Итак, он подумал, что для физиков ЦЕРНа было бы полезно организовать доступ к различным видам информации, хранящейся на компьютерах, разбросанных по всему миру, и сделать это, используя систему гипертекстовых документов, связанных между собой с помощью гиперссылок. Таким образом, WWW – это система взаимосвязанных файлов, построенная на основе сети, позволяющей совместное использование данных. Сегодня мы называем ее Интернетом. Всемирная паутина, такая, какой мы ее знаем, и влияние, которое она оказывает на нашу жизнь, – несомненно, побочный продукт развития фундаментальных исследований в области физики элементарных частиц. Так что поблагодарим ЦЕРН за Интернет.

Фабиола Джанотти, итальянский физик, нынешний руководитель коллаборации ATLAS, сказала мне, что при первом включении БАКа самым приятным сюрпризом для нее стала даже не демонстрация работы ее детектора, хотя это было довольно впечатляюще, а то, что система передачи данных с самого начала функционировала безупречно. Правда, этот процесс не всегда шел уж совсем без сбоев. В сентябре 2008 года, вскоре после того, как первые частицы полетели по БАКу, компьютерная система детектора CMS была взломана группой, называвшей себя «Греческая команда безопасности». К счастью, хакеры не нанесли никакого реального ущерба. Они утверждали, что на самом деле действуют в интересах общества, а потому заменили страницу сайта детектора страничкой с издевательской надписью на греческом: «Мы снимаем с вас штаны сейчас, потому что не хотим видеть, как вы будете бегать голыми и пытаться спрятаться позже, когда начнется паника». Порядок был быстро восстановлен, инцидент не привел к задержке эксперимента, хотя, возможно, именно он заставил внимательно пересмотреть подход к системе интернет-безопасности во всем ЦЕРНе.

Сейчас сам БАК работает без сбоев, детекторы CMS и ATLAS функционируют на максимуме своих возможностей, данные быстро распределяются и анализируются в разных точках мира, все компоненты находятся в готовности для полномасштабной атаки на важные проблемы физики элементарных частиц. Одну новую частицу поймали, но на этом наши поиски не останавливаются.

Глава 7 Частицы и волны

Мы предпологаем, что все во Вселенной построено из полей – силовых полей, которые притягивают и отталкивают, и полей вещества, из колебаний которых образуются частицы.

Хип-хоп-дуэт Insane Clown Posse, известный своими провокативными текстами и страшным клоунским гримом, в 2010 году выпустил скандальный сингл «Чудеса». К тому времени Вайолент Джи и Шэгги-2 Доуп (сценические псевдонимы музыкантов) уже привыкли к скандалам. В частности, однажды они ввязались в распрю с известным рэпером Эминемом, позже неудачно поработали в качестве профессиональных борцов, а на одном из концертов совершенно шокировали почтенную публику и лишь потом обнаружили, что выступали совсем не там, где думали. Insane Clown Posse поют о некрофилии и каннибализме, в одной песне позволили себе обидеть Санта-Клауса, а как-то после представления Вайолента Джи даже арестовали – он 30 раз ударил одного из зрителей микрофоном.

Но скандальные «Чудеса» – это нечто иное. На сей раз ребята своими песнями хотели не шокировать, а обратить внимание своих поклонников на красоту окружающего нас мира. Это звучало примерно так:

Остановитесь и посмотрите вокруг, Как все это поразительно: Вода, огонь, воздух и грязь Чертовы магниты, Как же они работают?

В Интернете этот небольшой отрывок приобрел довольно широкую известность, особенно среди блогеров, имеющих отношение к науке, – они-то были уверены, что, напротив, имеют довольно хорошее представление о том, как работают магниты.

Я хотел бы сказать несколько слов в защиту Insane Clown Posse. Да, мы уже довольно давно узнали, что такое магнетизм, и занялись его изучением, а обычно в результате научных исследований наше понимание природных явлений углубляется, и все меньше места остается для магии и чудес. Однако музыканты нащупали чувствительную точку, и мы действительно упустили нечто очень важное и не заметили, что магниты – на самом деле довольно странная штука.

В магнитах удивительно не то, что они притягивают металл – множество предметов прилипает ко многим другим предметам, например гекконы и жевательная резинка – к стенке. Удивляет в магните то, что когда вы подносите его близко к куску металла, то можете почувствовать это притяжение еще до того, как они соприкоснутся. Магниты не похожи на скотч или клей, которые, чтобы прилипнуть к чему-то, должны находиться в контакте с этим чем-то. Магниты словно чувствуют присутствие предметов, удаленных от них в пространстве, и тянут их к себе. Подумайте – все это довольно странно.

Физики называют такого рода явление «действием на расстоянии», и оно вызывает недоумение не только у Вайолента Дж. и Шэгги 2 Доупа, но и у величайших умов мира. В последнее время нас это стало удивлять меньше, поскольку мы поняли, что пространство, через которое магнит дотягивается до металлических предметов, – на самом деле совсем не «пустое». Оно заполнено магнитным полем – невидимыми силовыми линиями, выходящими из магнита, которые готовы захватить любой восприимчивый к магнитному полю объект, встречающийся на их пути. Мы можем сделать эти силовые линии видимыми, если приложим магнит снизу к бумажке, на которую насыпаны железные опилки, и тогда они, выстроившись вдоль силовых линий, образуют красивые узоры.

Магнитное поле существует в пространстве независимо от того, притягивает магнит что-нибудь или нет. Если есть магнит, то есть и магнитное поле вокруг него, хотя мы и не можем его увидеть. Поле сильнее, когда мы приближаемся к магниту, и слабее – когда удаляемся. На самом деле магнитное поле есть абсолютно в каждой точке пространства, независимо от того, есть ли поблизости магниты. Поле может быть достаточно маленьким – или даже нулевым, – но в каждой точке значение магнитного поля измеримо. (Естественно, это не поле каждого отдельного магнита, а результирующее магнитное поле: поставьте два магнита рядом друг с другом, и их поля просто сложатся.)

Не уверен, что членам дуэта Insane Clown Posse это было интересно, но должен заметить, что важность полей далеко не исчерпывается магнитами. Мир действительно состоит из полей. Иногда вещество Вселенной в силу странности квантовой механики кажется образованным из частиц, но на самом деле по своей сущности частицы – те же поля. Пустое пространство, вакуум, не так пусто, как кажется. В каждой точке существует множество полей, каждое из которых принимает то или иное значение – или, точнее, из-за принципа неопределенности квантовой механики, целый набор возможных значений, которые мы в принципе могли бы наблюдать.

Говоря о физике элементарных частиц, мы обычно не акцентируем внимание на том, что на самом деле говорим о «физике полей». Но именно ее мы и имеем в виду. Цель этой главы – помочь вам привыкнуть к тому, что именно квантовые поля в теперешних научных представлениях являются основными строительными блоками мироздания.

Нельзя считать, что сами поля «сделаны из чего-то». Поля – это то, из чего состоит мир, и мы не знаем никакого более глубокого уровня реальности. (Может быть, теория струн откроет нам что-то новое, но пока еще она находится в ранге гипотезы.) Магнетизм переносится полем так же, как гравитация и ядерные силы. Даже то, что мы называем «веществом», сформировано из таких частиц, как электроны и протоны, а они на самом деле – просто колебания полей. Частица, которую мы называем бозоном Хиггса, очень важна, но важна не столько она, сколько поле Хиггса, из колебаний которого она образуется и которое играет центральную роль в устройстве нашей Вселенной. Удивительно, не правда ли?

В первых главах мы дали краткое описание частиц Стандартной модели и отметили, что все частицы возникают в виде колебаний соответствующих полей. В нескольких предыдущих главах мы рассмотрели ускорители (в том числе БАК) и детекторы, которые помогают нам исследовать субатомный мир. В этой и последующих главах мы собираемся вернуться немного назад и более пристально присмотреться к концепции полей, а также к тому, как частицы возникают из полей, как симметрия приводит к появлению сил и как поле Хиггса может нарушить симметрию и привести к тому разнообразию частиц, которое мы видим вокруг себя. И после этого у нас появится реальная возможность понять, как экспериментаторы охотятся на бозон Хиггса и что означает утверждение, что он нашелся.

Гравитационное поле

Сегодня общепринято: поля окружают нас везде, но для того, чтобы ученые начали думать в категориях «теории поля», потребовалось время. Вам может показаться, что понятие гравитационного поля еще более очевидно, чем понятие магнитного поля. Но это совершенно не очевидно.

Самая знаменитая история про гравитацию – это апокриф про Исаака Ньютона и яблоко, которое якобы упало ему на голову, вдохновив на открытие теории всемирного тяготения. (Эта история стала такой знаменитой в основном из-за того, что сам Ньютон не переставал ее пересказывать – видимо, ему хотелось добавить ярких красок в свою репутацию гения, хотя это было уже совершенно излишним.) Утверждалось, что яблоко помогло Ньютону «изобрести» или «открыть» гравитацию, но, если минуточку подумать, сразу понимаешь, что эти слова вообще-то не имеют никакого смысла. Люди знали о гравитации и до Ньютона – и, как правило, все замечали, что яблоки падают вниз, а не вверх.

Но только Ньютон осознал, что между падением яблока и движением планет существует связь. Он не изобрел гравитацию, но понял, что она универсальна: гравитационное притяжение, которое заставляет планеты вращаться вокруг Солнца, а Луну вокруг Земли – та же самая сила, которая притягивает яблоки к земле. Кто-то скажет, что это ньютоновское прозрение не заслуживает того, чтобы о нем складывались легенды. В конце концов, что-то удерживает планеты от того, чтобы улететь прочь в межзвездное пространств, и, с другой стороны, что-то заставляет яблоко падать на землю, так почему эти «что-то» не могут быть одним и тем же?

Если вы так думаете, то только потому, что живете в постньютоновском мире. Пока Ньютон не объяснил всего этого, люди не считали Землю ответственной за такое поведение яблока, а полагали, что оно само виновато в своем падении. Аристотель, например, считал, что различным видам материи присущи различные, но естественные состояния. Естественное состояние массивного тела – лежать на земле. Поднявшись же над землей, оно будет стремиться на нее упасть.

Представление о том, что падение объекта связано с природой объекта, а не с земным притяжением, на самом деле подсказывает нам интуиция. Я когда-то был научным консультантом высокобюджетного голливудского фильма, и режиссеры решили, что было бы здорово снять захватывающую сцену борьбы на планете, имеющей форму не сферы, а диска. Это было бы красиво, тут не поспоришь. Но операторы решили снять кульминационную сцену так, чтобы плохие парни падали с края планеты. Падать… но под действием чего? До сих пор многие люди думают, что падение – это естественное действие для объектов, а не следствие влияния на них силы притяжения каких-то крупных объектов. (Но нам удалось в фильме избежать такой ошибки.)

Итак, Ньютон предположил, что каждый объект во Вселенной притягивает любой другой объект во Вселенной. Более тяжелые объекты притягивают сильнее, чем более легкие, кроме того, чем ближе объект, тем он сильнее притягивается, чем дальше – тем слабее. Эти утверждения прекрасно соответствуют наблюдаемым данным и замечательно объединяют явления, происходящие на Земле и в небе.

Но теория тяготения Ньютона смущала многих. Как, например, Луна узнает о том, что Земля притягивает ее? В конце концов, Земля очень далеко, а мы привыкли к силам, которые ощущаются при соприкосновении с предметами, а не когда мы где-то далеко от них. Это загадочное явление – «действие на расстоянии» – беспокоило и Ньютона, и его критиков. Однако, если ваша теория великолепно объясняет множество разных явлений, вы в какой-то момент просто пожимаете плечами и говорите, что просто природа, по-видимому, устроена таким образом. Это в значительной степени похоже на сегодняшнюю ситуацию с квантовой механикой: она объясняет наблюдаемые явления, но мы считаем, что не понимаем ее достаточно глубоко.

И только в конце 1700-х годов французский физик Пьер-Симон Лаплас показал, что ньютоновская гравитация – отнюдь не магическое воздействие, передающееся на расстоянии. Лаплас описал гравитацию как поле, заполняющее все пространство. Позже это поле назвали «потенциальное гравитационное поле». Гравитационный потенциал искажается массивными телами по той же причине, по какой на температуру воздуха в помещении влияет горячая духовка: искажение тем сильнее, чем мы ближе к ней, и уменьшается, когда мы отходим от нее. Сила земного притяжения возникает, потому что объекты подталкиваются самим полем: они чувствуют, как их тянет в направлении, в котором потенциал гравитационного поля убывает, – подобно тому, как шар на неровной поверхности начинает катиться туда, где ближе к земле.

С точки зрения математики, теория Лапласа идентична теории Ньютона, однако концептуально она намного лучше согласуется с нашим интуитивным представлением о том, что вся физика, как и политика, является локальной. Но это не значит, что Земля просто устанавливает контакт с Луной и притягивает ее. Земля создает гравитационный потенциал вокруг себя, он влияет на потенциал поблизости, и так далее вплоть до Луны (и еще дальше). Гравитация – не магическая передача силы на бесконечные расстояния вроде телепатии. Она порождается плавными изменениями невидимого поля, пронизывающего все пространство.

Электромагнитное поле

Но впервые теория поля продемонстрировала свою эффективность при изучении не гравитации, а электромагнетизма. Заметим, что в действительности есть электрическое поле, а есть магнитное поле, но физики используют одно слово, электромагнетизм, говоря тем самым, что на самом деле это два разных проявления одного основного поля. Но связь между ними не всегда была такой очевидной, как сейчас.

Магнетизм был известен с древних времен – магнитные компасы изобрели более двух тысяч лет назад в Китае во времена династии Хань. И какие-то проявления электричества тоже были людям известны уже давно: например, можно получить удар током, притронувшись к угрю, а в янтаре, если его потереть тряпкой, возникает электростатический заряд. Были даже некоторые намеки на то, что эти явления как-то связаны. Бенджамин Франклин, например, в перерывах между запусками летающих змеев и борьбой за независимость Соединенных Штатов Америки продемонстрировал, что с помощью электричества можно намагнитить иголку.

Но все эти идеи по-настоящему собрались воедино только в 1820 году, когда датский физик Ганс Христиан Эрстед прочитал лекцию о природе электричества и магнетизма. Эрстед придумал остроумный способ, как продемонстрировать гипотетическую связь между ними. Он собрал электрическую цепь, пропустил через нее ток, установил рядом компас. Если его предположения верны, стрелка компаса должна была отклоняться из-за проходящего по цепи тока. К сожалению, стечение обстоятельств не позволило Эрстеду отрепетировать эксперимент до начала лекции, и он решил провести его прямо в аудитории перед собравшейся публикой, убежденный, что все должно получиться. И у него все получилось! Эрстед щелкнул выключателем, электрический ток потек по проводам, и собравшиеся в аудитории увидели явное, но очень небольшое дрожание стрелки компаса. Правда, по собственному признанию Эрстеда, эффект был очень небольшим и зрители ушли разочарованными. Но с того дня электричество и магнетизм слились в единое понятие – электромагнетизм.

Благодаря гениальным последователям Эрстеда Майклу Фарадею и Джеймсу Клерку Максвеллу была разработана сложнейшая теория электромагнитного поля. Вооружившись этой теорией, мы можем ответить на многие вопросы. Например, что произойдет, если мы возьмем электрический заряд и будем качать его вверх-вниз в вертикальном направлении? (Такой же вопрос можно было бы задать и о гравитационном поле, но гравитационная сила столь слаба, что будет очень трудно экспериментально проверить правильность ответа.)

Когда вы качаете заряд вверх-вниз, вполне понятно, что произойдет в результате этих манипуляций – возникнет рябь в электромагнитном поле. И эта рябь будет распространяться от заряда во все стороны в виде волн, так же, как когда вы уроните камень в воду, по воде от него пойдут круги. Один из видов электромагнитных волн нам хорошо знаком – это свет. Когда мы щелкаем выключателем и включаем лампу, электрический ток начинает течь через нить электрической лампы и нагревает ее. Тепло встряхивает атомы нити и связанные с ними электроны, заставляя их покачиваться туда-сюда. Это покачивание создает волны в электромагнитном поле, которые попадают в наши глаза и воспринимаются как свет.

Отождествление света с волнами электромагнитного поля является уже большим шагом вперед в нашем представлении о единстве физических явлений. Мы продвинулись еще дальше, когда поняли: то, что мы называем видимым светом, – всего лишь излучение определенных длин волны, тех, которые можно увидеть человеческим глазом. Более короткие волны – это ультрафиолетовое излучение и рентгеновские лучи, более длинные волны – инфракрасный свет, микроволновое излучение и радиоволны. Работы Фарадея и Максвелла получили впечатляющее подтверждение в 1888 году, когда немецкий физик Генрих Герц впервые смог возбудить и зарегистрировать радиоволны.

Когда вы наводите пульт дистанционного управления на телевизор, это выглядит как передача воздействия на расстояние, но в действительности это не так. Вы нажимаете на кнопку, электрический ток начинает колебаться внутри электрического контура, спрятанного в пульте дистанционного управления, создавая радиоволну, которая распространяется, изменяя окружающее электромагнитное поле, к телевизору, и поглощается там похожим устройством. В современном мире электромагнитному полю вокруг нас приходится выполнять огромное количество дел – освещать наши жилища, посылать сигналы в наши сотовые телефоны и беспроводные компьютеры, греть еду в микроволновой печи. И все это делают движущиеся заряды, возбуждающие рябь в поле, распространяющемся наружу. Герц, кстати, такого совершенно не ожидал. Когда ученого спросили, как можно использовать его приемники радиоволн, он ответил: «Это абсолютно бессмысленная вещь». После настойчивых просьб предложить все-таки хоть какое-нибудь практическое применение радиоволн он ответил: «Я думаю, они никому не нужны». Об этом следует помнить, когда мы говорим о важности фундаментальных исследований.

Гравитационные волны

И только когда физики поняли взаимосвязь между электромагнетизмом и светом, они задались вопросом, не происходит ли то же самое с гравитационным полем. Это может показаться академическим вопросом, поскольку для создания настолько большого гравитационного поля, чтобы его можно было измерить, нам нужен объект размером с какую-нибудь планету или Луну. Мы не собираемся трясти Землю, чтобы возбудить волны, но найти такой объект во Вселенной – вообще-то не проблема. Наша галактика полна двойных звезд – систем, в которых две звезды вращаются друг вокруг друга, естественно, возбуждая при этом колебания гравитационного поля. Приводит ли это к распространению гравитационных волн?

Интересно, что гравитация в том виде, как ее описал Ньютон или Лаплас, не предполагает наличия какого-либо излучения. Теория говорит, что, когда планета или звезда движется, ее гравитационное притяжение изменяется мгновенно во всей Вселенной. То есть тут не распространяющаяся волна, а мгновенное преобразование всей Вселенной.

Это лишь один из пунктов, по которым ньютоновская гравитация, как оказалась, не слишком хорошо согласовывалась с меняющимися физическими концепциями XIX века. Электромагнетизм, и особенно ключевая роль скорости света, сыграли важную роль и вдохновили Альберта Эйнштейна и других ученых на создание теории относительности, что и было сделано в 1905 году. Согласно этой теории, ничто не может двигаться быстрее света – даже гипотетические колебания гравитационного поля. От чего-то нужно было отказаться. После десяти лет напряженной работы Эйнштейну удалось построить принципиально новую теорию гравитации, известную как общая теория относительности, которая полностью заменила теорию Ньютона.

Так же как и интерпретация Лапласа ньютоновской теории гравитации, общая теория относительности Эйнштейна описывает гравитацию в терминах поля, которое определено в каждой точке пространства. Но поле Эйнштейна с точки зрения используемой математики гораздо сложнее, чем поле Лапласа, и может отпугнуть – вместо гравитационного потенциала, определяемого всего одним числом в каждой точке пространства, Эйнштейн использовал так называемый «метрический тензор», который можно определить в каждой точке совокупностью десяти независимых чисел. Эта математическая сложность укрепила репутацию общей теории относительности как теории, очень трудной для понимания. Но основная ее идея столь же проста, сколь и глубока: метрика описывает кривизну самого пространства-времени. Согласно Эйнштейну, гравитация является проявлением искривления и растяжения самой ткани пространства, способом измерения расстояний и отрезков времени во Вселенной. Когда мы говорим, что «гравитационное поле равно нулю», мы имеем в виду, что пространство-время гладкое, а геометрия Евклида, которую мы учили в школе, справедлива.

Одно радует: из общей теории относительности следует, что, как и в случае с электромагнитными волнами, рябь в гравитационном поле приводит к распространению гравитационных волн со скоростью света. И мы засекли их, хотя и не напрямую. В 1974 году Рассел Халс и Джозеф Тейлор обнаружили двойную систему, в которой оба объекта – нейтронные звезды, быстро вращающимися на очень близких орбитах. Общая теория относительности предсказывает, что такая система должна терять энергию, испуская гравитационные волны, и по мере сближения звезд это должно привести к постепенному уменьшению периода обращения. Халс и Тейлор смогли измерить это изменение периода, и оно оказалось в точности таким, как предсказывала теория Эйнштейна. В 1993 году за эту работу они были удостоены Нобелевской премии.

И все-таки это было косвенным измерением гравитационных волн. Мы, конечно, пытаемся увидеть их, и в настоящее время проводится ряд экспериментов по поискам гравитационных волн, приходящих от астрофизических источников. Как правило, в экспериментах стараются обнаружить изменение расстояний между зеркалами лазеров, отстоящими друг от друга на несколько километров. При прохождении гравитационной волны пространство-время должно то растягиваться, то сжиматься – и тогда и расстояние между зеркалами должно периодически изменяться. Этот крошечный эффект может быть обнаружен при измерении количества длин волн, умещающихся между двумя зеркалами, в зависимости от времени. В США эти эксперименты проводит Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватории (LIGO), включающая в себя две отдельные лаборатории – одна в штате Вашингтон, а другая в Луизиане. Они находятся в постоянном контакте с обсерваториями VIRGO в Италии и GEO 600 в Германии. Ни одна из этих лабораторий гравитационные волны пока не нашла, но ученые настроены оптимистически и надеются на недавно проделанную модернизацию оборудования. Если гравитационные волны все-таки будут обнаружены, мы получим прямое подтверждение тому, что гравитационное поле колеблется и испускает гравитационные волны.

Появление частиц из полей

Осознание того, что свет представляет собой электромагнитную волну, пришло в противоречие с ньютоновской теорией света, утверждавшей, что свет – это поток частиц, названных «корпускулами». Веские аргументы были у сторонников обеих теорий. С одной стороны, предметы на свету отбрасывают резкую тень – это понятно, если свет представляет собой поток частиц. К тому же из опыта со звуковыми волнами и волнами на поверхности мы знаем, что волны должны огибать препятствия, а свет этого не делает. С другой стороны, при прохождении через узкие отверстия свет может образовать интерференционную картину, как это делают все волны. Электромагнитная природа света, казалось, решила вопрос в пользу волн.

Концептуально поле (и, соответственно, волна) является противоположной частицам сущностью. Частица локализована в определенном месте в пространстве, в то время как поле существует везде, определяется в каждой точке величиной, равной некоторому конкретному числу, и, возможно, некоторыми другими характеристиками, например направлением. И только квантовая механика, которая появилась в 1900 году и определяла всю физику XX века, в конечном счете примирила две концепции. Кратко идею этого примирения можно сформулировать так: все состоит из полей, но если мы посмотрим на них повнимательнее, то увидим частицы.

Представьте, что вы ночью вышли на улицу. Очень темно, и свет исходит только от свечи, которую держит ваш друг, стоящий на некотором удалении. Если он будет удаляться от вас, то свет свечи будет тускнеть и в конце концов так ослабнет, что вы его вообще перестанете видеть. Вы решите, что скорее всего это связано с плохим зрением, а вот если бы ваши глаза были идеальными, вы увидели бы, как свет свечи постепенно тускнеет, но полностью никогда не исчезает.

На самом деле все происходит не так. Даже обладая идеальным зрением, вы не увидели бы постоянно тускнеющего света. Вначале, при удалении от свечи, ее свет действительно постепенно бы слабел, но в какой-то момент ситуация изменилась бы. Вместо того чтобы слабеть, свет свечи начал бы мерцать – включаться и выключаться, и это при том, что во включенном состоянии его яркость оставалась бы постоянной. По мере того как ваш друг уходил бы от вас все дальше, темные периоды удлинялись бы, а светлые – укорачивались, и в конце концов свеча почти всегда казалась бы темной, и только очень редко можно было бы увидеть слабые вспышки. Эти вспышки – отдельные частицы света – фотоны. Такой мысленный эксперимент описан в книге физика Дэвида Дойча «Структура реальности» (David Deutsch, The Fabric of Reality), где среди прочего отмечается, что у лягушек зрение лучше, чем у людей. Им повезло – они различают отдельные фотоны.

Идея фотонов впервые появилась в работах Макса Планка и Альберта Эйнштейна, выполненных ими на рубеже XIX–XX веков. Планк исследовал излучение, испускаемое объектами при нагревании. Проблема состояла в том, что экспериментальные результаты и теоретические, полученные в рамках волновой теории света, не совпадали. Согласно теории, интенсивность излучения с очень короткой длиной волны и, следовательно, с очень высокой энергией должна была быть намного больше, чем наблюдаемая в опыте. Планк предложил блестящее и несколько неожиданное решение: свет приходит в виде дискретных пакетов, или «квантов», а квант света с некоторой фиксированной длиной волны должен иметь фиксированную энергию. Требуется изрядное количество энергии, чтобы сформировать даже один квант коротковолнового света, поэтому теория Планка помогла объяснить, почему интенсивность коротковолнового излучения намного меньше, чем это следует из волновой теории.

Связь между энергией и длиной волны – ключевое понятие в квантовой механике и теории поля. Длина волны – это расстояние между двумя соседними гребнями волны. Когда она мала, гребни прижимаются ближе друг к другу. Чтобы добиться этого, нужно затратить энергию, так что понятно, почему световые пакеты с короткими длинами волн, как, например, у ультрафиолетового света или у рентгеновских лучей, обладают более высокой энергией. Если длина волны велика, как у радиоволн, отдельные кванты света имеют очень низкую энергию. После того как появилась квантовая механика, эта взаимосвязь между длиной волны и энергией была распространена и на массивные частицы. Большая масса подразумевает короткую длину волны, что означает, что частица занимает меньше места. Вот почему электроны, а не протоны или нейтроны, определяют размер атома: они самые легкие из всех частиц атома, поэтому имеют самую большую длину волны, и, следовательно, занимают больше всего места. В некотором смысле это даже объясняет, почему БАК должен быть таким большим. На ускорителе пытаются рассмотреть то, что происходит на очень малых расстояниях, а это значит, что нужно использовать очень маленькие длины волн, следовательно, нам нужны высокоэнергетичные частицы, то есть нам нужен гигантский ускоритель, чтобы заставить их летать как можно быстрее.

Планк не сумел сделать концептуальный скачок и перейти от метода квантования энергии к идее частиц света в буквальном смысле. Он считал введение квантов просто своего рода трюком, который помогает получить правильный ответ, а не фактом реальности. Этот скачок сделал Эйнштейн, который в то время ломал голову над загадочным явлением под названием «фотоэлектрический эффект». Когда вы освещаете металл ярким светом, вы можете выбить из его атомов электроны. Казалось бы, число таких освободившихся электронов зависит от интенсивности света, поскольку если луч света ярче, в металл вкачивается больше энергии. Но выяснилось, что это не совсем так: свет большой длины волны, даже очень яркий, не сумеет даже расшатать электроны, в то время как довольно слабый, зато коротковолновый свет способен вырвать некоторые электроны из атомов. Эйнштейн понял, что фотоэлектрический эффект можно объяснить, если считать, что свет распространяется не в виде непрерывной волны, а в виде отдельных квантов. И это справедливо не только для излучения светящегося нагретого тела. «Высокая интенсивность, но длинноволновое излучение» подразумевает море квантов, каждый из которых обладает слишком малой энергией, чтобы оторвать какие-либо электроны от атомов, а «низкая интенсивность, но короткие волны» означает всего несколько квантов, но в каждом достаточно энергии, чтобы освободить электрон.

Ни Планк, ни Эйнштейн не использовали слово «фотон». Оно было придумано Гилбертом Льюисом в 1920-х годах, а благодаря Артуру Комптону стало популярным. Именно Комптон окончательно убедил людей в том, что свет – это поток частиц, показав, что кванты света обладают и моментом, и энергией.

Статья Эйнштейна по фотоэффекту стала той самой работой, за которую он получил Нобелевскую премию. Она была опубликована в 1905 году, и в том же номере журнала появилась еще одна статья Эйнштейна, в которой он сформулировал специальную теорию относительности. Вот что такое Эйнштейн образца 1905 года: он публикует революционную статью, в которой закладываются основы квантовой механики и за которую ему позже присуждается Нобелевская премия, но она оказывается всего лишь второй по важности из двух его статей, опубликованных в том журнале!

Квантовомеханические следствия

Квантовая механика стала постепенно внедряться в физику в первые десятилетия XX века. Начиная с Планка и Эйнштейна, ученые пытались понять смысл поведения фотонов и атомов, и в тот момент времени, когда они это поняли, надежная ньютоновская картина мира была опрокинута с ног на голову. В последние несколько веков в физике произошло много революций, но на фоне всех остальных две выделяются своей грандиозностью. Первая случилась, когда гениальный Ньютон в 1600-х годах сформулировал свое видение «классической» механики, а вторая – когда группа блестящих ученых сформулировала квантовую механику, заменившую теорию Ньютона.

Основное различие между квантовым и классическим мирами состоит в отношениях между тем, что действительно существует и тем, что мы можем наблюдать. Конечно, любое наше измерение содержит ошибки наших измерительных приборов, но в классической механике мы по крайней мере можем считать, что, изготавливая все более совершенные приборы, мы приближаем измеряемые характеристики к реальным. Квантовая же механика в принципе лишает нас такой надежды. В квантовом мире все, что мы можем увидеть, – лишь малая часть того, что действительно существует.

Вот грубая аналогия, иллюстрирующая суть этого утверждения. Представьте, что у вас есть очень фотогеничная подруга, но, рассматривая ее фотографии, вы замечаете что-то странное: на всех фотографиях она изображена сбоку – то слева, то справа, но никогда – спереди или сзади. Когда вы смотрите на нее в профиль, а затем фотографируете, снимок всегда правильно фиксирует позицию. Но когда вы смотрите на нее прямо спереди, а затем фотографируете, на половине снимков возникает ее левый профиль, а на второй половине – правый. (Аналогия предполагает, что понятие «сделать снимок» эквивалентно понятию «сделать квантовое наблюдение».) Вы можете сделать снимок под любым углом, а затем очень быстро переместиться на 90° и сделать второй снимок, но на фотографиях вы всегда увидите подругу только в профиль. В этом суть квантовой механики – ваша подруга по отношению к вам может находиться в любой позиции, но, когда вы ее фотографируете, на снимке она получается только в одной из двух возможных «профильных» позиций. Это хорошая аналогия для «спина» электрона в квантовой механике. При измерениях направления вращения электрона относительно любой оси вы всегда получите только вращение по часовой стрелке или против часовой стрелки.

Тот же принцип применим и к другим наблюдаемым величинам. В классической механике есть характеристика частицы, называемая «положением», которое мы можем измерить. В квантовой механике такого понятия нет. Вместо этого вводится так называемая «волновая функция» частицы, которая представляет собой набор чисел, показывающих вероятность нахождения частицы в каждом конкретном месте. Тут уже нельзя указать место, «где находится частица на самом деле».

Когда квантовую механику применили к полям, возникла специальная наука – «квантовая теория поля», которая стала основой нашего современного понимания реальности на самом фундаментальном уровне. Согласно квантовой теории поля, наблюдая за полем достаточно пристально, мы увидим, что оно «распадается» на индивидуальные частицы, хотя и само поле реально. (На самом деле поле имеет волновую функцию, описывающую вероятность нахождения его с каким-либо определенным значением в каждой точке пространства.) В реальной жизни такое тоже происходит: если смотреть на экран телевизора или монитор компьютера издалека, кажется, что на них отображается гладкая картинка, но при ближайшем рассмотрении видно, что на самом деле экраны – это матрицы, состоящие из крошечных пикселей.

Квантовая теория поля объясняет и феномен возникновения виртуальных частиц, в том числе партонов (кварков и глюонов) внутри протонов, которые играют такую важную роль в столкновениях на БАКе. Так же как мы никогда не сможем достаточно точно определить положение индивидуальной частицы, мы никогда не сможем совершенно точно определить конфигурацию поля. Если мы посмотрим на него достаточно пристально, то увидим, что в зависимости от локальных условий частицы появляются и исчезают в пустом пространстве. Виртуальные частицы – прямое следствие неопределенности, присущей квантовым измерениям.

Поколениям студентов-физиков задавался каверзный вопрос: «Из чего в действительности состоит материя – из частиц или волн»? Зачастую студенты, даже пройдя многолетний курс обучения, так и не находят ответ. На самом деле ответ таков: материя состоит из волн (квантовых полей), но когда мы смотрим на них достаточно внимательно, то видим частицы. Если бы наше зрение было столь же острым, как у лягушек, этот факт для нас, возможно, был бы более очевидным.

Фермионные поля

Итак, свет – это волны, рябь, распространяющаяся в электромагнитном поле, пронизывающем пространство. Если мы привлечем к этому описанию еще и квантовую механику, то придем к квантовой теории поля, которая утверждает, что при внимательном рассмотрении электромагнитного поля мы увидим, что оно состоит из отдельных фотонов. Та же логика применима и для гравитации: поле тяжести – тоже поле, в нем есть колебания – гравитационные волны, которые перемещаются в пространстве со скоростью света, а если посмотреть на такую волну достаточно пристально, видно, что она представляет собой поток безмассовых частиц, «гравитонов». Гравитация слишком слаба, чтобы мы смогли обнаружить отдельные гравитоны, но основные принципы квантовой механики говорят, что гравитоны должны существовать. Подобным же образом сильное ядерное взаимодействие осуществляется через поле, которое мы наблюдаем в виде частиц, называемых «глюонами», а слабое ядерное взаимодействие – через поле, носители которого – W– и Z-бозоны.

Все это, конечно, хорошо: как только мы выяснили, что силы возникают из полей, распространяющихся в пространстве, а квантовая механика объяснила, что поля выглядят как частицы, у нас появилось довольно хорошее представление о том, как работают силы природы. Ну а как же быть с веществом, на которое эти силы действуют? Одно дело думать, что гравитация или магнетизм возникают из полей, и совсем другое – что сами атомы порождаются полями. Если что-то и является настоящей частицей, а не полем, так это один из тех крошечных электронов, вращающихся по орбитам в атомах. Не так ли?

Совсем не так. Подобно частицам, переносчикам взаимодействий, частицы вещества тоже возникают в результате применения правил квантовой механики к полю, заполняющему пространство. Частицы-переносчики взаимодействий являются бозонами, а частицы вещества – фермионами. Они соответствуют различным видам полей, но – тем не менее – полей!

Бозоны, как уже говорилось, могут жить на головах друг у друга, в то время как фермионам требуется много места. Давайте подумаем об этом с точки зрения полей, колебаниями которых являются эти частицы. Разница между ними сводится к простому различию: бозонные поля могут принимать вообще любое значение, в то время как каждая возможная частота колебаний поля фермионов может быть раз и навсегда либо «включена», либо «выключена». Когда бозонное поле, например электромагнитное, очень велико, это соответствует большому числу частиц; когда это значение невелико, но отлично от нуля, там всего несколько частиц. Таких возможностей нет у фермионных полей. Частица там либо существует (в некотором определенном состоянии), либо нет. Это важнейшее свойство, известное как принцип Паули: не может быть двух частиц-фермионов в одном и том же состоянии. Чтобы дать определение «состояния» частицы, мы должны указать, где она находится, какую энергию имеет, и, возможно, определить некоторые другие характеристики, например сказать, как она вращается. Принцип Паули говорит, что два одинаковых фермиона не могут заниматься совершенно одним и тем же в одном и том же месте.

Передача колебаний

Идея о том, что частицы вещества являются дискретными колебаниями фермионных полей, помогает объяснить особенности реального мира, которые иначе могли бы остаться непонятными. Например, то, как частицы могут рождаться и исчезать. В первые годы квантовой механики ученые изо всех сил пытались разобраться с феноменом радиоактивности. Они еще могли понять, как фотоны получаются из других частиц, ведь фотоны – просто колебания электромагнитного поля. Но как насчет радиоактивных процессов, таких как распад нейтрона? Внутри ядра, в тесном соседстве с несколькими протонами нейтрон может жить вечно. Когда же он изолирован и предоставлен сам себе, он распадается в течение нескольких минут, превращаясь в протон и испуская электрон и антинейтрино. Вопрос в том, откуда берется электрон и антинейтрино. Ученые сначала предположили, что на самом деле они все это время прятались внутри нейтрона, но это оказалось не совсем верным.

Красивый ответ был дан в 1934 году Энрико Ферми, который впервые по-настоящему применил теорию поля к фермионам. (Кстати, эти частицы были названы в честь Ферми.) Итак, Ферми предположил, что можно считать каждую из этих частиц колебанием соответствующего квантового поля и каждое поле чуточку влияет на другие, так же как игра на пианино в одной комнате заставляет струны пианино, стоящего в соседней комнате, тихонько колебаться в ответ. Нельзя сказать, что новые частицы волшебным образом создаются из ничего – просто колебания нейтронного поля постепенно превращаются в колебания протонного, электронного и антинейтринного полей. А поскольку это квантовая механика, мы не можем на самом деле представить себе это превращение как постепенное – мы должны наблюдать нейтрон либо как обычный нейтрон, либо как уже распавшийся, причем вероятности этих исходов математически рассчитываются.

Квантовая теория поля также помогает понять, как одна частица способна превратиться в другие, с которыми она даже непосредственно не взаимодействует. Классический пример, который скоро станет для нас очень важным, – бозон Хиггса, распадающийся на два фотона. Этот процесс кажется невозможным, потому что мы знаем, что фотоны не взаимодействуют непосредственно с полем Хиггса. Фотоны взаимодействуют с заряженными частицами, а поле Хиггса взаимодействует с массивными частицами. А мы знаем, что бозон Хиггса не заряжен, а фотоны не обладают массой.

Разгадка лежит в концепции виртуальных частиц, которые в действительности следует рассматривать как виртуальные поля. Бозон Хиггса появляется на свет как волна колебаний поля Хиггса. Это колебание способно возбудить колебания массивных частиц, с которыми поле Хиггса взаимодействует. Но эти колебания могут не дотянуть до уровня, достаточного для появления новых частиц, а вместо этого создадут колебания в еще одном поле, в данном случае – в электромагнитном. Вот так бозон Хиггса и превратится в фотоны: сначала он превращается в виртуальные заряженные массивные частицы, а те затем быстро превращаются в фотоны. Это как если бы у вас было два совершенно расстроенных друг относительно друга пианино, которые обычно не могут подстроиться друг под друга, но есть третий инструмент в комнате, например скрипка, которая достаточно легко настраивается в резонанс с ними обоими.

Законы сохранения

Из-за того что все частицы возникают из полей, даже частицы вещества могут появляться и исчезать. Но это не значит, что в природе воцарилась анархия. Оцените электрический заряд до и после нейтронных распадов. До распада это ноль, поскольку нейтрон – частица, не имеющая заряда. После распада он также равен нулю – протон имеет положительный заряд, а электрон имеет точно такой же отрицательный заряд, антинейтрино же не имеет заряда вообще. Оказывается, что и число кварков одно и то же до и после распада, так как один нейтрон производит один протон. Наконец, и число лептонов равно одному до и после распада, если считать лептон антиматерии как один лептон со знаком минус (и антикварк – одним кварком со знаком минус, если появляются какие-нибудь антикварки). Нейтрон состоит из трех кварков и не содержит лептонов, а при распаде в продуктах его распада также содержится три кварка (в протоне) и нет лептонов (один в электроне и минус один в антинейтрино). Вот поэтому при распаде нейтрона и образуется антинейтрино, а не нейтрино.

Эти ненарушаемые правила являются законами сохранения, которые определяют, какие взаимодействия частиц разрешены природой, а какие – нет. Наряду с известным законом сохранения энергии есть также закон сохранения электрического заряда, числа кварков и числа лептонов. Некоторые законы сохранения более строгие, чем другие. Например, физики подозревают, что иногда число кварков и лептонов во взаимодействиях может не сохраняться (очень редко или в экстремальных условиях), но большинство уверено в том, что и энергия, и электрический заряд сохраняются абсолютно всегда.

Пользуясь этими правилами, мы можем понять, какие частицы распадутся, а какие из них живут вечно. Общее правило гласит: тяжелые частицы обычно распадаются на более легкие, если при этом не нарушаются никакие законы сохранения. Электрический заряд сохраняется, и электроны являются самыми легкими заряженными частицами, поэтому они совершенно стабильны. Число кварков сохраняется, и протон является самой легкой частицей с ненулевым числом кварков, так что он также стабилен (насколько мы знаем). Нейтроны не являются стабильными, но в содружестве с протонами могут образовывать стабильные ядра.

Бозон Хиггса – очень тяжелая частица с нулевым зарядом, которая не является ни кварком, ни лептоном, и она распадается, причем так быстро, что мы никогда не сможем наблюдать ее непосредственно в детекторе частиц. Это одна из причин того, почему ее было так трудно найти и почему успех ученых так нас всех обрадовал.

Глава 8 Разбитое зеркало

Мы тщательно исследуем бозон Хиггса и поле, из которого он образуется, а также выясняем, как он нарушает симметрию и определяет вид Вселенной.

Я сижу за столом в пустом зале для семинаров Калифорнийского технологического института, а напротив меня, по другую сторону стола, сидит местный тележурналист Хэл Эйснер. Между нами – огромная миска попкорна. Эйснер берет кукурузное зернышко, машет им перед моим носом и спрашивает (а на самом деле умоляет объяснить), что же это такое – бозон Хиггса. «Если бы не было бозона Хиггса, это зернышко взорвалось бы? Ведь правда, оно ведь взорвалось бы?»

Тот разговор наш случился 10 сентября 2008 года – в день, когда первые протоны пролетели по кольцу БАКа. Для предыдущего поколения ускорителей запуск был обычным делом, за которым внимательно следила лишь небольшая группа заинтересованных физиков, остальное человечество это событие не интересовало. Но с БАКом все обстояло иначе – внимание всего мира было сосредоточено на нескольких протонах, набиравшихся сил, чтобы в первый раз пролететь весь 27-километровый путь по кольцу.

Именно поэтому в Калтех и другие университеты, расположенные в разных городах и странах, пришли журналисты: они хотели первыми написать о сенсационном событии. В Женеве было раннее утро, а у нас – поздняя ночь предыдущего дня, поскольку время в Калифорнии отстает на девять часов от европейского. Компьютеры были включены, и все могли следить за событиями, хотя сильно возросшая нагрузка на серверы ЦЕРНа вскоре обрушила их. Вскоре заказали пиццу, что существенно помогло собравшимся ученым комфортно перенести ожидание. (Довольно много атомов в организме типичного физика хоть один раз да побывали атомами пиццы.)

И все же слушатели местных новостей резонно задавались вопросом: «Подумаешь, большое дело! Мы знаем, что все это важно, но вот почему?» И всегда одним из первых ответов был такой: «Потому что мы хотим найти бозон Хиггса». Хорошо, ну а почему этот бозон так важен? Что-то связано с массой и нарушением симметрий. Давайте сосредоточимся на главном вопросе: взорвется ли кукурузное зерно?

Правильный ответ «да», взорвется, если бозон Хиггса (или точнее, поле Хиггса, в котором бозон распространяется в виде волны) внезапно исчезнет. Тогда частички обычного вещества больше не смогут удерживаться вместе, и такие предметы, как кукурузные зернышки, сразу взорвутся. Но было бы неправильно думать о бозоне Хиггса как о своего рода силе, которая связывает атомы друг с другом. Поле Хиггса – поле, которое пронизывает все пространство, оно придает массу таким частицам, как электроны, позволяя им образовать атомы, которые, в свою очередь, связываются в молекулы. Без поля Хиггса не было бы атомов, а была бы просто куча частиц, одиноко летающих во Вселенной.

Огромной проблемой нынешней науки является трудность перевода глубоких понятий современной физики на язык повседневной жизни. Вы хотите сказать (несомненно) совершенно правильные вещи, но вы хотите еще, чтобы у людей создалось правильное впечатление, а это не одно и то же. Бессмысленно говорить правильные вещи, если никто не поймет ни слова из того, что вы говорите. Более того, может случиться, что слушатели на основании ваших объяснений даже начнут неправильно представлять себе те или иные явления природы.

К счастью для нас, в истории с бозоном Хиггса все не так уж сложно. Поле Хиггса как воздух для нас или вода для рыб – мы его обычно не замечаем, но оно везде вокруг, без него жизнь была бы невозможна. И это «везде вокруг» имеет буквальный смысл: в отличие от всех других физических полей поле Хиггса отлично от нуля даже в пустом пространстве. Перемещаясь в нем, мы буквально погружены в фоновое поле Хиггса, и именно влияние этого поля на наши частицы придает им их уникальные свойства.

Бозон Хиггса не похож на другие частицы. Когда Теватрон в лаборатории Ферми обнаружил истинный кварк в 1995 году, это было потрясающей победой, результатом напряженной многолетней работы. Но к тому времени мы уже были знакомы с кварками и не ожидали открыть для себя что-то совершенно новое. Бозон Хиггса – совсем другое дело, мы еще не встречались с частицами, похожими на него. Его поле заполняет пространство, нарушает симметрии, наделяет массами и индивидуальными чертами другие частицы Стандартной модели. Если бы истинные и прелестные кварки не существовали, наша жизнь существенно не изменилась бы. Но если бы не существовал бозон Хиггса, Вселенная была бы совершенно иной.

Аналогия, получившая премию

В 1993 году проект БАКа существовал в виде чертежного наброска. Тогда никто не был уверен, что он доберется до стадии реального воплощения. Группа физиков из ЦЕРНа презентовала масштабный проект Уильяму Уолдгрейву, бывшему тогда министром науки Великобритании. Уолдгрейв заинтересовался идеей, но не смог понять главную цель проекта – идею бозона Хиггса. Как вспоминал физик Дэвид Миллер из Университетского колледжа в Лондоне, «он не понял ни слова в том, что было сказано».

Но Уолдгрейв не сдался и предложил ученым найти способ внятно объяснить ему роль бозона Хиггса, причем так, чтобы это объяснение уместилось на одном листе бумаги. Тому, кто придумает лучшее объяснение, он пообещал бутылку марочного шампанского. Миллеру и четырем его коллегам удалось найти отличную метафору, удовлетворившую министра науки. Все пятеро получили по бутылке шампанского, а Великобритания поддержала строительство БАКа.

Я изложу слегка модифицированную версию метафоры Миллера. Представьте себе, что мы с Анжелиной Джоли идем через пустую комнату. (В оригинальной версии по понятным политическим причинам фигурировала не кинозвезда Джоли, а Маргарет Тэтчер, но это не важно – важно, чтобы был кто-то известный.) Давайте проведем мысленный эксперимент и предположим, что скорости, с которыми мы с Джоли обычно ходим, одинаковы. В этом случае мы пересечем пустую комнату за одинаковое время. Существует определенная симметрия: не имеет значения, кто проходит по комнате – Анжелина или я, – время будет одинаково.

Теперь представьте, что в комнате вечеринка, и полно гостей. Может быть, я и иду по забитой людьми комнате немного медленнее, чем по пустой, – я ведь должен иногда притормозить и поменять направление, чтобы протиснуться сквозь толпу гостей, но я прохожу почти незамеченным. А вот если по той же комнате идет красавица Анжелина, это уже совсем другая история: люди останавливают ее, просят дать автограф, сфотографироваться с ними или просто заводят светскую беседу. Можно сказать, что ее «масса» становится больше – для продвижения по комнате от нее требуется больше усилий, чем от меня. (Говоря об увеличении массы, я не хочу сказать, что Анжелина Джоли растолстела, это просто метафора.) Та симметрия, которая была между нами, в присутствии множества людей в комнате нарушается.

Физик бы сказал, что Анжелина Джоли «взаимодействует сильнее» с гостями вечеринки, чем я. Это более сильное взаимодействие отражает ее славу: никто не собирается останавливать меня и просить автограф, а вот известной актрисе взаимодействовать с толпой приходится чаще.

Теперь замените меня на верхний кварк, Анжелину – на истинный кварк, а гостей вечеринки – на поле Хиггса. Если нет заполняющего пространство поля Хиггса, существует идеальная симметрия между верхним и истинным кварками, и они ведут себя так же, как я и Анжелина, когда мы идем по пустой комнате с одинаковой скоростью. Но истинный кварк взаимодействует с полем Хиггса сильнее, чем верхний кварк, поэтому, если поле Хиггса «включено», истинный кварк приобретает большую массу, и ему требуется больше усилий, чтобы двигаться через поле, так же как Анжелине нужно приложить больше усилий, чтобы протиснуться через толпу гостей, чем мне.

Как и любая аналогия, и эта не совершенна. Поле Хиггса заполняет собой пространство, влияя на все, что движется через него. Но в отличие от движения сквозь толпу или еще что-то такое же знакомое, я не могу измерить свою скорость относительно этого фонового поля Хиггса – она оказывается всегда одинаковой, как бы я ни двигался. Чтобы создать частицу, движущуюся в поле Хиггса, требуется затратить больше усилий, но как только она начнет двигаться, она продолжит движение по законам, открытым Галилеем, Ньютоном и Эйнштейном. Поле Хиггса не заставляет частицу замедлиться и двигаться с его собственной скоростью, поскольку оно не имеет скорости. На самом деле никакой аналогии в повседневной жизни для этого нет, но, по-видимому, таково устройство мира.

До появления Эйнштейна и его теории относительности многие физики считали, что электромагнитные волны – колебания среды под названием «эфир». Они даже попробовали обнаружить эфир, попытавшись измерить изменения в скорости света в зависимости от его движения относительно движения эфира. Казалось бы, если свет распространяется в том же направлении, что и эфир, он должен двигаться быстрее, а если навстречу эфиру – медленнее. Но ученые никаких различий не обнаружили. Понадобился гений Эйнштейна, чтобы понять: в концепции эфира нет необходимости, и скорость света в пустом пространстве постоянна. Эфир для поддержания электромагнитного поля не нужен – оно может просто существовать само по себе.

Появляется искушение считать, что поле Хиггса – это тот же эфир, невидимое поле, в котором распространяются волны. Правда, это другие волны – бозоны Хиггса, а не электромагнитные волны. Действительно, в чем-то эти понятия схожи, так как поле Хиггса тоже заполняет пространство, а бозоны Хиггса являются колебаниями этого поля. Но этому искушению не следует поддаваться. Весь смысл эфира состоял в том, что имело значение, с какой скоростью вы движетесь относительно него – он определял состояние покоя для пустого пространства. А с полем Хиггса все наоборот – скорость вообще не имеет никакого значения. Теория относительности остается незыблемой.

Перевернутый маятник

Как мы узнали в предыдущей главе, Вселенная состоит из полей. Но большинство этих полей в пустом пространстве выключены – их значения равны нулю. Частица – это небольшое колебание в поле, сгусток энергии, возникающий тогда, когда поле отклонилось от своего естественного значения. С полем Хиггса все не так – оно имеет ненулевое значение даже в пустом пространстве. Это определенное фиксированное значение оно принимает абсолютно везде, а соответствующая ему частица, бозон Хиггса – колебание поля относительно этого значения, а не относительно нуля. Что же делает поле Хиггса таким непохожим на остальные поля?

Все это связано с энергией. Представьте себе мяч, покоящийся на вершине холма. У него есть свойство, которое физики называют «потенциальной энергией» и которое означает, что, даже ничего не делая, просто спокойно оставаясь там, он обладает способностью освободится от этой энергии, если мы позволим ему скатиться вниз по склону. Если это произойдет, он наберет скорость, постепенно превращая свою потенциальную энергию в энергию движения. Но, катясь вниз, он по дороге может столкнуться с другими предметами, ему придется преодолеть сопротивление воздуха, он будет производить шум, и все это приводит к рассеиванию энергии. К тому времени, когда мяч достигнет подножия холма, вся его начальная энергия превратится в звук и тепло, и он не разгонится, а наоборот – остановится.

Поля ведут себя похожим образом. Если столкнуть их с их любимого состояния покоя, это придаст им потенциальную энергию. Если их отпустить, они начнут колебаться и в конечном итоге могут рассеять свою энергию, передав ее другим полям. В конечном итоге они вернутся обратно в состояние покоя. Особенность поля Хиггса в том, что его состояние покоя находится совсем не на нуле – самое низкое энергетическое состояние находится при величине поля 246 ГэВ. Это значение мы определяем из эксперимента, так как оно определяет величину слабого взаимодействия.

Энергия 246 ГэВ – не масса бозона Хиггса (его масса равна примерно 125 ГэВ, и она оставалась неизвестной до тех пор, пока на БАКе его не нашли), это значение поля в пустом пространстве. Как уже говорилось, в физике элементарных частиц принято измерять все в одних и тех же единицах ГэВ, что может иногда привести к путанице. Масса бозона Хиггса (как и масса любого другого объекта) показывает, сколько энергии мы должны затратить на то, чтобы он стал двигаться, если мы толкнем его. Иначе говоря, это та энергия, которую мы должны влить в колебание поля, чтобы это колебание проявилось в виде дискретной частицы. Величина поля – это совсем другая характеристика, она показывает, что поле делает, когда находится в полном покое.

Чтобы разобраться, почему поле Хиггса флуктуирует не вблизи нуля, а вблизи значения 246 ГэВ, полезно представить себе маятник, подвешенный к потолку. Он ведет себя как обычное поле – в состоянии с самой низкой энергией находится в вертикальном положении, его конец направлен вниз. Мы можем придать ему дополнительную энергию, вытолкнув его из этой позиции, и если мы не будем его удерживать, он начнет свободно колебаться туда-сюда и в конце концов остановится, поскольку потратит свою энергию на преодоление сопротивления воздуха и трение.

А теперь представим себе перевернутый маятник, конец которого прикреплен к полу, а не к потолку. Это похожее устройство, но теперь оно ведет себя совершенно иначе. Перевернутый маятник, наоборот, имеет наибольшую энергию, когда располагается вертикально, тогда как раньше в этой конфигурации у него была наименьшая энергия. У такого маятника есть две позиции с наименьшей энергией: одна, в которой маятник лежит на полу слева от точки крепления, и одна – на полу справа. Если маятник предоставить самому себе, он опустится на пол и займет либо одну, либо другую позицию.

Поле Хиггса похоже на перевернутый маятник: для того, чтобы ему принять нулевое значение, нужно приложить энергию. Его состояние с самой низкой энергией – такое, при котором поле везде равно некоторому фиксированному значению, так же как маятник находится в самом низком энергетическом состоянии, когда его конец направлен влево или вправо от точки крепления. Вот почему пустое пространство заполнено полем Хиггса, при движении через которое другие частицы набирают массу – просто это конфигурация с наименьшей энергией. Поля можно сравнить со смещением маятников от вертикали – обычное поле (и обычный маятник) стремится к нулевому значению, в то время как поле Хиггса стремится к ненулевому значению с наименьшей энергией, подобно тому как перевернутый маятник стремится улечься на левый или на правый бок.

Обычное поле можно сравнить с маятником, подвешенным к потолку. Минимальная энергия у маятника тогда, когда он находится в состоянии покоя, и его конец направлен прямо вниз. Мы можем вывести его из такого состояния, но это потребует энергии. Поле Хиггса похоже на перевернутый маятник с точкой крепления не на потолке, а на полу. Теперь состояние с минимальной энергией – то, в котором маятник лежит на полу – справа или слева относительно точки крепления, а чтобы привести его в вертикальное положение, нужно затратить энергию.

Конечно, мы можем задаться вопросом, почему этот «маятник Хиггса» перевернутый, а не обычный. На самом деле ответа никто не знает. Есть некоторые предположения, которые основываются на физических теориях, выходящих далеко за рамки Стандартной модели, но при современном состоянии знаний нам не остается ничего другого, как считать это просто данностью. Поле Хиггса в пустом пространстве могло принять ненулевое значение, а могло и не принять, обе возможности ничему не противоречат, но оказалось, что в нашем мире оно решило стать не нулевым. И это хорошо, потому что в противном случае наш мир выглядел бы намного менее интересным (и не только для физиков элементарных частиц).

Наделение частиц массой

Важно не то, что поле Хиггса заполняет пустое пространство; мы даже не заметили бы его отсутствия, если бы оно не взаимодействовало с другими частицами. И самое главное следствие этого взаимодействия – «наделение массой» элементарных частиц Стандартной модели. Эта концепция достаточно тонкая, так что стоит потратить на нее некоторое время. (Более подробно о том, как это все устроено, см. в Приложении 1.)

В первую очередь мы должны определить, что такое «масса» объекта. Наверное, лучший способ – сказать, что масса характеризует то, «насколько сильное сопротивление мы чувствуем, толкая этот объект», или, другими словами: масса – это то, «сколько энергии нужно затратить, чтобы разогнать объект до определенной скорости». Автомобиль имеет намного большую массу, чем велосипед, и это нам понятно, потому что приходится затратить гораздо больше усилий на то, чтобы сдвинуть с места автомобиль, чем велосипед. Есть и другое определение массы как «количества энергии, которое объект имеет в состоянии покоя». Оно следует из уравнения Эйнштейна E = mc². Обычно мы читаем это уравнение наоборот, то есть оно дает нам возможность узнать, сколько энергии спрятано в объекте с определенной массой, но мы можем считать это и определением массы неподвижного объекта.

Важно подчеркнуть, что масса вообще не имеет прямого отношения к гравитации. Мы привыкли связывать эти два понятия, потому что самый простой способ измерить массу чего-то – взвесить, положив на весы, поскольку, как мы все знаем, именно гравитация тянет вниз чашу весов. Вовне, в пустом пространстве, где гравитации почти не чувствуется, все предметы становятся невесомыми, но они тем не менее имеют массу. Труднее сдвинуть с места массивный космический корабль, чем крошечный камешек, и еще труднее столкнуть с места Луну и планеты. Гравитация (или вес) – это нечто иное, что влияет не только на массивные объекты, но даже и на те, которые не имеют массы. Гравитация, как уже экспериментально установлено, влияет даже на свет, состоящий из безмассовых фотонов, что и было наглядно продемонстрировано с помощью явления гравитационных линз (искривления лучей галактиками и скоплениями темной материи).

Если вы взгляните на таблицы Зоопарка частиц в Приложении 2, в которые занесены все частицы Стандартной модели, вы увидите, что некоторые частицы имеют массу, а некоторые нет. Все бозоны – переносчики взаимодействий – глюоны, гравитоны и фотоны – имеют нулевую массу, а вот масса W– и Z-бозонов не равна нулю, равно как не равна нулю и масса самого бозона Хиггса. Как видно из таблицы для фермионов, нейтрино имеет массу, про которую пока только известно, что она «маленькая», зато кварки и заряженные лептоны обладают совершенно разными массами.

Это многообразие видов в нашем Зоопарке частиц напрямую связано с влиянием поля Хиггса. Правило простое: если частица не взаимодействуете напрямую с полем Хиггса, она получает нулевую массу, а если взаимодействует с полем Хиггса непосредственно – получает ненулевую массу, прямо пропорциональную силе этого взаимодействия. Такие частицы как электрон, верхний и нижний кварки взаимодействуют с бозоном Хиггса относительно слабо, поэтому их массы малы; тау-лептон, истинный и прелестный кварки сильно взаимодействуют с ним, и, следовательно, их массы относительно большие. (Нейтрино представляют собой особый случай, они имеют крошечные массы, но мы еще недостаточно хорошо понимаем, как они получили их. В этой книге мы будем мало говорить о нейтрино, сосредоточившись на той группе частиц Стандартной модели, про которые мы что-то понимаем.)

Если бы поле Хиггса было похоже на другие поля и принимало бы в пустом пространстве нулевое значение, сила его взаимодействия с частицами просто определялась бы вероятностью, с которой бозон Хиггса мог бы провзаимодействовать с этими частицами, пролетай они мимо него. Бозон Хиггса и электрон не очень заметили бы друг друга при встрече, а вот бозон Хиггса и истинный кварк рассеялись бы друг на друге довольно сильно. (Подобно тому как я могу пройти по улице незамеченным, а Анжелину Джоли поклонники будут останавливать на каждом шагу). Но так как среднее значение поля Хиггса не равно нулю, остальные частицы взаимодействуют с ним постоянно – и именно это постоянное и неизбежное взаимодействие частиц с фоновым полем придает им массу. Когда частица сильно взаимодействует с полем Хиггса, это похоже на то, как если бы всюду, куда она ни направлялась, за ней тащилась бы толпа фанатов-бозонов Хиггса, увеличивая многократно ее массу.

Формула для массы частицы довольно проста: это значение хиггсовского поля в пустом пространстве, умноженное на величину взаимодействия данной частицей с полем Хиггса. Почему некоторые частицы, например истинный кварк, сильно взаимодействуют с полем Хиггса, а другие, вроде электрона, относительно слабо? И как объяснить конкретные величины? Никто не знает. В данный момент на эти вопросы ответов нет. На сегодняшнем уровне понимания мы считаем эти взаимодействия константами природы, которые нужно просто пойти и измерить. Мы надеемся получить некоторые подсказки, изучая сам бозон Хиггса, и это является еще одной причиной того, почему проект БАК столь важен.

Мир без поля Хиггса

Несмотря на все эти оговорки, формула «поле Хиггса ответственно за массу», как физики иногда говорят, будет не совсем точной и даже в каком-то смысле неправильной. Вспомним, что мы не видим кварки напрямую – они заперты вместе с глюонами внутри адронов, например протонов и нейтронов. Масса протона или нейтрона намного больше, чем массы входящих в них отдельных кварков. И понятно почему – их масса в основном определяется энергией виртуальных частиц, удерживающих кварки вместе. Если бы поля Хиггса не было, кварки по-прежнему связывались бы вместе и образовывали бы адроны, и их масса при этом практически не изменилась бы. Это означает, что большая часть массы обычных предметов, скажем стола или человека, определяется совсем не полем Хиггса. Подавляющая часть массы таких предметов определяется массой их протонов и нейтронов, в свою очередь определяемой сильными взаимодействиями, а не полем Хиггса.

Однако это не означает, что поле Хиггса не имеет отношения к повседневной жизни. Представьте, что мы получили доступ к секретному контрольному пульту управления всеми законами физики и медленно поворачиваем ручку с надписью «ПОЛЕ ХИГГСА». Допустим, мы смогли уменьшить значение хиггсовского поля в пустом пространстве от 246 ГэВ до любого меньшего числа. (Заметим, таких секретных пультов у природы не существует.) Когда значение фонового поля Хиггса вокруг нас уменьшилось, уменьшились и массы кварков, заряженных лептонов и W-и Z-бозонов. Изменение в массах кварков и W– и Z-бозонов привело бы к крошечным изменениям в свойствах протонов и нейтронов, но ничего драматичного сразу бы не произошло. Изменение в массах мюона и тау-частицы вообще почти не повлияло бы на повседневную жизнь. Но любое изменение массы электрона повлекло бы за собой самые серьезные последствия.

В нашей привычной воображаемой схеме строения атома электроны вращаются вокруг ядра так же, как планеты вокруг Солнца или Луна – вокруг Земли. Но в нашем случае все это наглядное представление рассыпается, и мы должны уже учитывать квантовую механику всерьез. В отличие от планеты, вращающейся вокруг Солнца, типичный электрон не вращается по орбите на некотором случайном расстоянии, он на самом деле старается приблизиться к ядру по возможности поближе. (Если он все же находится дальше, он, как правило, будет стараться потерять энергию, испустив фотон, чтобы оказаться на более близкой орбите.) А то, насколько он приблизится к ядру, зависит от его массы. Тяжелые частицы могут втиснуться в малый объем пространства, в то время как более легким частицам всегда требуется больше места. Другими словами, размер атомов определяется фундаментальным природным параметром – массой электрона. Если его масса уменьшится, атомы станут намного больше.

И это очень важно. Увеличение размеров атомов не означало бы, что просто увеличился бы размер обычных объектов. Атомы разых веществ держатся вместе за счет химии, а она определяет способы, которыми они в различных комбинациях соединяются друг с другом, и держатся они вместе потому, что при этом обобществляются электроны (по крайней мере, при определенных условиях). И эти условия полностью изменятся, если размеры атомов будут другими. Если масса электрона изменится лишь немного, такие вещи, как «молекулы» и «химические реакции», еще сохранятся, но знакомые определенные правила, существовавшие в реальном мире, изменятся радикальным образом. Простые молекулы вроде воды (H2O) или метана (CH4) останутся почти прежними, но вот сложные молекулы, такие как молекула ДНК или белки, а соответственно и живые клетки, придут в состояние, не подлежащее ремонту. Короче говоря, даже небольшое изменение массы электрона приведет к тому, что вся жизнь на Земле мгновенно закончится.

А изменение массы электрона на большую величину приведет, соответственно, к более драматическим последствиям. Так как мы ручкой на пульте постепенно устремляем поле Хиггса к нулю, электроны становятся все легче и легче, а атомы – соответственно – больше и больше. В конце концов они достигли бы макроскопического, а затем и астрономического размера. После того как каждый атом стал бы таким же большим, как Солнечная система или галактика Млечный Путь, разговор о «молекуле» потерял бы всякий смысл. Вселенная стала бы просто набором отдельных суперогромных атомов, сталкивающихся друг с другом в космосе. Если масса электрона уменьшилась бы до нуля, то атомов вообще бы не стало – электроны не смогли бы удерживаться ядрами. И если бы это произошло внезапно, на наводящий вопрос журналиста Эйснера можно было бы ответить так: «Да, если резко выключить поле Хиггса, зернышко попкорна взорвется».

Есть и еще некоторое более тонкое свойство. Подумаем о трех заряженных лептонах: электроне, мюоне и тау-частице. Единственное различие между ними – величина масс. Если мы выключаем поле Хиггса, эти массы устремятся к нулю, и частицы станут одинаковыми. (Техническое отступление: поле сильных взаимодействий также может иметь ненулевое среднее значение, маскируя действие поля Хиггса, но это значение намного ниже, и мы здесь этот эффект не рассматриваем.) То же самое справедливо и для трех кварков с зарядом +2/3 (верхнего, очарованного и истинного) и для трех кварков с зарядом −1/3 (нижнего, странного, и прелестного). Если бы не было фонового поля Хиггса, в каждой группе частицы были бы идентичны. Это указывает на, пожалуй, самую важную, основную, роль хиггсовского поля: оно выбирает симметричную конфигурацию и разрушает ее симметрию.

Что такое симметрия

Когда мы произносим слово «симметрия», первое, что приходит на ум, это приятная для глаз регулярность. Исследования показали, что симметричные лица, то есть те, что выглядят одинаково слева и справа, как правило, кажутся нам более привлекательными. Но физики (и конечно, математики, у которых они учатся таким вещам) хотят докопаться до сути и понять, что именно делает что-то «симметричным» в самом общем смысле и как эти симметрии появляются в природе.

Простое определение симметрии как «соответствия левой и правой сторон» отражает более широкое определение: мы говорим, что объект обладает симметрией, если мы можем что-то сделать с ним, и после этой операции он не изменится. Если лицо симметрично, легко представить себе, что, отразив одну половинку лица относительно средней линии и приставив отраженную половинку к первой, получаем то же лицо. Но более простые объекты могут иметь и другие виды симметрии.

Возьмем простую геометрическую фигуру, например квадрат. Мы можем обе его половинки отражать относительно вертикальной оси, проведенной точно посередине, приставлять новые половинки к старым и получать в точности первоначальные фигуры – это одна симметрия. Мы можем то же самое проделать при отражении относительно горизонтальной оси, что свидетельствует еще об одной симметрии. (Этой симметрии нет у лица – даже самый красивый человек будет выглядеть странно, если поменять местами верхнюю и нижнюю половины его лица.) А еще мы можем отразить половину квадрата относительно диагонали, а также повернуть квадрат по часовой стрелке вокруг его центра на 90° или любой кратный угол. И при всех этих операциях получится прежний квадрат.

Круг, квадрат и загогулина. Круг имеет множество элементов симметрии, включая поворот на любой угол и отражение относительно любой оси. Симметрия квадрата ниже: он переходит сам в себя при поворотах на 90°, отражении относительно вертикальной и горизонтальной осей или комбинации этих операций. Загогулина вообще не имеет симметрии.

Круг, как и квадрат, выглядит очень симметричным, а на самом деле он еще более симметричный. Мы можем не только отразить его относительно любой оси, проходящей через центр, но и повернуть на любой заданный угол, и он всегда останется прежним кругом. Тут у нас гораздо больше свободы, чем было с квадратом. Произвольная кривая – загогулина – напротив, не имеет никакой симметрии вообще. При любой операции, которую мы с ней проделываем, ее вид меняется.

Симметрия – это способ сказать: «Мы можем изменить объект определенным образом, и ничего с ним существенного не произойдет». Повернем ли мы квадрат на 90° или отразим его относительно центральной оси, он превратится в тот же самый квадрат.

С этой точки зрения идея симметрии не выглядит чем-то полезным. Какое имеет значение, если мы повернули круг, кого это волнует? А волнует нас это по той причине, что симметрии достаточно высокого порядка накладывают очень сильные ограничения на то, что может случиться. Предположим, кто-то говорит вам: «Я нарисовал на листе бумаги фигуру с такой высокой симметрией, что вы можете повернуть рисунок на любой угол, и фигура будет выглядеть так же». И вы понимаете, что эта фигура должна быть кругом (или точкой, которая является вырожденным кругом с нулевым радиусом). Это единственная фигура с такой высокой симметрией. Аналогичным образом, когда речь идет о физике, мы часто можем понять, какой результат должен дать эксперимент, зная, какой должна быть основополагающая симметрия исследуемого процесса.

Классическим случаем проявления симметрии в физике является такой простой факт: не имеет значения, где мы проводим определенный эксперимент. Если он отражает основополагающие принципы, мы получим всегда один и тот же результат. Например, есть знаменитый эксперимент, в котором ученые (как правило, молодые, любящие выкладывать ролики на YouTube) кидают ментоловые пастилки в бутылку с диетической колой. Пористая структура ментоловых пастилок Mentos служит катализатором реакции высвобождения углекислого газа из соды, содержащейся в коле, что приводит к феерическому зрелищу – из бутылки начинает бить фонтан пены. Эффекта не будет, если взять любые другие ментоловые конфеты или другие содосодержащие напитки, но когда все ингредиенты выбраны правильно, эксперимент проходит с равным успехом и в Лос-Анджелесе, и в Буэнос-Айресе, и в Гонконге. Здесь нет симметрии природы по различным видам конфет или напитков, но есть симметрия по положению в пространстве. Физики называют это «трансляционной инвариантностью», – вот ведь никак не могут устоять перед соблазном дать сложное и отпугивающее название простой идее.

Когда рассматриваются частицы или поля, их симметрия говорит о том, что различные виды частиц способны меняться друг с другом или даже «превращаться друг в друга при поворотах». (Кавычки используются для того, чтобы показать, что мы здесь поворачиваем и превращаем друг в друга поля, а не направления в настоящем трехмерном пространстве, в котором мы живем.) Наиболее характерный пример – три вида цветных кварков, условно поименованные красными, зелеными и синими. Какой ярлык на каком кварке – совершенно не имеет значения: если перед вами три кварка, не важно, какой из них вы называете «красным», какой – «синим», а какой – «зеленым». Вы можете перевесить эти ярлычки, и все важные физические проявления останутся прежними – это симметрия в действии. Но если у вас имеется один кварк и один электрон, вам уже нельзя поменять их ярлычки. Кварк очень отличается от электрона – он имеет другую массу, другой заряд и ощущает сильное взаимодействие. Между ними нет симметрии.

Если бы не было поля Хиггса, наделяющего элементарные частицы массами, электроны, мюоны и тау-частицы были бы симметричными, поскольку эти частицы стали бы тогда идентичны во всех отношениях, так же, как симметричны мы с Анжелиной при пересечении пустой комнаты с одинаковой скоростью. При некотором взаимодействии мюон превратился бы в электрон, и все осталось бы в точности таким же. Мы могли бы даже (в соответствии с правилами квантовой механики) создать частицу, которая была бы наполовину электроном, а наполовину – мюоном, и опять бы ничего не изменилось. Или даже сделать некоторую комбинацию из трех частиц – некий аналог поворота круга на любой угол. Такая же симметрия есть у верхних, очарованных и истинных кварков, а также у тройки нижний-странный-прелестный кварки. Этим явлениям дано название – симметрия «ароматов», и даже несмотря на то, что поле Хиггса не позволяет наблюдать эту симметрию в природе в чистом виде, данное свойство широко используется физиками в теории элементарных частиц при анализе различных базовых процессов.

Но есть и другая симметрия, более глубокая и тонкая, чем симметрия ароматов. На первый взгляд полностью скрытая, она, как выяснилась, имеет абсолютно решающее значение. Это та симметрия, что лежит в основе слабых взаимодействий.

Поля связи и силы

Реальная важность симметрий, то есть причина, по которой физики не могут перестать говорить и думать о них, состоит в том, что симметрии достаточно высокого порядка порождают силы природы. Это одно из самых удивительных прозрений физики XX века, и оно достаточно трудно для понимания. Стоит поглубже покопаться в этом, чтобы хоть немного понять, как симметрии и силы связаны между собой.

Подобно довольно тривиальной, бытовой симметрии, которая говорит, что «не имеет значения, где вы делаете свой эксперимент», есть еще одна, из которой следует, что «ничего не изменится, если вы повернете свой эксперимент». Поставьте бутылку с легкой колой, опустите в нее ментоловые пастилки и наблюдайте за извержением пены, а затем поверните все это на 90° (скажем, этикетка бутылки смотрела на север, а теперь будет смотреть на восток) и проделайте опыт снова. Вы увидите, что результат будет тем же (в пределах экспериментальной ошибки). Эта симметрия, по понятным соображениям, называется «инвариантностью относительно вращений».

На самом деле можно пойти еще дальше. Скажем, я делаю свой эксперимент на парковке возле моего офиса, а моя подруга совершенно независимо от меня делает такой же эксперимент в нескольких метрах от меня. Мы оба можем свои бутылки развернуть на какой-то угол и, естественно, получится тот же результат. Но больше того, я могу повернуть свою бутылку, а она может оставить свою в прежнем состояний, или мы оба можем повернуть свои бутылки на разные углы. Другими словами, симметрия сохраняется не только при повороте на один угол всего сразу (не имеет значения, мы смотрим на север или в каком-либо другом направлении), но и при разных поворотах в каждой точке (результаты не зависят от того, как любой из нас в отдельности ориентирован).

Вообще-то существует намного больше симметрий. Профессиональное название для этого вида мегасимметрии – «калибровочная инвариантность». Название было дано немецким математиком Германом Вейлем, который сравнил выбор того, как измерять объекты в разных точках, с выбором калибра (ширины колеи) железнодорожных путей. Их также называют «локальными» симметриями, так как преобразование симметрии делается независимо в каждой точке. «Глобальная» симметрия, напротив, основана на преобразовании, которое должно быть выполнено одинаковым образом одновременно во всех точках.

Поскольку в каждой точке мы ориентируем свое оборудование по-разному, важно суметь как-то сравнивать выбранные нами ориентации. Представьте себе геодезистов, размечающих местность для фундамента под новый дом. Допустим, они начинают с одного угла и фиксируют направление, в котором будет ориентирован дом. Но поскольку дом должен иметь форму прямоугольника, они хотят, чтобы ориентация остальных углов была привязана к ориентации первого угла – иначе выкладывать кирпичи на четырех углах нельзя. В реальном мире это обычно сделать не трудно – мы просто проводим между вершинами углов прямые линии с помощью натянутой веревки или теодолита.

Представьте себе теперь, что земля, на которой мы строим дом, не совсем ровная, с ухабами, но из эстетических соображений клиент хочет, чтобы мы не срезали ухабы с помощью бульдозеров и не выравнивали площадку, а строили прямо на буграх. В этом случае наша задача усложняется, и когда мы будем выравнивать направления в углах дома, нам придется принимать во внимание неровности земли.

Но тут есть тонкий момент: для того чтобы теперь сопоставить наши представления об «одинаковых направлениях» в разных точках пространства, нужно, чтобы пространство между этими точками было заполнено полем, причем таким, которое буквально подсказало бы нам, как связать точки друг с другом; в технической литературе это называется «связью». В нашем архитектурном примере соответствующее поле – высота поверхности земли в каждой точке. Это поле – не то фундаментальное поле, из колебаний которого рождаются частицы, но оно – набор чисел, каждое из которых соответствует определенной точке на земле, и в этом смысле это настоящее поле. (Топографическая карта – это изображение «поля высот».) Информация об этом поле позволяет нам понять, что происходит в разных точках пространства.

Всякий раз, когда у нас есть симметрия, позволяющая совершать независимые преобразования в разных точках (калибровочная симметрия), автоматически появляется и связывающее (калибровочное) поле, которое позволяет сравнить то, что происходит в разных местах. Иногда поле не несет никакой информации и даже может быть незаметным, например поле высот поверхности на идеально ровной площадке. Но когда связывающее поле изгибается и поворачивается при переходе от места к месту, это приводит к важным последствиям.

Происхождение сил природы: локальная симметрия порождает связывающее поле, которое порождает силы.

Если земля плоская, вы просто не сдвинетесь с места, а если высота изменяется от точки к точке, можно, например, с горы прокатиться на лыжах (или на скейтборде, в зависимости от условий). В соответствии с идеологией современной физики это и есть магическая формула, заставляющая мир шевелиться: симметрии приводят к появлению калибровочных полей, а изгибание и кручение калибровочных полей приводят к появлению сил природы.

Четыре силы природы – гравитация, электромагнетизм, сильные и слабые взаимодействия – все порождены симметриями. (Бозон Хиггса тоже является переносчиком взаимодействия, но наделяет частицы массой не он, а фоновое поле Хиггса. И оно не связано ни с какой симметрией.) Соответствующие бозонные поля, переносчиками взаимодействий которых являются гравитоны, фотоны, глюоны и W– и Z-бозоны, – калибровочные поля, которые соотносят друг с другом эти преобразования симметрии в разных точках пространства. А частицы часто называют «калибровочными бозонами», чтобы подчеркнуть их происхождение.

Калибровочные поля определяют крутизну невидимых «лыжных склонов» в каждой точке пространства, что приводит к возникновению сил, толкающих частицы в разных направлениях в зависимости от того, как они взаимодействуют. Есть гравитационный лыжный склон, который толкает все частицы в одном направлении, есть электромагнитный склон, который толкает положительно заряженные частицы в одну сторону, а отрицательно заряженные частицы – в противоположную, есть склон сильного взаимодействия, который ощущается только кварками и глюонами, и склон слабого взаимодействия, кривизну которого чувствуют все фермионы Стандартной модели, и, кроме того, есть сам бозон Хиггса.

Что касается гравитонов, то о симметриях, отвечающих за гравитационное взаимодействие, мы уже говорили: это – трансляционная симметрия (при изменении положения) и вращательная симметрия (при изменении ориентации) – но не в простом трехмерном пространстве, а в четырехмерном пространстве-времени. Для сильных взаимодействий симметрия соотносит друг с другом цвета – красный, зеленый, синий – различных кварков. Не имеет значения, как мы описываем определенный кварк: как красный, зеленый, синий или как любую их комбинацию, так что здесь налицо симметрия.

Вы могли бы заметить, что частицы с электрическим зарядом всегда обладают парой: если одна из них обладает положительным зарядом, то ее напарница – отрицательным. Это происходит из-за того, что для получения заряженной частицы вам нужно два поля, которые при калибровочной симметрии электромагнетизма могут превращаться друг в друга. Одиночное поле само по себе не может быть электрически заряженным, так как тогда симметрии не на что будет влиять.

Остаются W– и Z-бозоны слабых взаимодействий. Они также являются носителями калибровочных полей, появившихся вследствие определенной базовой симметрии природы. Но на самом деле эта симметрия замаскирована полем Хиггса, поэтому нам придется немного поработать, чтобы ее найти.

Проблема с симметриями

Симметрия, лежащая в основе слабых взаимодействий, была обнаружена косвенным способом. Еще в 1950-х годах, когда никто даже и не думал про кварки, физики заметили, что нейтроны и протоны в некоторых отношениях очень похожи. Нейтрон чуть-чуть тяжелее, но, если тщательно учесть все факторы, мы увидим, что его масса близка к массе протона. Конечно, протон имеет электрический заряд, а нейтрон – нет, но электромагнитное взаимодействие не так сильно, как сильное ядерное взаимодействие, и с точки зрения сильного взаимодействия обе частицы кажутся неразличимыми. Если бы мы интересовались конкретно сильными взаимодействиями, нам бы очень помогло представление о нейтроне и протоне как о двух разных версиях единой частицы – «нуклона». Конечно, это не совершенная симметрия, а в лучшем случае приближенная – заряды и массы действительно разные, но даже из такой симметрии можно выжать много полезных следствий.

В 1954 году Чжэньнин Янг и Роберт Миллс предположили, что эта симметрия должна быть «повышена в звании» до локальной симметрии, то есть что мы должны иметь возможность «превращать путем поворота[6]» нейтроны и протоны друг в друга в каждой точке пространства. Они понимали, что из этого вытекало существование калибровочного поля и соответствующей силы природы. Сразу в это не поверили: эта идея – что можно сделать калибровочную (локальную) симметрию из чего-то, что в начале было только приблизительной симметрией, – казалась сумасшедшей. Но так часто бывает: по мере того как мы больше понимаем об устройстве нашего мира, сумасшедшие идеи переводятся в разряд блестящих.

Однако осталась большая проблема. Поначалу лишь две теории, основанные на локальных симметриях, были вполне успешными: гравитация и электромагнетизм. Заметьте, что обе соответствующие силы – дальнодействующие и бозоны – переносчики этих сил – имеют нулевую массу. Ни один из этих фактов не является случайным. Оказалось, что локальная симметрия требует, чтобы соответствующие бозоны имели нулевую массу: когда у вас есть безмассовый бозон, сила, которую он переносит, ощущается на очень больших расстояниях. Воздействие массивного бозона иссякает быстро, поскольку энергия тратится на то, чтобы сделать его массивным, зато воздействие со стороны безмассовой частицы может распространяться бесконечно далеко.

У безмассовых частиц есть характерная черта – их легко создать. Особенно если мы говорим о поле, которое охотно взаимодействует с нейтронами и протонами, и пытаемся понять, что происходит внутри атомного ядра, где силы, несомненно, очень велики. В 1954 году казалось очевидным, что внутри ядра нет никаких других играющих важную роль безмассовых частиц. Но Янг и Миллс продолжили свои исследования.

Отстоять свою позицию им было нелегко. В феврале того же года Янг рассказывал о своей новой работе на семинаре в Институте перспективных исследований в Принстоне. В аудитории среди других светил присутствовал известный своей едкостью физик Вольфганг Паули. Паули прекрасно знал, что теория Янга-Миллса предсказала новый безмассовый бозон, отчасти потому, что сам Паули анализировал очень похожую модель, но результаты так и не опубликовал. И не он один – другие физики, в том числе Вернер Гейзенберг, высказывали похожие идеи еще до того, как Янг и Миллс создали свою теорию.

На научных семинарах нередко кто-то из слушателей бывает не согласен с докладчиком. Обычно в этом случае задают вопрос или заявляют о своих сомнениях, после чего дают возможность докладчику продолжить свое выступление. Но такая деликатность была не свойственна Паули, и он на том семинаре в Принстоне неоднократно прерывал Янга, требуя дать ответ на вопрос: «Какова же масса этих бозонов?»

Янг, родившийся в Китае в 1922 году и переехавший в США, чтобы учиться у Энрико Ферми, в 1957 году совместно с Т. Д. Ли получил Нобелевскую премию за работу по нарушению четности (лево-правой симметрии). Но в 1954 году, когда он делал этот доклад, он был еще сравнительно молод и не столь знаменит. Под натиском Паули Янг растерялся и в конце концов в середине доклада просто замолчал и сел на место. Роберт Оппенгеймер, который председательствовал на заседании, упрашивал его продолжить доклад, а Паули молчал. На следующий день Паули послал Янгу невинную записку: «Я сожалею, что Вы практически лишили меня возможности поговорить с Вами после семинара. Самые добрые пожелания. С уважением, В. Паули».

Паули не зря сомневался в существовании предсказанных Янгом и Миллсом невидимых безмассовых частиц, но и Янг не ошибся, отстаивая их существование, хотя тут возникало явное противоречие. В своей работе Янг и Миллс признали наличие проблемы, но выразили неясную надежду на то, что массу этим бозонам могли бы придать квантово-механические воздействия виртуальных частиц.

И они оказались почти правы! Сегодня мы знаем, что оба взаимодействия – сильное и слабое – описываются теорией, которую мы называем теорией Янга-Миллса. И обе эти силы используют очень разные, но одинаково хитрые способы, чтобы спрятать свои безмассовые частицы. В сильных взаимодействиях глюоны безмассовы, но они заперты внутри адронов, так что мы просто никогда не видим их. В слабых взаимодействиях W– и Z-бозоны остались бы безмассовыми, если бы не вмешательство всепроникающего поля Хиггса. Поле Хиггса нарушает симметрию, из которой появляются эти бозоны, и как только эта симметрия нарушается, нет никаких причин им оставаться безмассовыми. Чтобы понять все это, нужно немало поработать.

Нарушение симметрии

Чтобы понять, как симметрия может быть «нарушена», возвратимся из мира абстракций в нашу повседневную жизнь. Мы уже упоминали пару простых примеров симметрии вокруг нас: не имеет значения, где вы находитесь, и не имеет значения, в каком направлении вы ориентированы. В законах физики кроме этих есть еще одна симметрия, но ее труднее заметить: не имеет значения, с какой скоростью вы едете. Эта симметрия впервые была замечена не кем иным, как самим Галилеем.

Представьте себе, что вы находитесь в поезде, несущемся через поля и леса. Будем считать, что это не старомодный поезд на колесах, а суперсовременный – парящий над рельсами с помощью магнитной левитации. Если в поезде достаточно тихо и он движется без рывков, невозможно определить, не глядя в окно, с какой скоростью вы движетесь. А если, не обращая внимания на окружающих, проводить в поезде физические эксперименты, обнаружится, что скорость, с которой мы движемся, не имеет никакого значения. Поезд может стоять совершенно неподвижно или мчаться со скоростью 160 км/ч, результат вспенивания ментоловых пастилок при опускании в диетическую кока-колу будет в точности тем же самым.

В нашей повседневной жизни мы не замечаем этого замечательного факта по одной простой причине: мы можем выглянуть в окно или просто высунуть на улицу руку, и мгновенно становится ясно, что мы быстро движемся. Таким же образом мы даже можем измерить (или по крайней мере оценить) нашу скорость относительно земли или воздуха.

Это пример нарушения симметрии. Законы физики не зависят от того, как быстро вы двигаетесь, но поверхность земли и воздух определенно это чувствуют, и из-за них появляется выделенная скорость, а именно – нулевая, то есть та, при которой вы «покоитесь относительно поверхности земли». Это тот случай, когда фундаментальные правила игры обладают симметрией, но наша окружающая среда их не уважает и нарушает, и тогда мы говорим, что симметрия нарушена окружающей средой. Точно так же поступает со слабыми взаимодействиями поле Хиггса. Основополагающие законы физики подчиняются определенной симметрии, а поле Хиггса ломает ее.

Нарушение симметрии, о котором мы до сих пор говорили, часто называют «спонтанным» нарушением симметрии. Это способ сказать, что симметрия на самом деле действительно есть, и ее можно разглядеть в основных уравнениях, описывающих устройство мира, но из-за некоторых особенностей нашей среды появляется выделенное направление. То, что вы можете высунуть руку из окна поезда и измерить вашу скорость относительно воздуха, не меняет того факта, что законы физики инвариантны относительно скорости. На самом деле иногда из осторожности говорят о «скрытой» симметрии, а не о «спонтанно нарушенной». Подробнее об этом понятии спонтанности будет сказано в одиннадцатой главе.

Симметрии слабых взаимодействий

Оказалось, что идея Янга и Миллса по поводу симметричности нейтронов и протонов была в основном правильной. Теперь мы, конечно, уже знакомы с кварками, так что симметрию между верхними и нижними кварками можно предположить по аналогии. И в этом случае возникают похожие проблемы, ведь верхние и нижние кварки имеют различные массы и различные электрические заряды. Если бы эти различия можно было объяснить существованием хиггсовского поля, мы оказались бы правы. И как выяснилось, это действительно можно сделать.

Вот тут все становится настолько запутанным, что более подробное описание этих идей вынесено в Приложение 1. (Эти теории и не должны быть простыми. Мы рассказываем о серии открытий, за которые присуждено несколько Нобелевских премий!) Основные сложности заключаются в том, что элементарные фермионы обладают определенным свойством, называющимся «спин». Безмассовые частицы, которые всегда движутся со скоростью света, могут вращаться в одном из двух направлений: по часовой стрелке или против (если считать, что они летят на нас), то есть быть либо правшами, либо левшами. Секрет слабых взаимодействий состоит в том, что существует симметрия в отношении всех частиц-левшей и связанная с ней сила, но нет соответствующей симметрии для частиц-правшей. Слабые взаимодействия нарушают четность – они по-разному относятся к левшам и правшам. Можно составить представление о четности, вообразив, что вы смотрите на мир, отраженный в зеркале, где право и лево переставлены местами. Большая часть взаимодействий (сильные, гравитационные, электромагнитные) проявляют себя одинаково, смотрите ли вы на них непосредственно или через зеркало, но слабые взаимодействия воздействуют на правшей и левшей по-разному.

Симметрия слабых взаимодействий разбивает левые частицы на следующие пары:

верхний кварк ↔ нижний кварк

очарованный кварк ↔ странный кварк

истинный кварк ↔ прелестный кварк

электрон ↔ электронное нейтрино

мюон ↔ мюонное нейтрино

тау-частица ↔ тау-нейтрино.

Частицы, которые мы объединили здесь в пары, на первый взгляд кажутся очень разными, у них разные массы и заряды. Это все потому, что поле Хиггса, прячущееся в засаде, нарушает симметрию между ними. Если бы не было этого маскарада, частицы в каждой паре были бы совершенно неразличимы, так же как красные, зеленые и синие кварки, которые мы сейчас считаем тремя различными версиями одного и того же кварка.

Само поле Хиггса поворачивается под влиянием симметрии слабых взаимодействий. И именно поэтому когда оно принимает ненулевое значение в пустом пространстве, оно задает выделенное направление, так же как воздух задает скорость, относительно которой мы измеряем свою скорость при путешествии в поезде. Вернемся к нашему примеру с маятником. Самое низкое (устойчивое) энергетическое состояние обычного маятника совершенно симметрично, когда он направлен вниз. Перевернутый маятник, подобно полю Хиггса, нарушает симметрию, когда переходит в устойчивое состояние, то есть падает влево или вправо.

Если вы безнадежно заблудились в лесу ночью, все направления кажутся вам одинаковыми. Вы можете как угодно поворачиваться вокруг оси, стоя на месте, но толку! Прямо скажем, вы оказались в весьма тяжелой ситуации. Однако если у вас есть компас и вы помните, что собирались идти на север, направление, заданное компасом, нарушит симметрию. Теперь у вас появилось правильное направление движения, а остальные направления стали неправильными. Точно так же без хиггсовского поля электрон и электронное нейтрино (к примеру) были бы тождественными частицами. Их можно превращать друг в друга, и в результате в комбинации они станут неразличимыми. Но поле Хиггса, подобно компасу, ломает симметрию и задает выделенное направление. И тогда появляется одна конкретная комбинация полей, взаимодействующая сильнее с полем Хиггса, – ее мы называем «электроном» – и другая, которая не взаимодействует, и ее мы называем «электронным нейтрино». Такое различие между ними имеет смысл только благодаря полю Хиггса, заполняющему все пространство.

Если бы не нарушение симметрии, фактически имелось бы четыре бозона Хиггса, а не один – имелось бы две пары частиц, которые превращались бы друг в друга благодаря симметрии слабого взаимодействия. Но когда поле Хиггса заполняет пространство, три из этих частиц «съедаются» тремя калибровочными бозонами слабых взаимодействий, которые таким образом превращаются из безмассовых носителей взаимодействий в массивные W– и Z-бозоны. Да, да, именно так физики и формулируют это: бозоны слабого взаимодействия прибавляют в весе, поедая лишние бозоны Хиггса. Вспомним, что мы – то, что мы едим.

Возвращение к большому взрыву

Аналогия между полем Хиггса и перевернутым маятником на самом деле довольно удачная. Как по отношению к полю Хиггса, так и по отношению к маятнику основные законы физики совершенно симметричны, в них нет дискриминации ни левого, ни правого. Но у маятника есть только две устойчивые конфигурации – в положении лежа, слева или справа от точки крепления. Если бы мы попытались сбалансировать его очень тщательно в симметричной конфигурации, когда его конец направлен прямо вверх, все равно, любой незаметный толчок тотчас заставил бы его упасть влево или вправо.

Поле Хиггса ведет себя таким же образом. Оно может принять нулевое значение в пустом пространстве, но это будет нестабильной конфигурацией. Чтобы поднять маятник, неподвижно лежащий слева или справа от точки крепления, в вертикальное положение, мы должны затратить некоторую энергию. То же самое применимо и к полю Хиггса. Для выведения его из устойчивого ненулевого значения в каждой точке пространства в нулевое потребуется нечеловеческое количество энергии – гораздо больше, чем полная энергия теперешней наблюдаемой Вселенной.

Но Вселенная когда-то была гораздо более плотной, ее полная энергия была сконцентрирована в гораздо меньшем объеме. Во времена Большого взрыва – 13,7 миллиардов лет назад – вещество и излучение были невероятно сжаты и температура намного выше. Оставаясь в маятниковой аналогии, представьте себе, что перевернутый маятник закреплен на столе, а не прикручен болтами к полу. «Высокая температура» означает много быстрых случайных движений частиц – в нашей аналогии это похоже на то, что кто-то начинает руками трясти стол. Если трясти достаточно энергично, то в какой-то момент маятник получит такой сильный толчок, что он перекинется слева направо (или наоборот). А если трясти уже по-настоящему, как следует, маятник будет как сумасшедший все время болтаться между двумя положениями. Он проведет в среднем столько же времени в левой позиции, сколько и в правой. Другими словами, при высоких температурах перевернутый маятник снова становится симметричным.

То же самое происходит с полем Хиггса. В очень ранней Вселенной температура была невероятно высокой, и поле Хиггса постоянно болталось. В результате его значение в любой точке пространства скачкообразно перестраивалось и в среднем равнялось нулю. В ранней Вселенной существовала симметрия, W– и Z-бозоны были безмассовыми, как и фермионы Стандартной модели. Момент времени, когда поле Хиггса перешло из нулевого среднего значения в некоторое ненулевое, назвали «электрослабым фазовым переходом». Это было похоже на фазовый переход воды в лед при замораживании, правда, в ранней Вселенной никого вокруг не было и никто не мог наблюдать за этим переходом.

Сейчас мы говорим об очень раннем периоде в истории Вселенной – длительностью примерно одну триллионную секунды после Большого взрыва. Если бы вы попытались повторить эти условия у себя дома, поле Хиггса перескочило бы с нулевого в свое обычное ненулевое значение так быстро, что вы бы ни за что не заметили, что оно вообще было нулевым. Но физики могут с помощью уравнений проследить длинную последовательность событий, произошедших в ту первую триллионную долю секунды. И хотя на данный момент у нас нет никаких прямых экспериментальных данных для проверки этих теорий, мы работаем над тем, чтобы сформулировать такие предположения, которые когда-нибудь с помощью наблюдений можно будет подтвердить или опровергнуть.

Теория сложная, но успешная

История о том, что в ненулевых полях в пустом пространстве природа по-разному обходится с левшами и правшами и что одни бозоны прибавляют в весе, поедая другие, может показаться немного надуманной. Этот пазл собирался постепенно, в течение многих лет, и всегда сопровождался хором скептических голосов. Но… факты подтверждают эти теории!

Когда теория слабых взаимодействий была, наконец, сформулирована независимо Стивеном Вайнбергом и Абдусом Саламом, их работы, опубликованные в конце 1960-х годов, почти никто не воспринял серьезно. Уж слишком сложно, введено слишком много полей, выполняющих слишком много странных функций. К тому времени ученые уже поняли, что какие-то переносчики слабого взаимодействия, подобные W-бозонам, обязательно должны существовать в природе. Но Вайнберг и Салам предсказали новую частицу – нейтральный Z-бозон, по поводу которого не было никаких экспериментальных свидетельств. Позже, в 1973 году на детекторе ЦЕРНа с причудливым названием «Гаргамель» нашли свидетельства взаимодействия, в котором участвовал некий бозон, названный позже Z-бозоном. (Сам он, этот Z-бозон, был обнаружен только десять лет спустя, и тоже в ЦЕРНе.) С тех пор каждый эксперимент добавляет данных, и все они подтверждают правильность основных представлений о симметрии слабого взаимодействия, нарушенной полем Хиггса.

В 2012 году ученые, кажется, разгадали тайну поля Хиггса. Но это не конец истории, а только ее начало. Нет сомнений, что теория Хиггса согласуется с наблюдениями, но во многом она кажется довольно натянутой. Все частицы, которые мы когда-либо находили, были либо фермионами – «частицами вещества», либо бозонами, произошедшими из калибровочных полей, связанных с симметрией. Все, кроме бозона Хиггса, который, похоже, имеет другое происхождение. Так что делает его таким особенным? Почему только некоторые симметрии нарушаются и почему именно таким образом? А вдруг есть более глубокая теория и она объяснит все лучше? Теперь мы можем получать экспериментальные данные, а не просто создавать математические модели, и есть основания надеяться, что эксперименты окажут на ученых гораздо более вдохновляющее воздействие, чем просто мозговой штурм, и тогда появятся более совершенные теории.

Глава 9 Бурные аплодисменты

Как найти бозон Хиггса, и почему мы решили, что он найден.

После долгих лет ожидания физики все-таки нашли бозон Хиггса, причем даже раньше, чем надеялись.

Вообще-то ожидание длилось уже более четырех десятилетий – с тех пор как физическая общественность стала считать механизм Хиггса основным механизмом, объясняющим слабые взаимодействия. Но после того, как в декабре 2011 года БАК заработал, ожидание переросло в нетерпение.

В начале декабря в ЦЕРНе было вывешено довольно неприметное объявление о назначенном на 13 декабря семинаре с повесткой «Новости ЦЕРНа по поискам бозона Хиггса на детекторах ATLAS и CMS». На самом деле новости поступали все время, так что само по себе это объявление не могло возбудить уж такой особый интерес. Но в ЦЕРНе пошли слухи, что это будет не обычный, похожий на прежние, семинар, а учитывая то, что каждая из двух коллабораций – команда, в которой работает более 3000 физиков, слухи эти распространились очень быстро. К тому же 1 декабря британская газета The Telegraph опубликовала статью научного корреспондента Ника Коллинза под заголовком «Поиск частицы Бога почти закончен, ЦЕРН готовится объявить результаты». Сама статья была не так сенсационна, как ее заголовок, но, очевидно, она подогрела ожидания. На физическом сайте viXra.org анонимный комментатор под ником Alex коротко изложил существо проблемы: «Сегодняшний слух: масса бозона Хиггса равна 125 ГэВ в пределах 2–3 сигма», после чего другие блогеры тут же принялись обсуждать теоретические следствия этого события.

«Alex», конечно, мог быть кем угодно – от озорного подростка из Мумбаи, который любит поддразнивать ученых, вплоть до самого Питера Хиггса. Но и в некоторых других блогах и статьях в Интернете обсуждались похожие темы: на семинаре будут сообщены не обычные новости, а что-то очень важное о бозоне Хиггса… Может, даже будет сделано долгожданное объявление о его открытии.

CMS и ATLAS – две большие экспериментальные коллаборации. Они являются миниатюрными республиками, в которых граждане избирают лидеров – своих представителей. Самый главный представитель называется просто – «спикер». Дабы коллаборация выступала с единой позиции, подготовка и оглашение новых результатов жестко контролируются. Не только официальные публикации, но даже устные доклады членов коллаборации проверяются, а самые важные доклады делают сами спикеры. В декабре 2011 года оба спикера были уроженцами Италии: Фабиола Джанотти, сотрудница ЦЕРНа, возглавляла коллаборацию ATLAS, а Гвидо Тонелли из Университета Пизы – коллаборацию CMS.

Джанотти – заметная фигура в экспериментальной физике элементарных частиц, вошедшая в список 100 самых успешных женщин-ученых в мире, составленный газетой The Guardian. Джанотти занялась физикой элементарных частиц сравнительно поздно – в колледже, а до этого в средней школе изучала латынь, греческий, историю и философию, и даже несколько лет проучилась в консерватории по классу фортепиано. Ее интерес к физике возбудила лекция одного профессора о фотоэффекте, точнее, о теории Эйнштейна, в которой утверждалось, что свет всегда распространяется в виде дискретных квантованных пакетов. В 2012 году она возглавляла крупнейший научный эксперимент по поискам важнейшей детали головоломки, заданной нам природой. На просьбу объяснить важность этого поиска Джанотти ответила, использовав высокий стиль: «Фундаментальная наука сродни искусству. И то, и другое связано с духовной сущностью и интеллектом мужчин и женщин как разумных существ».

У обоих докладчиков имелись интересные новости, но их требовалось сообщить самым осторожным образом. В полученных данных действительно обнаружились свидетельства возможных новых явлений, в частности ATLAS нашел намек на то, что масса бозона Хиггса лежит примерно в районе 125 ГэВ. Но в физике элементарных частиц «свидетельства» необычных явлений появляются и исчезают довольно часто. Однако сигнал на 125 ГэВ был похож на тот, который и ожидался от распадающегося бозона Хиггса, причем почти все остальные области масс были уже исключены. (Ведь если вы потеряли ключи и поискали их уже почти во всех возможных местах и не нашли, вас не удивит, если вы обнаружите свои ключи в последнем оставшемся месте.) Усилило доверие к этому результату и то, что и на другом детекторе, CMS, также увидели слабый сигнал примерно в той же области. Опять же, само по себе это не было чем-то особенным, но в совокупности с результатами ATLAS этих свидетельств было более чем достаточно, чтобы аудитория возбудилась.

Джанотти сделала все, чтобы удержать эмоции аудитории под контролем: «Еще слишком рано судить о том, свидетельствует ли этот сигнал о чем-то интересном или он всего лишь некие флуктуации фона». Позже она выразила ту же самую мысль в более доступной форме, процитировав поговорку: «Не делите шкуру неубитого медведя».

Однако данная шкура уже была поделена и продана, причем задолго до того, как медведь был на самом деле убит. С точки зрения статистики, декабрьские результаты, возможно, не представляли собой ничего сенсационного, но они прекрасно совпали с представлениями физиков о том, каким должен быть сигнал, если бозон Хиггса обладает массой примерно 125 ГэВ. Казалось, сбор на БАКе большего количества статистических данных для подтверждения результата – это просто вопрос времени. И его потребовалось даже меньше, чем можно было ожидать.

Частицы на входе

Давайте отступим на шаг назад и подумаем о том, что нужно, чтобы обнаружить бозон Хиггса или же найти неопровержимые свидетельства его существования. Резко упростим ситуацию, сведя все к трехступенчатой процедуре:

1. Создать хиггсовские бозоны.

2. Зарегистрировать частицы, на которые они распадаются.

3. Убедить себя в том, что частицы действительно произошли от распада бозона Хиггса, а не от каких-то еще распадов.

Начнем изучать каждый этап по очереди.

Нам известен основной рецепт приготовления хиггсовских бозонов: ускорить в БАКе протоны до высоких энергий, столкнуть их друг с другом в одном из детекторов и надеяться, что родится бозон Хиггса. Конечно, тут есть много тонкостей. Мы можем надеяться на рождение бозона Хиггса, если достигнем очень высоких энергий, так как из уравнения E = mc² следует, что в этом случае у нас появляется шанс создать частицы с большой массой. Но «думать, что есть шанс», отличается от «знать, что это произойдет». В каких именно процессах можно ожидать рождения бозона Хиггса?

Наш первый ответ: «При столкновениях протонов друг с другом». Но если немного поразмышлять, мы вспомним, что протон состоит из трех кварков и глюонов, не говоря уже о виртуальных антикварках. То есть некоторые комбинации кварков и глюонов сталкиваются друг с другом, чтобы образовать бозон Хиггса. Теперь вспомним, что в главе 7 мы говорили о законах сохранения и утверждали, что свойства типа электрического заряда, числа кварков или числа лептонов остаются неизменными в любом известном процессе взаимодействия частиц. И поэтому не может быть, чтобы, например, два верхних кварка столкнулись и образовали бозон Хиггса. Бозон Хиггса имеет нулевой электрический заряд, а каждый кварк – заряд +2/3, так что баланс не сходится. Кроме того, для двух верхних кварков общее число участвующих в реакции кварков равно 2, в то время как в бозоне Хиггса нет кварков, так что и это не сходится. Если бы сталкивались кварк и антикварк, у нас появился бы шанс.

А как насчет глюонов? Короткий ответ – да, два глюона могут объединиться, чтобы родить бозон Хиггса, но есть и длинный ответ, посложнее. Вспомним, что миссия поля Хиггса (или во всяком случае одна из его миссий) состоит в том, чтобы дать массу другим частицам. Чем сильнее бозон Хиггса взаимодействует с частицей, тем большую массу она в конце концов приобретает. Верно и обратное: поле Хиггса очень охотно взаимодействует с тяжелыми частицами, менее охотно с легкими и совсем не взаимодействует (напрямую) с безмассовыми частицами, такими как фотоны и глюоны. Но с помощью волшебной силы квантовой теории поля оно может взаимодействовать не напрямую. Глюоны прямо не взаимодействуют с бозонами Хиггса, но они взаимодействуют с кварками, а кварки взаимодействуют с бозоном Хиггса. Таким образом два глюона могут столкнуться и родить бозон Хиггса, пройдя через промежуточную стадию образования кварков.

В физике элементарных частиц разработан очень подробный и тщательно апробированный формализм для описания взаимодействия частиц друг с другом – метод диаграмм Фейнмана. Ричард Фейнман – колоритная фигура, нобелевский лауреат – изобрел этот чрезвычайно полезный метод отслеживания трансформаций всех входящих и образования выходящих частиц. Эти рисунки словно коротенькие комиксы, герои которых – частицы, взаимодействующие и превращающиеся с течением времени в другие частицы. Обычно бозоны – переносчики взаимодействий – изображаются волнистыми линиями, фермионы – сплошными линиями, а бозон Хиггса – пунктирной линией. Начав с фиксированного набора фундаментальных взаимодействий, соединяя и сопоставляя соответствующие диаграммы, мы можем перебрать все различные способы, с помощью которых частицы образуются или преобразуются в другие частицы.

Например, два взаимодействующих глюона изобразим двумя входящими волнистыми линиями. Эти колебания глюонного поля возбуждают колебания поля кварков, которые могут рассматриваться как пара кварк-антикварк. Поскольку в каждом случае это один кварк и один антикварк, суммарный заряд и число участвующих кварков равно нулю, что согласуется с аналогичными характеристиками первоначальных глюонов. Эти кварки – виртуальные частицы – играют роль посредников, и они обречены на исчезновение прежде, чем появятся в детекторе частиц. Одна пара соответствующих друг другу кварка и антикварка встречается и уничтожает друг друга, а другая пара встречается и порождает бозон Хиггса. В этом процессе участвуют все виды кварков, но наибольший вклад вносят истинные кварки (самые тяжелые кварки), так как они взаимодействуют с бозоном Хиггса сильнее всего. Все это можно точно описать с помощью пары строчек страшных математических формул, а можно вместо этого изобразить на одной понятной диаграмме.

Фейнмановская диаграмма, описывающая слияние двух глюонов и образование бозона Хиггса через промежуточную стадию рождения виртуальных кварков.

Диаграммы Фейнмана дают нам забавный и наглядный способ отследить, что может произойти, когда частицы сойдутся для взаимодействий. Физики, однако, используют их для очень прагматичных целей расчета квантовой вероятности изображаемого взаимодействия. Каждая диаграмма соответствует значению вероятности, которое потом вычисляется с помощью ряда простых правил. На первый взгляд эти правила способны ввести в заблуждение, например движущаяся назад во времени частица считается античастицей, и наоборот. Когда две частицы встречаются, чтобы породить третью (или одна частица распадается на две), полная энергия и все другие сохраняющиеся величины должны быть сбалансированы. Но виртуальные частицы – те, что рождаются и исчезают внутри диаграммы, но не присутствуют в исходном наборе частиц или среди продуктов реакции, – не обязаны иметь ту же массу, которую закон сохранения накладывает на реальную частицу. Правильный способ прочтения приведенной мною диаграммы таков: два колебания глюонного поля складываются вместе и создают колебания кваркового поля, которые в конечном итоге приводят к колебаниям поля Хиггса. А на самом деле мы видим две встречающиеся частицы-глюона, при столкновении рождающие бозон Хиггса.

Первым человеком, понявшим, что «слияние глюонов» – возможный способ создания хиггсовских бозонов, был Фрэнк Вильчек. Этот американский теоретик в значительной степени сформировал наше представление о сильных взаимодействиях. Свою работу по сильным взаимодействиям он сделал, еще будучи аспирантом, в 1973 году, и именно за нее и получил Нобелевскую премию (совместно с двумя другими физиками). В 1977 году Вильчек работал в Принстонском университете, но летом решил побывать в лаборатории Ферми, в Фермилабе. Даже великим мыслителям приходится сталкиваться с житейскими проблемами, и как-то раз Вильчеку пришлось целый день ухаживать за больными – женой Бетси Дивайн и маленькой дочерью Эмити. Когда жена и дочь вечером наконец спокойно заснули, Вильчек отправился побродить по территории Фермилаба и подумать о физике. В то время основная структура Стандартной модели уже, как выразился Вильчек, «в значительной степени сложилась», но свойства бозона Хиггса еще оставались относительно мало исследованными. Со времен своей дипломной работы он испытывал большую нежность к глюонам и их взаимодействиям, и, гуляя, он вдруг понял, что глюоны предоставляют отличный способ получить хиггсовские бозоны (и что бозон Хиггса, в свою очередь, может распасться на глюоны). Сейчас, 35 лет спустя, выяснилось, что этот процесс является самым главным способом образования бозона Хиггса на БАКе. Во время той же прогулки у Вильчека появилась еще одна идея – идея «аксиона», гипотетического более легкого двоюродного брата Хиггса, из которого, как считается сегодня, скорее всего состоит темная материя Вселенной. Этот эпизод показывает, как иногда бывают важны для научного прогресса долгие, неспешные прогулки.

В Приложении 3 мы обсудим различные способы взаимодействия частиц в рамках Стандартной модели и соответствующие каждому способу диаграммы Фейнмана. Обсуждение будет не столь глубоким, чтобы по его окончании вы смогли защитить диссертацию по физике, но, надеюсь, достаточным, чтобы дать общее представление. Одно должно быть ясно: с этим придется повозиться. Легко сказать: «Мы сталкиваем протоны друг с другом и ждем, что появится бозон Хиггса», на самом деле здесь очень много работы – нужно сесть и сделать расчеты. Когда все сказано и сделано, мы понимаем, что есть несколько различных процессов, в которых на БАКе могут родиться хиггсовские бозоны: слияние двух глюонов (которое мы только что обсуждали); аналогичное слияние W+– и W−-бозонов или двух Z-бозонов, или кварка и антикварка; рождение W– или Z-бозона, которые выплевывают хиггсовский бозон, а затем продолжают двигаться дальше. Детали зависят от массы бозона Хиггса, а также от энергии исходных столкновений. Надо сказать, расчет подходящих процессов обеспечил физиков-теоретиков работой по-полной.

Частицы на выходе

Итак, вы получили бозон Хиггса! Примите поздравления. Теперь начинается самое интересное: как вы об этом узнаете?

Тяжелые частицы, как правило, стремятся развалиться, а бозон Хиггса по-настоящему очень тяжелый. По оценкам, время его жизни несколько меньше цептосекунды (10-21 секунды), а значит, до своего распада он пролетит меньше нескольких миллиардных долей сантиметра. Даже с очень совершенными детекторами, такими как ATLAS и CMS, невозможно увидеть такой трек. Вместо этого мы увидим то, на что бозон Хиггса распадается. Еще мы увидим много частиц, на которые распадаются другие частицы – не бозон Хиггса, и многие из них выглядят так же, как продукты распада бозона Хиггса. Проблема заключается в том, как выделить крошечный сигнал на фоне огромных шумов.

В качестве первого шага нужно выяснить, на что именно бозон Хиггса будет распадаться и как часто. В общем, бозон Хиггса больше взаимодействует с тяжелыми частицами, так что мы могли бы ожидать, что он часто распадается на истинный и прелестный кварки, W– и Z-бозоны, и тау-лептон и реже – на более легкие частицы, например на верхние и нижние кварки и электроны. И это в основном так и есть, хотя и здесь есть свои тонкости (наверное, вы и не думали, что их не будет).

Вероятность появления бозона Хиггса с массой 125 ГэВ, распадающегося на различные частицы. Из-за округления сумма всех вероятностей не равна в точности 100 %.

Во-первых, бозон Хиггса не может развалиться на что-то более тяжелое, чем он сам. Он, конечно, может временно превратиться в более тяжелые виртуальные частицы, которые сами быстро распадаются, но такие процессы становятся очень редкими, если виртуальные частицы намного тяжелее, чем исходный бозон Хиггса. Если масса бозона Хиггса была бы равна 400 ГэВ, он бы легко разваливался на истинный и антиистинный кварки, каждый с массой 172 ГэВ. Но для более правдоподобного значения массы бозона Хиггса – примерно 125 ГэВ – получить истинные кварки при его распаде невозможно, и скорее всего он будет распадаться на прелестные кварки. Это одна из причин того, почему более тяжелые версии бозона Хиггса (до 600 ГэВ) на самом деле было бы гораздо легче найти, даже если это потребовало бы для их создания большей энергии – вероятность распада на тяжелые частицы гораздо выше.

На рисунке показана круговая диаграмма, дающая приблизительное соотношение вероятностей различных механизмов распада бозона Хиггса с массой 125 ГэВ, рассчитанных по Стандартной модели. Бозон Хиггса будет большую часть времени распадаться на прелестный и антипрелестные кварки, но есть и ряд других важных каналов распада. Хотя при значении массы бозона Хиггса 125 ГэВ его трудно обнаружить, но как только мы это сделаем, появится огромное количество интересной физики – мы исследуем каждый механизм распада отдельно и сравним его вероятность с теоретическими предсказаниями. Любое отклонение будет намеком на то, что физика вышла за пределы Стандартной модели: например, появились какие-то новые частицы или необычные взаимодействия. Мы на самом деле даже уже увидели намеки на то, что такие отклонения наблюдались.

Однако мы пока еще не закончили. Обратимся опять к нашему обсуждению детекторов частиц, которое было проведено в главе 6, где мы рассмотрели, как разные слои детектора-луковицы помогают нам идентифицировать различные частицы – электроны, фотоны, мюоны и адроны. Теперь посмотрим опять на эту круговую диаграмму. Более 99 % времени бозон Хиггса распадается не на то, что мы непосредственно наблюдаем в нашем детекторе, а на нечто, которое в свою очередь тоже распадается (или преобразуется) уже на что-то другое, и это что-то мы в конечном итоге и регистрируем. Это делает жизнь сложнее – или иначе – интересней – все зависит от вашей точки зрения.

Около 70 % времени бозон Хиггса распадается на кварки (пары прелестный-антипрелестный или очарованный-антиочарованный) или глюоны. Это частицы, обладающие цветом и не гуляющие на воле по-одному. Когда они рождаются, начинают активизироваться сильные взаимодействия, и они заставляют кварки объединяться в облако, состоящее из кварков, антикварков и глюонов, которые фрагментируют в струи адронов. Именно эти струи мы в калориметрах и обнаруживаем. Проблема – причем очень большая проблема – в том, что такие струи производятся во всех видах процессов. При столкновении протонов друг с другом при высокой энергии эти струи возникают в огромном количестве, но только очень малая часть их общего количества рождается в результате распада хиггсовских бозонов. Экспериментаторы, конечно, делают все возможное, чтобы разобраться и соотнести данные по струям с модельными механизмами, но это не самый легкий способ найти бозон Хиггса. По оценкам физиков, в течение первого года работы БАКа было произведено более 100 000 бозонов Хиггса, но большинство из них распались на струи, которые потерялись в какофонии сильных взаимодействий.

Когда бозон Хиггса не распадается прямо на кварки или глюоны, он, как правило, распадается на W-бозоны, Z-бозоны, или пары тау-антитау лептонов. Все эти каналы полезно просмотреть, а детали зависят от того, на что сами эти массивные частицы распадаются. Когда рождаются тау-пары, они, как правило, распадаются на W-бозон соответствующего заряда плюс тау-нейтрино, поэтому анализ в чем-то похож на то, что происходит, когда бозон Хиггса напрямую распадается на W-бозоны. Часто при распадах W– или Z-бозонов будет рождаться кварки, фрагментирующие в струи, которые трудно выделить из фона, но в принципе возможно, и адронные распады экспериментаторами рассматриваются очень пристально. Но это не будет чистым результатом.

Часть времени, однако, W– и Z-бозоны могут распадаться на лептоны. W-бозон может распасться на заряженный лептон (электрон или мюон) и связанное с ним нейтрино, в то время как Z-бозон может распасться прямо на заряженный лептон и его античастицу. Если в процессе не возникают струи, сигналы получаются относительно чистыми, хотя это и случается довольно редко. Примерно 1 % времени бозон Хиггса распадается на два заряженных лептона и два нейтрино, и около 0,01 % – на четыре заряженных лептона. Когда W-бозон распадается с образованием нейтрино, из-за унесенной им энергии эти события трудно идентифицировать, но они все еще бывают полезными. В событиях распадов Z-бозонов на четыре заряженных лептона не возникает потерянной энергии, запутывающей ситуацию, поэтому это абсолютные самородки, но, к сожалению, они очень редки.

А иногда с помощью виртуальных заряженных частиц бозон Хиггса может распадаться на два фотона. Поскольку фотоны не имеют массы, они не рождаются непосредственно из бозона Хиггса, но из него может сначала родиться заряженная массивная частица, а уже потом та может превратиться в пару фотонов. Это происходят с вероятностью примерно 0,2 %, но именно в этих событиях мы получаем самый чистый сигнал из всех возможных для бозона Хиггса с массой около 125 ГэВ. Производительность коллайдера достаточно велика, чтобы получить нужное количество событий, а шумы достаточно малы, чтобы на их фоне можно было увидеть сигнал Хиггса. Большинство всех собранных в настоящий момент доказательств существования бозона Хиггса получено из двухфотонных распадов.

Четыре наиболее перспективных для наблюдений способа распада бозона Хиггса с массой 125 ГэВ. Итак, бозон Хиггса может распасться: 1) на 2 W-бозона, которые затем (иногда) распадаются на электроны или мюоны и соответствующие им нейтрино; 2) на два Z-бозона, которые потом (иногда) могут распасться на электроны или мюоны и их античастицы; 3) на пару тау-антитау, которая потом распадется на два нейтрино и другие фермионы; 4) на некоторую заряженную частицу, которая потом превратится в два фотона. Это все редкие процессы, но они относительно легко обнаруживаются в экспериментах.

Мы сделали краткий тур по различным возможным путям распада бозона Хиггса. Казалось бы, всего лишь поверхностный обзор, но, чтобы получить такие результаты, теоретики затратили огромные усилия, определяя свойства таинственной частицы. Эти исследования начались в 1975 году с опубликования классической работы сотрудников ЦЕРНа Джона Эллиса, Мари К. Гайар и Димитрия Нанопулоса. Они рассмотрели способы, которыми могут быть получены бозоны Хиггса, а также методы их обнаружения. С тех пор было написано множество работ на эту тему, в том числе даже настоящее «Руководство по охоте на бозон Хиггса» (The Higgs Hunter’s Guide) Джона Ганиона, Говарда Хабера, Гордона Кейна и Салли Доусон – книга заняла почетное место на книжных полках у целого поколения физиков, занимающихся элементарными частицами.

Когда все это начиналось, мы мало что знали про бозон Хиггса. Его масса была совершенно произвольным числом, и мы узнали ее только благодаря добросовестным усилиям экспериментаторов. В статье Эллиса, Гайар и Нанопулоса авторы склонялись к тому, что масса бозона равна 10 ГэВ или того меньше и подробно описывали эту область. Если это было бы так, мы давным-давно нашли бы бозон Хиггса, но Природа оказалась к нам не столь добра. Авторы не могли не поддаться искушению и закончили свою статью «извинениями и предостережениями»:

Приносим свои извинения экспериментаторам за то, что не имеем никакого понятия о величине массы бозона Хиггса… и кроме того, уверены, что знаем немного и о его взаимодействиях с другими частицами, разве что они, вероятно, все очень малы. По этим причинам мы не считаем разумным начинать большие эксперименты по поискам бозона Хиггса, но полагаем, что люди, ставящие эксперименты, в которых вероятно появление бозона Хиггса, должны знать, как он может выглядеть.

К счастью, проведение больших экспериментальных исследований было в конечном счете признано разумными, хотя для этого и потребовалось некоторое время. И теперь они окупаются.

Добиваемся достоверности

Поиск бозона Хиггса часто сравнивают с поисками иголки в стоге сена (или даже иголки в нескольких стогах сена). Дэвид Бриттон – физик из Глазго, который устанавливал грид-систему БАКа в Великобритании, придумал лучшую аналогию: «Это похоже на поиски нужной соломинки в стоге сена. Разница в том, что если вы ищете иголку в стоге сена, то когда и если вы ее найдете, вы узнаете иголку, поскольку она не похожа на сено… а единственный способ найти то, что нам нужно, – разобрать стог, выложить все соломинки в ряд, и если вдруг обнаружится, что какая-то из них имеет определенную длину, это и будет именно то, что мы ищем».

И действительно, есть большая проблема: любой отдельный распад бозона Хиггса, даже на «хорошие» частицы вроде двух фотонов или четырех лептонов, можно принять за другие процессы с тем же исходом, в которых бозон Хиггса никак не замешан (и чаще всего они и происходят). Вы не просто ищете событие данного конкретного типа, вы ищете некоторое увеличение количества событий определенного типа – стог сена, сложенный из соломинок разной длины, в котором вы ищете небольшой избыток соломинок одного определенного размера. Для этого не нужно скрупулезно изучать каждую соломинку – следует обратиться к статистике.

Чтобы лучше понять роль статистики в поисках бозона Хиггса, начнем с более простой задачи. У вас есть монетка, на одной стороне которых изображен орел, на другой – решка, и вы хотите проверить, действительно ли монетка «правильная» – при подбрасывании монеты орел и решка должны выпадать с вероятностью 50 на 50. Проверить справедливость этого утверждения, подбросив монету лишь два или три раза, нельзя – с таким небольшим числом испытаний вы не должны удивляться любому результату. Но чем больше раз вы будете подкидывать монету, тем точнее будет подтверждаться справедливость утверждения о равенстве исходов.

Таким образом, вы начинаете с «нулевой гипотезы», которая является своеобразным способом заявить о том, «какого результата вы ожидаете, если ничего экстраординарного не произойдет». Для монеты нулевая гипотеза состоит в том, что при каждом подкидывании вероятность выпадения орла и решки составляет 50 на 50. Для бозона Хиггса нулевая гипотеза состоит в том, что все результаты получены в процессах, где бозона Хиггса вообще нет. Тогда мы спросим, согласуются ли с нулевой гипотезой фактически полученные результаты – а именно, был ли реальный шанс получить такие же результаты при подкидывании «правильной» монетки, или – в ситуации с распадами частиц – если бы бозона Хиггса там не было.

Представьте себе, что мы будем подбрасывать монетку 100 раз. (По-хорошему, мы должны подбросить ее намного больше раз, но нам лень.) Если монетка совершенно нормальная, мы ожидаем получить 50 выпадений орла и 50 – решки или близкое к этому соотношение. Мы не удивились бы, если бы выпал, скажем, 52 раза орел и 48 – решка, но если бы мы получили 93 раза орла и только 7 раз решку, это было бы крайне подозрительно. Хотелось бы эти свои подозрения выразить в количественном виде или, другими словами, узнать, при каких именно отклонениях от предсказанного соотношения исходов 50 на 50 мы должны были бы сделать вывод о том, что у нас была «неправильная» монетка?

Быстрых и четких ответов на этот вопрос нет. Мы могли подбрасывать монетку миллиард раз, и каждый раз выпадал бы орел, и это, в принципе, возможно – просто нам очень, очень везло. Так же работает и наука. Мы не «доказываем» правильность результатов, как это можно сделать в математике или логике, а просто накапливаем все больше и больше свидетельств их правильности, увеличивая их достоверность. Если полученные данные уже существенно отличаются от тех, которые можно было бы ожидать в случае верности нулевой гипотезы, мы отвергаем ее и двигаемся дальше. Поскольку мы рассматриваем процессы, вероятностные по своей сути, и имеем дело только с конечным числом событий, неудивительно, что мы получаем некоторое отклонение от идеального результата. Типичное отклонение обозначается греческой буквой сигма (ст). Это позволит нам выразить в удобном виде, насколько велико отклонение реально наблюдаемых данных от идеального результата, то есть насколько оно больше, чем сигма. Если разница между наблюдаемым результатом измерения и теоретическим прогнозом в два раза больше типичного ожидаемого разброса, мы говорим, что получен результат «две сигмы».

Доверительные интервалы для 100 бросков монеты, когда математическое ожидание равно 50, а среднеквадратичное отклонение в сигмах равно 5. Длина интервала в одну сигму – от 45 до 55, а интервала в пять сигм – от 25 до 75.

Когда мы делаем измерения, разброс вокруг предсказанного исхода часто имеет форму колокола, что и изображено на рисунке вверху. Здесь мы изобразили вероятность получения различных результатов (в данном примере это количество выпадений орла, когда мы бросаем монетку 100 раз). Кривая достигает максимума при наиболее вероятном значении, которое в данном случае равно 50, но есть некоторый естественный разброс вокруг этого значения. Этот разброс – ширина колоколообразной кривой – и есть неопределенность в прогнозе, то есть ст. Для числа подбросов монеты, равного 100, она равна 5, и тогда мы говорим: «Мы ожидаем, что орел выпадет 50 раз плюс-минус 5».

Сигма хороша тем, что она может трансформироваться в вероятность того, какой реальный результат будет получен (даже несмотря на то, что точная формула очень сложна и, как правило, вы просто ищете число в справочнике). Если мы бросаем монетку 100 раз и от 45 до 55 раз выпадает орел, мы говорим, что результат находится «в интервале одной сигмы», что происходит в 68 % испытаний.

Другими словами, результаты, отличающиеся более чем на одну сигму, мы получаем примерно в 32 % испытаний, что немало, так что в результате, отличающемся на одну сигму, нет ничего, что могло бы насторожить. Вы бы не стали подозревать, что монетка «неправильная», только потому, что в 100 подкидываниях 55 раз выпал орел и 45 решка.

Большие сигмы соответствуют все менее вероятным результатам (при условии, что верна нулевая гипотеза). Если у вас из 100 раз орел выпал 60, это отклонение в две ст, и такое происходит только примерно в 5 % испытаний. Этот результат кажется маловероятным, но не совсем неправдоподобным. Его недостаточно, чтобы отвергнуть нулевую гипотезу, но достаточно, чтобы возбудить некоторые подозрения. Выпадению 65 раз орла соответствовало бы отклонению в три ст, что соответствует вероятности 0,3 %. Эти события случаются довольно редко, и теперь у нас появились законные основания думать, что происходит нечто странное. Если бы у нас выпал орел 75 раз из 100, это бы было отклонением в пять ст, а такие события случаются реже чем один раз на миллион. И тогда мы вправе сделать вывод, что сигнал был не просто статистической флуктуацией, и нулевая гипотеза неверна – монетка попалась явно неправильная.

Сигнал и фон

Поскольку физика элементарных частиц управляется квантовой механикой, она очень похожа на подкидывание монетки: самое большее, что мы можем сделать, это предсказывать вероятности. На БАКе мы сталкиваем протоны друг с другом и предсказываем вероятность различных взаимодействий. Для частного случая поиска бозона Хиггса мы рассматриваем различные «каналы», каждый из которых определяется типом частиц, захваченных детекторами. Есть двухфотонный канал, двухлептонный канал, четырехлептонный канал, канал с двумя струями и двумя лептонами, и так далее. В каждом случае мы суммируем энергии вылетающих частиц и с помощью аппарата квантовой теории поля (дополненного реальными измерениями) рассчитываем, сколько событий могли бы ожидать для каждого значения полной энергии. Результаты, как правило, изображаются в виде гладкой кривой.

Наша нулевая гипотеза состоит в том, что бозона Хиггса нет. Если же бозон Хиггса существует, да к тому же обладает какой-то ненулевой массой, основной ожидаемый эффект от него состоит в том, что для соответствующей энергии число событий увеличится. Если масса бозона равна 125 ГэВ, создается некоторое дополнительное количество частиц с суммарной энергией 125 ГэВ, и так далее. Создание бозона Хиггса и его распад обеспечивает механизм (в дополнение ко всем процессам, не связанным с бозоном Хиггса) получения частиц, суммарная энергия которых, как правило, равна массе хиггсовского бозона, что приводит к некоторому количеству дополнительных (по отношению к фону) событий. И мы отправляемся на «сбор шишек» – то есть ищем заметные отклонения от гладкой кривой, которую бы увидели при отсутствии бозона Хиггса.

Мы и не предполагали, что расчет ожидаемого фона будет легкой задачей. Мы, конечно, знаем Стандартную модель, но то, что мы ее знаем, не означает, что рассчитать результат легко. (Стандартной моделью можно описать и атмосферу Земли, но предсказать погоду не так-то просто). С помощью самых совершенных компьютерных алгоритмов ученые моделируют наиболее вероятные исходы протонных столкновений, и эти результаты используются для моделирования работы самих детекторов. И, оценив их усилия, мы охотно признаем, что некоторые вероятности реакций частиц легче измерить, чем просчитать. Чтобы минимизировать влияние человеческого фактора и для лучшего подбора параметров модели часто используется «слепой» анализ, когда каким-то способом скрываются фактические данные в интересующей нас области: либо туда добавляются фиктивные данные, либо просто события в этом «окне» не рассматриваются. Потом добиваются максимально ясного понимания «неинтересных» данных в других областях, и только после того, как это понимание будет достигнуто, открывается «окно», и мы смотрим на экспериментальные данные в той области, где наша частица может скрываться. Подобные манипуляции гарантируют, что мы видим не то, что хотим увидеть, а то, что происходит в действительности.

Так было не всегда. В своей книге «Нобелевские мечты» (Nobel’s Dreams) журналист Гэри Таубес рассказывает об истории исследований Карло Руббиа начала 1980-х годов по обнаружению W– и Z-бозонов, которые принесли ему Нобелевскую премию, а также о его менее успешных попытках получить вторую Нобелевскую премию, за его дерзкие выходы за пределы Стандартной модели. Команда Руббиа использовала при анализе данных по столкновению частиц Megatek – компьютерную систему, которая могла отображать данные на экране компьютера, причем программа позволяла поворачивать изображение вокруг трех координат с помощью джойстика. Заместители Руббиа американец Джеймс Рольф и англичанин Стив Гир стали экспертами в работе на Megatek. Они могли посмотреть на событие, повернуть его немного, отобрать важные треки частиц и уверенно сказать, что они видят – W-, Z-бозон или тау-частицу. «У вас есть эти вычисления, – говорил Руббиа, – но конечная цель всей титанической работы по анализу данных, основная фундаментальная задача должна состоять в том, чтобы дать людям окончательный ответ. И только Джеймс Рольф, глядя на это чертово событие, решит – Z-бозон это или нет». Теперь ситуация изменилась. У нас сейчас гораздо больше данных, но единственный способ понять, что они означают, – пропустить их через компьютер.

Всякий раз, когда возникают некоторая надежда на то, что получен новый экспериментальный результат, первой реакцией становится вопрос: «Сколько сигм?». В физике элементарных частиц неформальный стандарт вырабатывался на протяжении многих лет, и в соответствии с ним отклонение 3σ считается «свидетельством» того, что что-то происходит, в то время как при отклонении в 5σ уже можно объявлять об «открытии» чего-то. Это может показаться излишним требованием, так как фоновое событие 3σ происходит обычно только с вероятностью 0,3 %. Но правильнее было бы рассуждать об этом так: если посмотреть на триста различных измерений, одно из них просто случайно может оказаться событием 3σ! Так что требование придерживаться критерия 5σ является справедливым.

К декабрьскому семинару 2011 года пик вблизи 125 ГэВ имел статистическую значимость[7] 3,6σ в данных ATLAS и 2,6σ в данных CMS (данные собирались и анализировались совершенно независимо). Многообещающие результаты, но, конечно, не настолько надежные, чтобы претендовать на открытие. Результат мог быть признан сомнительным из-за так называемого эффекта LEE (look-elsewhere effect). Как мы говорили, если делать много измерений (а на двух детекторах БАКа проводилось много измерений), в них могут случиться большие отклонения. Однако тот факт, что две коллаборации обнаружили пики в одном и том же месте, наводил на мысль, что это не было простой случайностью. Физики склонялись к тому, что экспериментальные данные говорят: поиски идут в правильном направлении и, видимо, обнаружены первые намеки на бозон Хиггса, но чтобы увериться в этом, нужно собрать еще больше данных.

Когда предсказания, которые вы проверяете, являются вероятностными, важность сбора большого количества данных невозможно переоценить. Вспомните наш пример с подкидыванием монетки. Если бы мы бросили монетку всего пять раз вместо 100, самое большое возможное отклонение от ожидаемого значения возникло бы при пятикратном выпадании орла (или решки). Шанс, что это произойдет, не маленький – больше 6 %. Таким образом, даже для совершенно неправильной монеты, если мы подбрасываем ее всего пять раз, мы не можем объявить о значимости отклонения больше 2σ. На групповом блоге Cosmic Variance, который благодаря моим усилиям размещается теперь на сайте журнала Discover, я за день до семинаров ЦЕРНа поместил свой пост под названием «Завтра об открытии бозона Хиггса не объявят». Не то, что у меня была какая-то инсайдерская информация, просто мы все знали, сколько к тому времени на БАКе собрано данных, и знали, что их недостаточно для объявления об открытии бозона Хиггса с точностью 5σ. Для этого требовалось гораздо больше данных.

Медведь убит

Общее мнение физиков было таково: если свидетельства, представленные в 2011 году, действительно реальны, то данных, собранных за 2012 год, будет уже достаточно, чтобы добраться до необходимого порога магических 5σ и объявить об открытии бозона Хиггса. Мы знали, сколько столкновений происходит на ВАКе, и у всех было такое чувство, что мы услышим об открытии неуловимой частицы (или крушении всех наших надежд) год спустя, то есть в декабре 2012 года.

После ежегодной зимней остановки ВАК возобновил сбор данных в феврале 2012 года. Конференция ICHEP в Мельбурне была запланирована на начало июля, и предполагалось, что на этом совещании обе коллаборации доложат свои новые результаты. Условия в 2012 году были несколько иными, чем в 2011-м: протоны сталкивались теперь при более высокой энергии – 8 ТэВ вместо 7 ТэВ, кроме того, была получена более высокая светимость, так что в секунду происходило больше событий. И то, и другое, казалось бы, упрощало поиски, но тут возникли новые проблемы. При больших энергиях вероятности взаимодействий меняются, и это означает, что немного изменилось количество фоновых событий, а потому пришлось обсчитывать новые данные отдельно от старых. Волее высокая светимость означает еще и большее число столкновений, многие из них в детекторе происходят одновременно, что приводит к «загромождению» – возникает куча треков частиц. Пришлось сильно потрудиться, определяя, какие из них произошли от какого столкновения. Это приятная проблема, но все же проблема, которую нужно было решить, на что требуется время.

Конференция ICHEP – крупнейший международный форум, и, естественно, на нем должны были быть обнародованы новейшие данные по поискам бозона Хиггса, полученные в ходе экспериментов при более высоких энергиях и светимостях. Участники надеялись услышать, что машина работает отлично, а в идеале – что статистическая значимость декабрьских результатов возросла, а не уменьшилась. Заранее планировалось, что сбор данных в начале июня будет прерван для рутинных работ по техническому обслуживанию БАКа. Эту паузу ученые решили использовать для тщательного пересмотра данных, дабы понять, что уже получено.

Обе коллаборации анализировали свои результаты «слепым» методом. «Окна» были открыты 15 июня, в результате чего у экспериментаторов осталось около трех недель на анализ полученных данных и подготовку их презентации в Мельбурне.

Почти сразу же после начала анализов поползли слухи. Они были менее определенными, чем в декабре, что вполне понятно: сами ученые еще не понимали, что же они получили, и бились над тем, чтобы в этом разобраться. Любопытно, что я не услышал тогда ни одного слуха, который бы правильно и точно формулировал окончательный результат. Но общий тон не оставлял сомнений: на БАКе увидели что-то необыкновенно важное.

Итак, то, что обнаружилось, было новой частицей – бозоном Хиггса или чем-то очень его напоминающим. Даже беглого взгляда на данные было достаточно, чтобы убедиться в этом. Уровень важности сообщений был немедленно поднят – когда такие результаты должны демонстрироваться общественности, не говорят просто о получении новых результатов. Нужно либо объявить об открытии, либо не объявлять ничего, а если вы объявляете, следует сделать из этого новость номер один, раструбить об открытии на весь мир.

Пока группы физиков в отчаянной спешке анализировали данные, собранные по различным каналам, начальство обсуждало, как лучше разместить трубы, чтобы протрубить погромче. С одной стороны, было запланировано, что обе коллаборации расскажут о своих результатах в Мельбурне. С другой стороны, в ЦЕРНе оставались сотни физиков, которые не собирались лететь через полмира, чтобы присутствовать на оглашении сей потрясающей новости. Но этот день принадлежал им не в меньшей мере, чем участникам конференции. В конце концов, был достигнут компромисс: каждая коллаборация устроит семинар в день открытия конференции, сами семинары пройдут в Женеве, и одновременно будут транслироваться в Австралии.

Дабы у людей, не посвященных в детали, не оставалось сомнений в том, что ожидается оглашение невероятно важных новостей, была распространена информация о том, что ЦЕРН пригласил на семинар важных гостей. Питер Хиггс, которому тогда было 83 года, в этот момент находился на Сицилии и собирался лететь обратно в Эдинбург. Его страховка на период путешествия кончалась, кроме того, у него по понятным причинам в кошельке не было швейцарских франков. Но тем не менее он изменил свои планы после того, как ему передали телефонное сообщение от Джона Эллиса – выдающегося теоретика из ЦЕРНа и давнего фаната бозона Хиггса: «Скажите Питеру, что если он не приедет в ЦЕРН в среду, он потом очень пожалеет». Хиггс приехал, то же самое сделали Франсуа Энглер, Джеральд Гуральник и Карл Хаген – другие теоретики, первооткрыватели механизма Хиггса.

В декабре 2011 года я только что вернулся в Калифорнию и проспал все семинары, которые начинались в 5 часов утра по тихоокеанскому времени. Но в июле 2012 года мне удалось забронировать билет на рейс в Женеву, и я был в тот важный день в ЦЕРНе. Вместе с какими-то незнакомыми людьми я бегал от одного здания лаборатории к другому, пытаясь получить аккредитацию. В какой-то момент мне пришлось умасливать охранника, чтобы тот разрешил вернуться в здание, из которого я только что вышел, объяснив, что тороплюсь. Он спросил: «Почему сегодня все так спешат?»

Как и в декабре, сотни людей (в основном молодых) провели на лужайке рядом со зданием лаборатории ночь, чтобы успеть занять удобные места в аудитории. Джанотти, как и в тот раз, доложила результаты, полученные на ATLAS. Каденция Тонелли в качестве спикера CMS закончилась, и доклад от CMS делал его преемник – Джо Инкандела из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. Инкандела и Джанотти одновременно начали свои научные карьеры, вместе работая на UA2 – одном из детекторов предыдущего адронного коллайдера ЦЕРНа, искали там бозоны Хиггса. И теперь они оба собирались объявить о том, что их многолетние поиски наконец увенчались успехом.

Каждый из собравшихся в аудитории знал, что всей этой суеты не было бы, если б сигнал исчез. Основная интрига состояла в том, сколько сигм составляет его значимость. По слухам и приблизительным оценкам общее мнение склонялось к тому, что каждая коллаборация, по-видимому, набрала 4σ, но не добралась до 5. А если соединить результаты двух детекторов, возможно, удастся перескочить через этот порог! Но объединить данные двух различных детекторов гораздо сложнее, чем кажется, и уж совсем невозможно сделать это в последние три недели. Все боялись, что их собираются еще раз подразнить ложными надеждами, так и не объявив об открытии бозона Хиггса.

Но волноваться не стоило. Инкандела, выступавший первым, прошелся по очереди по всем различным каналам, проанализированным на CMS. Сначала шли двухфотонные события; они дали заметный пик как раз там, где мы надеялись, – при 125 ГэВ. Значимость события равнялась 4,1σ – больше, чем в предыдущем году, но это еще не было открытием. Потом настала очередь событий с четырьмя заряженными лептонами, возникающими в результате распада бозона Хиггса на два Z-бозона. И опять в том же месте появился пик, на этот раз значимостью 3,2σ. На своем 64-й слайде презентации, выполненной в PowerPoint, Инкандела показал что получится, если объединить эти два канала: 5,0σ. Похоже, мы его нашли!

Джанотти, как и Инкандела, начала с того, что поблагодарила за тяжелую работу всех, кто поддерживал работу БАКа, и сделала акцент на тщательности, с которой коллаборация ATLAS анализировала свои данные. Потом она перешла к двухфотонным результатам и тоже продемонстрировала явный пик при 125 ГэВ. На этот раз значимость составила 4,5σ. Результаты по четырехлептонному каналу также находились в согласии с предыдущими: крошечный пик, но вполне различимый, со значимостью 3,4σ. Комбинация их привела к общей значимости, равной в точности 5,0σ. В конце своего выступления Джанотти воздала хвалу Природе за то, что та поместила бозон Хиггса туда, где БАК смог его найти.

Масса хиггсовского бозона, найденная на ATLAS, оказалась равной 126,5 ГэВ, в то время как CMS получил для нее значение 125,3 ГэВ, но это не страшно – разница измерений лежит внутри ожидаемой ошибки. CMS проанализировал и другие каналы в дополнение к двухфотонному и четырехлептонному, и в результате их окончательное значение снизилось, но не намного – до 4,9σ. Но опять же, это совершенно не нарушает общую картину. Согласие между двумя экспериментами было удивительным и принципиально важным. Если бы на БАКе только одна коллаборация занималась поисками бозона Хиггса, у физического сообщества было бы гораздо больше оснований сомневаться в надежности результата. А так все сомнения были отброшены. Это было открытие!

Когда семинары закончились, Питер Хиггс дал волю эмоциям. Позже он говорил: «Во время докладов я еще дистанцировался от всего происходящего, но когда семинар закончился, почувствовал себя как на футбольном матче – моя любимая команда выиграла! Люди стоя аплодировали докладчикам, представлявшим результаты, выкрикивали «ура». Такое чувство, будто меня несла волна счастья». В пресс-центре после семинара журналисты попытались получить от него дополнительные комментарии, но он отказался давать интервью, сказав, что в такой день в центре внимания должны быть экспериментаторы.

Оглядываясь назад, понимаешь, что открытие бозона Хиггса состоялось раньше, чем ожидали, из-за того, что многие обстоятельства в первой половине 2012 года сложились весьма удачно для физиков. БАК работал на полную мощность, всего за несколько месяцев набрав больше событий, чем за весь 2011 год. То была тьма данных, но теоретики, анализировавшие их, героически справились с проблемой наложения и успешно идентифицировали подавляющее большинство событий. Более высокая энергия привела к тому, что было произведено больше бозонов Хиггса за то же время, а командам двух детекторов удалось усовершенствовать методы анализа и суметь выжать больше значимых результатов из своих данных, чем раньше. Все эти улучшения в конечном итоге подарили физикам праздник Рождества в июле.

Что это было?

После того как семинары закончились, Инкандела поделился своими размышлениями: «Часто думают, что как только обнаружится что-то, все этим и заканчивается. Занимаясь наукой, я понял, что, напротив, тут-то как раз все и начинается. Почти всегда что-то очень большое, но вполне доступное, скрывается за тем, что вы только что нашли, и просто следует идти дальше. И на этом пути расслабиться невозможно!»

Не осталось сомнений в том, что в экспериментах CMS и ATLAS была найдена новая частица. Мало кто сомневался, что она, эта новая частица, напоминает бозон Хиггса: ее вероятности распада по различным каналам примерно совпадали с теми вероятностями, которые можно вычислить в рамках Стандартной модели для распадов бозона Хиггса, если его масса составляет 125 ГэВ или около того. Но есть много причин, чтобы задаться вопросом, действительно ли это простейший вариант бозона Хиггса или нечто более хитрое? Уже в полученных на сегодняшний день данных появились крошечные намеки на то, что обнаруженная частица – не простой бозон Хиггса. Еще слишком рано говорить, кроется ли за этими намеками что-то реальное, но будьте уверены – ученые обязательно попытаются понять, что происходит на самом деле.

Ясно, что частицы не появляются в детекторе, снабженные этикетками. Когда мы говорим, что нашли что-то, похожее на хиггсовский бозон, мы имеем в виду, что, как только масса Хиггса определена, Стандартная модель позволяет очень точно рассчитать вероятности его распадов. В модели нет других свободных параметров, и, зная одно это число, мы можем точно сказать, сколько распадов будет в каждом канале. Говоря, что мы видим нечто вроде бозона Хиггса, мы имеем в виду, что видим правильное количество избыточных событий во всех каналах, где они должны происходить, а не только в одном.

На цветных вкладках представлены данные, полученные в 2011 году и половине 2012 года на ATLAS и CMS только при столкновениях с созданием двух фотонов. То, что мы видим, – это число событий, в которых сумма энергий двух фотонов равна определенной энергии. Обратите внимание, как мало из этих событий происходит на самом деле. В эксперименте видны сотни миллионов взаимодействий в секунду, из них пару сотен в секунду проходит через триггер и записывается в память, но из всех данных мы получаем только около тысячи событий в год, соответствующих каждому значению энергии.

Пунктирная линия на рисунке изображает предполагаемый фон – тот, который бы ожидался, если бы бозона Хиггса не было. Сплошная линия – то, что происходит, если мы добавляем обычный бозон Хиггса из Стандартной модели с массой 125 ГэВ. На обеих кривых видна небольшая выпуклость – шишка – высотой с пару сотен событий по сравнению с ожидаемой величиной. Нельзя сказать, какие события являются распадами бозона Хиггса, а какие – фоновыми, но можно спросить, есть ли статистически значимое превышение. И оно есть.

При ближайшем рассмотрении этих данных обнаруживается нечто любопытное. Одна из причин того, почему мы удивились, найдя в 2012 году бозон Хиггса так быстро, состоит в том, что в экспериментах действительно наблюдалось больше событий, чем ожидалось. Значимость двухфотонного пичка в данных ATLAS составляет 4,5σ, а число столкновений, полученных из расчетов в рамках Стандартной модели, должно составлять только 2,4σ. Аналогично, в CMS было получено значение 4,1σ, а должно быть только 2,6σ.

Другими словами, наблюдалось больше избыточных событий с распадом на два фотона, чем мы должны были увидеть. Не намного больше – пички лишь слегка выше, чем ожидалось, но все еще в пределах известной неопределенности. Но интересно, что есть соответствие между обоими экспериментами (и соответствие с результатами ATLAS 2011 года). Нет сомнений – нам понадобится больше данных, чтобы увидеть, реальное это расхождение или просто мираж.

В данных CMS содержится еще одна небольшая, но хитрая головоломка. В то время как ATLAS сфокусировался на надежных двухфотонных каналах или каналах с четырьмя заряженными лептонами, на CMS проанализировали еще и три канала распадов с большими шумами: на тау-антитау частицы, на прелестный-антипрелестный кварки, и на два W-бозона. Как и следовало ожидать, прелестный-антипрелестный и WW-каналы не дали статистически значимых результатов (хотя большее количество данных, безусловно, улучшило бы ситуацию). Анализ канала тау-антитау, однако, озадачил: никакого избытка событий на 125 ГэВ не было замечено, даже несмотря на то что Стандартная модель их предсказывала. Это не очень статистически значимое расхождение, но факт кажется интересным. Действительно, небольшое расхождение, вызванное данными по распаду на тау-частицы, привел к падению окончательной значимости результатов анализа данных CMS до 4,9σ, хотя отдельно двухфотонные и четырехлептонные каналы давали значимость 5σ.

Что это могло быть? Ни одна из этих странностей не была настолько значимой, чтобы всерьез считать, что вообще происходит что-то необычное, поэтому их, может, не стоит и рассматривать слишком серьезно. Но мы, теоретики, именно этим в жизни и занимаемся. Уже через день или два после семинаров в Интернете стали появляться теоретические работы, в которых авторы попытались в этом разобраться.

Легко привести простой пример проблемы, над которой люди сейчас думают. Вспомним, каким образом бозон Хиггса распадается на два фотона. Поскольку фотоны безмассовы, и, следовательно, бозон Хиггса не может непосредственно распасться на них, единственный способ, которым это может произойти, – через некоторую промежуточную виртуальную частицу, которая должна иметь массу (чтобы связаться с бозоном Хиггса) и электрический заряд (чтобы связаться с фотонами).

Согласно диаграммам Фейнмана, при расчете скорости этого процесса мы должны просуммировать независимые вклады от всех различных массивных заряженных частиц, которые способны появиться в петле внутри этой диаграммы. Мы знаем все частицы Стандартной модели, так что это нетрудно сделать. Но новые частицы могли бы значительно изменить ответ, внося вклад в эти виртуальные процессы, даже если мы пока не обнаруживаем их непосредственно. Таким образом, аномально большое количество двухфотонных событий может быть приветом от частиц за пределами Стандартной модели.

Детали, конечно, имеют значение: если новые частицы, которые мы имели в виду, изменяют вероятности и других измеряемых процессов, у нас появятся проблемы. Но как это восхитительно – мечтать о том, что, изучая бозон Хиггса, мы узнаем не только о самой этой частице, но и о других, которые неизвестны нам сегодня и которые нам только еще предстоит найти…

А потому – не расслабляйтесь.

Глава 10 Как мир узнает о научных событиях

Мы приподнимем завесу тайны над тем, как получаются результаты и сообщается об открытиях.

Со всей присущей ему неподражаемой британской серьезностью корреспондент Джон Оливер задавал Уолтеру Вагнеру весьма жесткие вопросы. Дело было в том, что Вагнер подал в суд, решив не допустить ввода в действие Большого адронного коллайдера. Он выдвинул серьезное обвинение – по его мнению, БАК мог создать опасность для самого существования жизни на Земле. Вот выдержка из этого интервью:

Оливер: Итак, по грубым оценкам, каковы шансы того, что мир будет уничтожен? Один на миллион, один на миллиард?

Вагнер: Скажем, в лучшем случае сейчас мы говорим примерно об одном шансе из двух.

Оливер: Подождите, это что же получается? Пятьдесят на пятьдесят?

Вагнер: Да, пятьдесят на пятьдесят. Если у вас есть что-то, что может случиться, и то, что не обязательно произойдет, это либо произойдет, либо не произойдет, и, стало быть, самое правильное предположение – один шанс из двух.

Оливер: Я не уверен, Уолтер, что теория вероятности работает именно так.

Когда БАК запускали в 2008 году, физики старались изо всех сил, рассказывая широкой публике о том, что это машина поможет нам найти бозон Хиггса, а если повезет, в первый раз увидеть суперсимметрию или другие новые интересные и экзотические явления, например темную материю или дополнительные измерения. Но в то же время группа алармистов выдвинула теорию, которую она усиленно внедряла в сознание людей с помощью СМИ, суть которой в том, что БАК – очень опасный эксперимент, поскольку может воссоздать Большой взрыв и уничтожить мир.

Надо сказать, что на первых порах сценарий, по которому безумные ученые выходят из-под контроля, побеждал в пропагандистской войне. И нельзя сказать, что журналисты стремились игнорировать истинное положение вещей и раздувать сенсации ради самих сенсаций. (По крайней мере, не все из них. В Великобритании таблоид Daily Mail напечатал статью под огромным заголовком «Умрем ли мы в следующую среду?», в которой подробно объяснялось, почему этого не случится.) Скорее сценарии катастрофы стали обязательной частью любой новости, наряду с клише «частица Бога». После того, как появился этот образ БАКа-убийцы, готового уничтожить все живое на Земле (даже если для этого имеются лишь исчезающе малые шансы и даже если это могло бы случиться только в далекой перспективе), люди захотели кому-то задать важные вопросы. Подлил масла в огонь Уолтер Вагнер – бывший офицер ядерной безопасности, сутяга, подавший на Гавайях совершенно невообразимый иск против БАКа. После того как тамошний суд отказался рассматривать этот иск на довольно очевидных юридических основаниях, Вагнер обратился в федеральный суд. Наконец, в 2010 году коллегия в составе трех судей прекратила дело на основаниях, изложенных в глубокомысленном заключении:

Согласно принятому решению, предполагаемый вред здоровью и уничтожение Земли ни в коем случае не могут быть приписаны неспособности правительства США подготовить заключение о воздействии на окружающую среду.

ЦЕРН и другие физические организации всегда относились к правилам безопасности очень серьезно. Они профинансировали составление нескольких экспертных отчетов на эту тему, и во всех них утверждалось, что риск катастрофы полностью исключен. Интервью Оливера, позволившего Вагнеру дискредитировать себя с помощью своих собственных высказываний, было одной из очень немногих публикаций, в которых содержался разумный подход к этой проблеме. А позже в популярной передаче Джона Стюарта The Daily Show, показанной на канале Comedy Channel, появилась сатирическая новостная программа. И забавно, что только сатирическая программа оказалась достаточно убедительной – она с блеском показала, каким фарсом была истерика, связанная с запуском БАКа.

У настоящих ученых есть одна черта, в данном случае сработавшая против них, – стремление быть во всем точными и честными, часто в ущерб им самим. Опасения, что БАК может уничтожить мир, основывались на довольно серьезных, хотя и очень умозрительных, физических теориях. Если бы гравитация при высоких энергиях, развиваемых при столкновениях частиц в БАКе, оказалась гораздо сильнее обычной, там могли бы образоваться крошечные черные дыры. Все, что мы знаем из физики, говорит о том, что такая черная дыра безвредна и сразу испаряется. Но предположим, что это не так и БАК будет рождать черные дыры, они останутся стабильными и провалятся в Землю, доберутся до ее ядра и будут поедать ее изнутри, что с течением времени приведет к полному уничтожению планеты. Можно рассчитать, сколько времени для этого потребуется; ответ таков: намного больше, чем возраст Вселенной. Конечно, расчеты могут быть неверными. Но ведь и столкновения космических лучей высокой энергии должны производить крошечные черные дыры, причем по всей Вселенной. (БАК ничего не делает такого, что сама Природа не делает постоянно и повсеместно, но только при гораздо более высоких энергиях). И эти черные дыры должны были бы съесть и белые карлики, и нейтронные звезды, а мы в небе видим множество белых карликов и нейтронных звезд, так что и этот аргумент говорит о безопасности БАКа.

Надеюсь, вы уловили суть дела. Можно придумать огромное количество спекулятивных сценариев, кажущихся опасными, но при ближайшем рассмотрении наиболее опасные из них уже оказываются исключенными по другим соображениям. И все-таки, поскольку ученые любят точность, они скрупулезно разобрали множество различных «ужасов», прежде чем успокоить нас и заявить, что все они весьма маловероятны. Каждый раз, когда физики должны были сказать «невозможно», они обычно говорили «скорее всего невозможно, вероятность этого действительно очень малы», а это выражение имеет другую коннотацию.

(Блестящий пример иного – неуклончивого – ответа дал теоретик из ЦЕРНа Джон Эллис, когда ему на передаче The Daily Show был задан вопрос о том, каковы шансы уничтожения Земли БАКом; он ответил просто: «Нулевые».)

Представьте себе, что вы открываете холодильник и достаете банку томатного соуса, собираясь приготовить на ужин пасту. Прежде чем вы откроете банку, ваш друг-алармист хватает вас за руку и кричит: «Подожди! Ты уверен, что, открыв банку, ты не выпустишь мутантный патоген, который быстро распространится по Земле и уничтожит все живое?» Правда в том, вы действительно не можете быть уверены на все 100 %, что этого не случится. Есть всякие нелепые сценарии маловероятных несчастий, которые мы игнорируем в повседневной жизни. В принципе включение БАКа может запустить цепь событий, которые разрушат Землю, но многие события являются в принципе возможными, важно, являются ли они правдоподобными, а в нашем случае ни одно из них не правдоподобно.

Борьба против предсказателей конца света оказалась хорошей школой для физиков. Уровень общественного контроля за поисками бозона Хиггса был беспрецедентным. Ученым, которые умеют общаться с другими учеными, обсуждая абстрактные и весьма технические идеи, пришлось научиться четко и убедительно объяснять свою позицию неспециалистам. В долгосрочной перспективе это только пойдет науке на пользу.

Как это все делается

Одно из самых больших и частых заблуждений относительно результатов, получаемых в гигантских экспериментах по физике элементарных частиц, состоит в том, что многие не понимают, какой путь проделывают результаты от момента их получения до представления общественности. Это не простой путь. Традиционный способ обнародования научных результатов состоит в публикации статей в журналах, в которых принято независимое рецензирование. Это, конечно, верно и для статей, выходящих из коллабораций ATLAS и CMS, но сложность экспериментов приводит к тому, что в этом случае практически единственными квалифицированными рецензентами могут быть только сами члены коллаборации. Чтобы как-то исправить такое положение дел, каждая коллаборация создала чрезвычайно жесткую ограничительную процедуру, которую должны пройти новые результаты перед подачей в печать.

Тысячи сотрудников Большого адронного коллайдера в основном не являются штатными сотрудниками ЦЕРНа. Типичный работающий член коллаборации – это студент, профессор, или постдок (что-то среднее между кандидатом наук и старшим преподавателем), который работает в университете или лаборатории в любой стране мира и обычно проводит значительную часть года в Женеве. Чаще всего первым шагом к опубликованию статьи является вопрос, которым задается кто-то из физиков. Это может быть совершенно тривиальный вопрос типа «Существует ли бозон Хиггса?». А может что-то более абстрактное, например: «Действительно ли электрический заряд сохраняется?», «Есть ли еще какие-то поколения фермионов кроме трех известных?», «Могут ли столкновения частиц высоких энергий создать миниатюрные черные дыры?» или «Есть ли дополнительные измерения пространства?». Вопросы возникают, когда появляется новая теоретическая идея, необъяснимые странности в полученных данных или просто у самой машины возникают новые возможности. Экспериментаторы – люди, как правило, прагматичные, по крайней мере когда это касается их научной работы, и поэтому стремятся поставить такие вопросы, на которые надеются ответить, проведя тот или иной эксперимент БАКе.

Физики могут обсудить новую идею со своими коллегами и посоветоваться, стоит ли ею заниматься, если такая идея возникла у студента, он проконсультируется со своим научным руководителем, а если идею родил сам профессор, он может предложить студентам поработать над его гипотезой. Идеи, оказывающиеся перспективными, передаются в одну из «рабочих групп», имеющихся в каждой коллаборации. Разные рабочие группы занимаются разными направлениями исследований. Есть группа по «истинным кваркам», группа «Хиггсов» и группа «экзотиков». («Экзотики» изучают частицы, предсказанные некоторыми умозрительными теориями или не предсказанные никем вообще.) Рабочие группы обдумывают идею, после чего «конвинер» – координатор, который руководит группой, решает, стоит ли дальше заниматься данным конкретным вопросом. Экспериментаторы, чтобы предотвратить дублирование расчетов, ведут подробные записи на веб-страницах и описывают там каждый проводимый анализ – для этой цели и была изобретена Всемирная паутина.

Предположим, идея получила одобрение соответствующей рабочей группы и анализ продолжается. Время физика теперь делится между работой за компьютером и участием в совещаниях, как правило, это видеоконференции. Анализ почти никогда не бывает единственным делом экспериментатора: есть также работа с аппаратурой, контроль за отклонениями условий эксперимента от заданных условий, преподавание (или учеба), выступление с докладами, подача заявок на гранты, и, конечно, работа в комитетах и тысяча других академических глупостей, которые являются неотъемлемой частью университетской жизни. Иногда экспериментаторам разрешено побыть со своими семьями или погулять на солнышке, но такое легкомысленное времяпровождение сводится к минимуму.

И вот данные собраны и надежно хранятся на дисках в разных странах. Работа теоретика-аналитика состоит в том, чтобы превратить эти данные в осмысленный физический результат. Это редко делается простым поворотом рукоятки. Нужно отбросить некоторые точки, в которых или слишком большие шумы, или они не имеют отношения к данной проблеме, то есть сделать «обрезания». (Например, вам нужны только те события, в которых образуется две струи с полной энергией больше 40 ГэВ, а углом между струями не менее 300, остальные события вы выбрасываете.) Очень часто, чтобы добиться решения конкретной проблемы, приходится писать специальные компьютерные программы. Но пока нет возможности сравнить данные с разными теоретическими моделями, они, эти данные, еще не очень информативны, и тогда пишутся другие программы – нужно понять, как выглядели бы данные согласно этим моделям. Затем необходимо оценить фоновый шум, который угрожает заглушить ваш драгоценный сигнал, и для этого необходимо все время соотносить свои измерения с расчетами и другими измерениями.

На протяжении всего процесса в рабочую группу, курирующую данный эксперимент, предоставляются регулярные обновления как в виде письменной документации, так и посредством презентаций видеоконференций.

И вот наконец получен результат. Следующая задача – убедить остальную часть коллаборации в его правильности, при том, что ничто так не радует толпу злобствующих физиков, как ошибка, найденная в чужом анализе. Каждый проект должен сначала получить «предварительное одобрение» рабочей группы, а уже после этого – всей коллаборации как целого. Существует комитет, единственной задачей которого является проверка правильности статистических расчетов. Конечная цель – публикация статьи в рецензируемом журнале, но прежде чем ее «благословит» издательский комитет, уже написанная статья должна быть прочитана всей коллаборацией. Только после этого она уходит в журнал.

Человек, не связанный с наукой, полагает, что автор статьи – тот, кто ее написал. Конечно, это так, но в список авторов включен еще и каждый, кто внес важный вклад в работу, описанную в статье. В физике экспериментальной частиц по традиции автором статьи, представленной коллаборацией, становится каждый ее член. Вы правильно поняли: любая статья, исходящая из коллабораций CMS или ATLAS, имеет более 3000 авторов. Более того, авторы перечислены в алфавитном порядке, так что постороннему человеку совершенно невозможно определить, кто делал анализ, а кто писал текст статьи. Это небесспорный принцип, но он способствует укреплению отношений в коллективе и повышает ответственность каждого за все опубликованные результаты.

Как правило, результаты анализа обнародываются только после того, как статья готова, и участвовавшим в эксперименте физикам разрешается обсуждать эти вопросы. Поиск бозона Хиггса – это, конечно, особый случай. Все знали много лет, что он – одна из основных целей для обеих коллабораций, и большая часть предварительной работы была выполнена заблаговременно, что позволило максимально быстро перейти от получения данных к объявлению об открытии. Тем не менее делалось все возможное, чтобы сохранить результаты в тайне, пока коллаборации не подтвердили, что данные проанализированы правильно.

Я спросил одного физика, были ли результаты, полученные на ATLAS, известны в CMS, и наоборот. «Ты шутишь, – ответил он со смехом – половина ATLAS спит с половиной CMS. Конечно, они знали!» Несмотря на сверхчеловеческую преданность своему делу, физики остаются людьми.

Есть ошибки и ошибки

Кроме декабрьских семинаров с докладами Фабиолы Джанотти и Гвидо Тонелли о новостях в поисках хиггсовского бозона в ЦЕРНе в 2011 году состоялся еще один семинар, привлекший к себе внимание общественности. В сентябре того же года итальянский физик Дарио Аутьеро объявил результат, который в конечном счете обернулся позором, а не великим открытием. Речь шла о нейтрино, которые, как показалось экспериментаторам, движутся быстрее света. Измерения проводились коллаборацией OPERA, которая изучает нейтрино, рожденные в ВАКе и проделавшие под землей путь в 730 км до детектора, расположенного в Италии. Поскольку нейтрино очень слабо взаимодействуют с веществом, они могут пройти сквозь многие километры твердых пород с мизерными потерями, что делает эту систему организации эксперимента очень эффективной для изучения их свойств.

Проблема была очевидна: результат итальянских физиков противоречил одному из основополагающих принципов современной физики: ничто не может двигаться быстрее света. Эйнштейн первым сформулировал этот принцип в 1905 году, после чего он был с большой точностью подтвержден бесчисленными экспериментами. Его опровержение стало бы самым важным открытием в физике со времен квантовой механики. Нам не потребовалось бы переписывать физику с чистого листа, но совершенно очевидно – появились бы другие законы природы. Одним из самых невероятных следствий способности двигаться быстрее света стала бы возможность путешествовать назад во времени.

Большинство физиков немедленно преисполнились скепсиса по поводу работ команды Аутьеро. На сайте Cosmic Variance я написал: «Вы должны знать об этом две вещи:

1. Это чрезвычайно интересно, если результат правильный.

2. Он, скорее всего, не правильный». Даже сами члены коллаборации OPERA, казалось, сомневались в своих результатах и просили физическое сообщество помочь им понять, где здесь может скрываться ошибка. Конечно, даже самая признанная теория должна отступить перед безупречными экспериментальными результатами. Вопрос лишь в том, насколько они безупречны.

Полученный в эксперименте OPERA результат имел чрезвычайно высокую статистическую значимость. Расхождение между теорией и экспериментальными данными составляло больше 6σ – больше чем достаточно, чтобы объявить об открытии. Тем не менее нашлись скептики. И скептики оказались правы. В марте 2012 года был проведен повторный эксперимент, названный ICARUS, в котором попытались повторить результаты эксперимента OPERA, и он закончился совсем другим результатом, а именно подтверждением того, что скорость нейтрино не превышает скорости света.

Был ли это один из тех случаев, когда нам просто ужасно (не) повезло с аномальными выборками маловероятных событий, устроившими заговор с целью сбить нас с пути? Вовсе нет. Коллаборация OPERA в конце концов нашла источник ошибки в своем первоначальном эксперименте: им оказался плохой контакт кабеля, связывающего эталонные часы с приемником GPS. Неисправность кабеля привела к задержке отсчетов времени на детекторе, и этого оказалось более чем достаточно для объяснения найденной аномалии. Как только дефект был устранен, эффект исчез.

Основная мораль этой истории состоит в том, что нужные сигма – не панацея. Статистика может помочь решить, какова вероятность того, что ваши данные согласуются с нулевой гипотезой, но главное – чтобы они были надежными. Ученые говорят о «статистических ошибках» (из-за того, что нет достаточного количества данных или в измерениях присутствует неустранимая, но случайная неопределенность), а также о «систематических ошибках» (из-за какого-то неизвестного эффекта, который сдвигает данные равномерно в некотором направлении). Статистически значимый результат не всегда правильный. Физики, занятые поисками бозона Хиггса на БАКе, к этому уроку отнеслись очень серьезно.

И еще один спорный вопрос: были ли физики коллаборации OPERA правы, когда рассказали о своих результатах всем и даже созвали пресс-конференцию в ЦЕРНе по этому поводу? Уже когда они первый раз объявили результаты, аргументы в пользу широкого обсуждения и против огласки посыпались с разных сторон. С одной стороны, лидеры OPERA, прекрасно понимая, что их результат странный, решили, что лучше рассказать о нем научной общественности, чтобы другие ученые помогли понять, в чем ошибка. С другой стороны, многие люди считали, что из-за этой истории пострадал имидж науки. Однако в эпоху глобализации, когда новости распространяются очень быстро, интересные научные результаты, полученные большими коллективами людей, утаить просто невозможно.

Веб 2.0

Еще в 2009 году Томмазо Дориго – физик из коллаборации CMS, блогер A Quantum Diaries Survivor (на сайте science20.com) – в своем докладе на Всемирной конференции научных журналистов сделал забавное предсказание. Он сказал, что мир впервые узнает об окончательном открытии бозона Хиггса из анонимного комментария в Интернете. Сейчас мы знаем, что он почти угадал, хотя и не совсем.

Последней открытой элементарной частицей Стандартной модели до бозона Хиггса был истинный кварк, обнаруженный в лаборатории Ферми на Теватроне в 1995 году. Это произошло примерно в то же время, когда впервые возникло такое понятие, как «блог». Напомним, что слово «интернет-журнал» было придумано в 1997 году. Тогда же, в 1995 году, не было таких понятий, как Facebook и Twitter, а MySpace – ресурс, давно уже считающийся устаревшим, появился только в 2003 году. Физики, работающие на Теватроне, могли посплетничать с другими физиками по поводу особо интересных событий, но вероятность того, что о важном открытии будет объявлено преждевременно, была мала.

С тех пор все изменилось. При нынешней легкости общения в Интернете любой желающий может распространять новости по всему миру, а мы помним, что обе коллаборации ATLAS и CMS включают в себя более 3000 членов каждая. Лидеры групп пытаются держать ситуацию под контролем, но, несмотря на это, вероятность, что кто-нибудь из сотрудников проболтается о крупном открытии, прямо скажем, велика.

Признаться, я являюсь восторженным поклонником блогов, хотя и стараюсь не распространять слухи, которые люди хотели бы удержать в секрете. Я начал вести свой блог еще в 2004 году на личном сайте под названием Preposterous Universe, а в 2005 году стал писать свои тексты в групповом блоге Cosmic Variance, который теперь можно читать на сайте журнала Discover. Самое замечательное в блогах – это то, что их можно использовать для любых целей по выбору автора, и множество людей в полной мере пользуется этой свободой. Только в пределах крошечного сегмента блогов, ведущихся учеными и научными писателями, вы встретите совершенно разные тексты – от неофициальных до строго научных и математических, от новостей до сатиры и внутренних сплетен. Наша цель ведения блога Cosmic Variance – поделиться интересными идеями и открытиями в области науки с широким кругом читателей, в то же время позволяя себе поразмышлять на темы, возбуждающие наше воображение. Некоторые из наших самых популярных постов были посвящены БАКу, а во время его запуска в 2008 году и семинара 2012 года группа блогеров даже вела блог в реальном времени.

Одним из моих коллег-блогеров является Джон Конвей – профессор физики в Университете Калифорнии в Дэвисе и по совместительству физик-экспериментатор, работающий на CMS. (Джоан Хьюэтт – тоже активный блогер). Самый первый блог Конвея назывался «Охота за шишками» – это был поучительный рассказ о физике элементарных частиц, о том, как полученные данные могут удивить нас и как трудно порой отличить открытие, которое перевернет мир, от обычной статистической флуктуации.

В частности, Конвей рассказал про свое участие в поисках бозона Хиггса в лаборатории Ферми (БАК тогда еще не был запущен). Тогда он анализировал данные по своему любимому каналу распада – тому, в котором рождается тау-лептон. Конвей с коллегами уже сделали слепой анализ данных эксперимента CDF на Теватроне, и наконец наступил момент, когда вот-вот откроют «окно» и обнаружат то, что там скрывается. И… действительно там что-то было! Небольшое, но очевидное увеличение вероятности рождения двух тау-лептонов – событие, которое могло быть объяснено распадом бозона Хиггса с массой 160 Гэв. Статистическая значимость этой выпуклости была всего 2,5σ, но и она заслуживала внимания. Большинство небольших выпуклостей со временем исчезает, но каждое настоящее открытие начинается с обнаружения небольшой шишки, так что у любого в такой ситуации, естественно, перехватило бы дыхание. Как вспоминал Конвей, у всех буквально «волосы встали дыбом на голове».

В следующем блоге Конвей рассказал о повторном анализе и о том, что узнал только позже: его коллеги из дружественной коллаборации D Zero в том же Фермилабе увидели недостаток событий там, где CDF наблюдал их избыток. И надежды на то, что в этой области скрывается новая частица, стали таять – более поздние данные не подтвердили этого наблюдения. Но эта история была наглядным примером того, что жизнь ученого-экспериментатора по остроте ощущений и накалу страстей иногда напоминает езду по американским горкам.

К сожалению, не все читатели первого блога прочитали его правильно. У многих из них сложилось впечатление, что Фермилаб фактически уже обнаружил бозон Хиггса или что-то вроде него, а Конвей решил рассказать об этой новости в нашем скромном блоге, а не писать научную статью или, например, проводить пресс-конференцию. И это неправильное впечатление создалось не только у чрезмерно восторженных комментаторов нашего сайта – несколько журналистов обратили внимание на значимость возможного события и опубликовали статьи в The Economist, New Scientist и других изданиях. Так физики получили еще один полезный урок. Люди очень хотят узнать все подробности поисков бозона Хиггса, и нужно быть предельно аккуратным, рассказывая о научных результатах, дабы не создавать ненужных иллюзий.

Физические папарацци

Искать новую физику можно не только на гигантских ускорителях частиц. Например, интересный эксперимент проводится в рамках итальянской PAMELA (Программа по астрофизике легких ядер и исследованию антивещества). Аппарат PAMELA размещен на российском (невоенном) спутнике, вращающемся на низкой околоземной орбите. Одна из его основных задач – поиск частиц антиматерии в космических лучах, в первую очередь позитронов и антипротонов. В космических лучах всегда присутствует определенное количество частиц антивещества – во Вселенной некоторые процессы идут при высоких энергиях, и иногда рождаются античастицы ровно так же как на БАКе. Но PAMELA регистрирует значительно больше позитронов, чем ожидалось, что вызывает удивление. Это может быть свидетельством каких-то неизвестных нам сейчас астрофизических процессов, например новых явлений в оболочках нейтронных звезд, или же признаком существования физики за пределами Стандартной модели, например аннигиляции частиц темной материи с образованием избытка позитронов. Ученые проверяют различные возможности, хотя с течением времени астрофизический вариант кажется более вероятным.

Еще более интересно, пожалуй, то, как произошла утечка информации об этом интригующем результате PAMELA. Часто бывает, что коллаборация получает предварительные результаты, не совсем еще готовые к опубликованию, но достаточно надежные, чтобы продемонстрировать их коллегам в докладе на конференции. Как раз такая ситуация в сентябре 2008 года была с результатами PAMELA, доложенными на Международной конференции по физике высоких энергий в Филадельфии. Докладчик от коллаборации PAMELA Мирко Боэзи лишь на мгновение задержался на слайде, на котором был виден избыток позитронов, но и мгновения хватило. Молодой теоретик по имени Марко Сирелли, сидевший в аудитории, быстро сфотографировал картинку. Вернувшись домой, он в соавторстве с коллегой Алессандро Струмиа написал статью, предложив новую модель темной материи, которая могла бы объяснить избыток позитронов, и отправил ее на сайт с архивом публикаций по точным наукам , откуда она моментально разошлась по всему миру. В этой работе Боэзи и Струмиа привели рисунки, на которых сравнивали теоретические предсказания своей модели с данными, взятыми со слайда, показанного в докладе на конференции, снабдив их примечанием: «В соответствии с требованиями законодательства в области публикаций, сообщаем, что предварительные экспериментальные данные для потоков позитронов и антипротонов, изображенные на наших рисунках, взяты с фотографии слайда, сделанной во время доклада».

Добро пожаловать в новый мир! И в нем пока нет четко установленных границ между дозволенным и недозволенным. Член коллаборации может сказать, что данные, которые еще не подготовлены к публикации, нельзя использовать в теоретическом анализе. Но и слушатели могут сказать, что сырые данные не следует показывать в публичных выступлениях. Пьерджорджио Пикоцца – итальянский физик, руководитель коллаборации – «очень, очень расстроился», что их данные были присвоены и использованы таким образом. Но Сирелли настаивает, что он получил разрешение от физиков PAMELA, присутствовавших на конференции: «Мы спросили физиков с PAMELA [на конференции], и они сказали, что это [их использование] – не проблема».

Как давно поняли подростки, в век Facebook в современном мире любой секрет, которым вы поделитесь с кем-то, узнают все. Благодаря новым технологиям, обмен информацией – независимо от того, насколько она официальна или надежна, – теперь не требует никаких усилий. Как сказал Джо Ликкен в связи с еще одним подобным слухом, «в мире, в котором еще не было блогов, слухи могли распространиться разве что среди нескольких десятков физиков. Теперь, с появлением блогов, теоретики, специалисты по струнам, которые даже не знают, как пишется имя Хиггс, сразу узнают инсайдерскую информацию об этих данных».

Слухи

Слухи не всегда безобидны. В апреле 2011 года анонимный комментатор на блоге Питера Войта Not even wrong («Даже не заблуждение») разместил текст служебной записки висконсинской команды ATLAS, возглавляемой Сау Лан Ву. Записка предназначалась для внутреннего пользования. Если бы ее содержание подтвердилось, оно произвело бы сенсацию – там содержались на первый взгляд убедительные свидетельства того, что частица, похожая на хиггсовский бозон, распадается на два фотона. Но новость была слишком хороша, чтобы быть правдой: для получения такого большого сигнала при относительно небольшом количестве имевшихся тогда данных вероятность распадов бозонов Хиггса должна быть в 30 раз больше, чем предсказывает Стандартная модель. Возможно, но маловероятно. А потому никто не удивился, когда при повторной проверке сигнал ушел.

Этот случай демонстрирует оборотную сторону Интернета. Обмен внутренними записками внутри большой коллаборации – как работа кровеносной системы; они пишутся все время, это часть анализа данных и превращения их в надежные результаты. Сами авторы записок не обязательно полностью верят в то, что пишут, – они просто указывают на что-то, заслуживающее более внимательного изучения. Это полезно до тех пор, пока информация остается внутри коллаборации. Если же она выйдет наружу прежде, чем результаты проверят, есть серьезная опасность, что они будут неправильно поняты, а это может в конечном итоге привести к подрыву доверия людей к полученным учеными результатам. В том случае сама Ву была в ярости: «Такая утечка со стороны лица, допустившего ее, была очень неэтичным и безответственным поступком… Утечка нанесла удар по свободе перемещения внутренних результатов в письменной форме между сотрудниками. На мой взгляд, это крайне печальная история».

В июне 2012 года ученые коллабораций CMS и ATLAS начали внимательно изучать собранные за год данные. Из докладов на декабрьских семинарах 2011 года все знали, что при 125 ГэВ наблюдался намек на бозон Хиггса. Внимание всех было приковано к этому пику. Как только начался анализ, поползли слухи. Заранее утвержденный план состоял в том, чтобы в июле 2012 года рассказать о новостях в поисках бозона на традиционной конференции ICHEP в Мельбурне, в Австралии. Любопытство блогеров разгорелось еще больше, когда ЦЕРН объявил, что не собирается ждать Мельбурна, а проведет специальные семинары в Женеве непосредственно перед конференцией. Зачем это все, если ученые не собираются объявить о каком-то крупном открытии?

В конце концов этот ажиотаж в Интернете стал так мешать, что Фабиола Джанотти отправила репортеру Деннису Овербаю из The New York Times имейл, умоляя: «Пожалуйста, не верьте блогам». Но справедливости ради скажем, что блогеры тоже бывают разные, и некоторые пытались пригасить возбуждение, а не усилить его. Майкл Шмитт, физик из Северозападного университета и член CMS-коллаборации, написал от себя на блоге Collider Blog:

Я не подведу свою коллаборацию: людей, которые работают прямо сейчас, проводя анализ и проверку результатов, а также руководителей, которые должны сейчас выбрать дальнейшую стратегию и принять трудные решения. Небольшая сенсация в блоге не стоит того волнения, которое она может вызвать у всех этих людей.

Нет сомнений, однако, что когда инсайдерами являются 6000 членов двух коллабораций, кто-то обязательно поддастся искушению и проболтается – еще до того, как все результаты будут собраны и проанализированы. Одна из наиболее частых жалоб на блогеров состояла не в том, что о результатах разболтано раньше времени, а в том, что часто пишут о результатах, которых даже еще не существует. Для анализа нужно время, и часто его не хватает – теоретики лихорадочно обсчитывают данные иногда до самого последнего момента, когда уже нужно выступать с докладом или отправлять в редакцию статью.

Между тем другие люди заражаются волнением и превращают его в возможность немного поразвлечься. 20 июня пользователи Twitter начали пересылать друг другу сатирические твиты о бозоне Хиггса. HiggsRumors («Олухи о бозоне Хиггса») даже стали на короткое время «трендовой темой» – честь, которой, как правило, удостаиваются новости о сериале Jersey Shore или скандалы, связанные с Леди Гага. Дженнифер Аутлетте – научный писатель и блогер (а по совместительству моя жена), собрала некоторые лучшие образцы таких твитов.

@ drskyskull: Я слышал, бозон Хиггса однажды выстрелил в человека, чтобы посмотреть, как тот будет умирать… # HiggsRumors

@ StephenSerjeant: Чак Норрис избил ATLAS и CMS до такой степени, что те наконец нашли бозон Хиггса # HiggsRumors

@ treelobsters: В день летнего солнцестояния вы можете заставить хиггсовский бозон балансировать на вершине. # HiggsRumors

@ tomroud: Частица Бога оказалась на проверку атеистом # HiggsRumors

А вот лучший пост, который я нашел тогда: «Маленький Майки из рекламных роликов каши LIFE умер, объевшись хиггсовских бозонов и запив их содовой. # HiggsRumors». Вероятно, то, что мне нравится этот текст, говорит больше о моем чувстве юмора (и моем возрасте), чем о чем-то еще.

Любители физики из Голливуда

Лос-Анджелес – город индустриальный, и главная его индустрия – это индустрия развлечений. В начале 2007 года, вскоре после того как я впервые приехал сюда, у меня дома раздался необычный телефонный звонок. Звонили из Imagine Entertainment – кинокомпании, возглавляемой Роном Ховардом и Брайаном Грейзером («Аполлон-13», «Игры разума», «Код да Винчи»). Создатели фильма тогда только собирались снимать «Ангелов и Демонов» по роману Дэна Брауна, в которой важные сцены разворачиваются в ЦЕРНе. Они спросили, не соглашусь ли я заехать в их офис в Беверли-Хиллз и поговорить о физике элементарных частиц?

Я важно ответил, что, вероятно, постараюсь в своем расписании найти окно для этого визита. Так я впервые узнал о малоизвестном факте: Голливуд любит науку.

Это не соответствует устоявшемуся стереотипу, согласно которому продюсеры и режиссеры фильмов и ТВ-шоу регулярно впаривают нам продукцию, полную грубейших научных ошибок, а ученых в них обычно изображают либо как асоциальных яйцеголовых, либо как безумных гениев, стремящихся управлять миром. Там действительно есть и такое, но, с другой стороны, многие сценаристы и режиссеры испытывают неподдельное желание сделать свои фильмы более интересными с помощью настоящей науки. Говард и Грейзер искренне интересовались космологией, антиматерией и бозоном Хиггса, и во время завтрака мы устроили мозговой штурм, пытаясь понять, как включить физику в их фильм. Позже моя жена Дженнифер стала первым директором проекта «Взаимодействие науки и индустрии развлечений», созданного усилиями Национальной академии наук США. Цель проекта состояла в налаживании контакта между учеными и Голливудом. Благодаря этому проекту мне довелось познакомиться с такими известными кинорежиссерами и продюсерами, как Ридли Скотт, Майкл Манн и Кеннет Брана, каждый из которых хотел услышать больше о дополнительных измерениях, путешествиях во времени и Большом взрыве. Конечно, высокобюджетные голливудские фильмы не могут и не должны быть ни документальными, ни научно-популярными – в этих фильмах на первом месте сюжет, и советы ученых не всегда учитываются. Но многие уважаемые профессионалы, фильмы которых показываются в кинотеатрах, способны оценить великое чудо научного открытия.

Со своей стороны, наука не прочь пойти в Голливуд, чтобы помочь себе самой. Научная писательница Кейт Макалпайн, которая провела какое-то время в ЦЕРНе, работая на ATLAS, в 2008 году запустила видеоролик на YouTube под названием «Рэп с Большого адронного коллайдера» (), в котором физики пританцовывают перед детекторами БАКа, в то время как сама Макалпайн под ритмичный аккомпанемент изображает рэп на физическую тематику:

Двадцать семь километров тоннеля под землей, Построенного специально, чтобы заставить протоны летать по нему, Пересекающего границу Швейцарии и Франции. Шестьдесят стран занимаются там наукой, Два пучка протонов летят по кольцу, И наконец, в глубине детекторов, они сталкиваются. И вся эта энергия, сконцентрированная в крошечном кусочке пространства, Превращается в массу – в частицы, созданные из вакуума, А потом…

Этот ролик посмотрело семь миллионов пользователей! На YouTube нет недостатка в прикольных видеосюжетах на любую тему, но по некоторым причинам этот смог выделиться среди других, то есть заинтересовать людей можно даже самыми абстрактными научными идеями, если, конечно, представить их в увлекательной форме.

Наиболее амбициозный проект подобного рода был разработан Дэвидом Капланом – физиком-теоретиком элементарных частиц из Университета Джона Хопкинса. Основная работа Каплана состоит в построении моделей, которые можно проверить в экспериментах на БАКе и на других ускорителях. У него имеется давнишний интерес к созданию кино. Как он вспоминает, в школе наука его совершенно не интересовала, и он даже не собирался поступать в колледж, но его сестра втайне от него направила заявление от его имени в Чепменский университет в Южной Калифорнии. Ко всеобщему удивлению Дэвид был принят и в течение года учился там снимать кино. Это ему пришлось не по вкусу, и он в конечном итоге перешел в Университет Беркли и стал учиться физике. Каплан не сразу поступил в аспирантуру – его оценки в Беркли были столь плохи, что он не рассчитывал, что кто-нибудь даст ему рекомендательное письмо. Вместо этого Каплан переехал в Сиэтл и подрабатывал там репетиторством – учил студентов-физиков из Университета Вашингтона. После того как несколько студентов убедили его в том, что он не хуже, а может быть и лучше аспирантов Университета Вашингтона, он, наконец, поступил туда в аспирантуру и начал работать над диссертацией. Все хорошо, что хорошо кончается, и сейчас он – один из лидеров молодых физиков-теоретиков нового поколения, пытающихся вывести физику за пределы Стандартной модели.

Когда наступила эра Большого адронного коллайдера, Каплан сразу понял уникальность момента. С его точки зрения, то был переломный момент в истории науки, если не в интеллектуальном развитии человечества вообще. Если БАК найдет что-то интересное, это откроет путь к новым открытиям. А если такого не произойдет, это будет означать, что из-за высокой стоимости исследований в современной физике частиц БАК будет последним крупным ускорителем из всех когда-либо построенных. Каплан был убежден, что сия высокая драма должна быть достойно описана и задокументирована. Он решил взять интервью у коллег-физиков, уже сделавших карьеру на своих идеях об устройстве природы, и проследить, подтвердятся они или будут выброшены как ненужные. Затем он задумал проинтервьюировать и молодых ученых, которым придется разбираться с тем, что БАК обнаружит, и решать, что с этим делать. Каплан хотел все эти интервью собрать вместе и издать в виде книги.

Но проблема была в том, что Каплану даже написание научной статьи дается тяжело. Решение лежало на поверхности: вместо книги он сделает кино! Так родилась идея фильма «Страсти по частице» (Particle Fever).

В качестве нового члена факультета Каплан получил небольшую стипендию от Фонда Альфреда Слоуна. Обычно такие стипендии используются для покупки компьютеров, оплаты командировок или небольшой поддержки аспирантов. Вместо этого Каплан нанял режиссера телевидения, заинтересовав его своей идеей, и они вдвоем на эти деньги сняли пятиминутный клип, который затем использовали для получения уже серьезных денег, необходимых для создания полнометражного документального фильма. Их первоначальный бюджет составлял $750 000 (правда, потом он вырос), и началась реальная работа: поиск денег, отбор операторов и сценаристов, опять поиск денег, запись интервью с физиками и снова поиск денег. Они раздали маленькие кинокамеры физикам в ЦЕРНе, чтобы те зафиксировали важнейшие события, такие как запуск коллайдера в 2008 году и авария, последовавшая вскоре после этого. Сам Каплан потратил огромное количество времени на проект. Он не получал зарплату, и в какой-то момент, чтобы проект не умер, его семье пришлось дать ему кредит в размере пятидесяти тысяч долларов.

Но интерес к будущему фильму был огромным. Отдел разработок в Университете Джона Хопкинса показал клип совету директоров университета, и один из директоров тут же решил инвестировать некие средства в проект. Национальный научный фонд, который поддерживает большую часть фундаментальных исследований в США и постоянно призывает ученых заниматься более активно просветительской деятельностью, пришел в восторг, узнав, что один из ученых серьезно занялся просветительством, и предложил существенную поддержку проекту. Уолтер Марч, уважаемый голливудский оператор, работавший с Джорджем Лукасом и Фрэнсисом Фордом Копполой и завоевавший множество перстижных наград, тоже воодушевился идеей фильма и предложил свои услуги, причем запросил за них намного меньший гонорар, чем обычно.

Главное, чего хотел добиться Каплан своим фильмом, – это хоть немного передать тот дух бескорыстного служения науке, который побуждает ученых пытаться разобраться в устройстве Вселенной как можно глубже. Эмоциональные риски высоки: физика – наука экспериментальная, и самая блестящая теория в мире не получит признания, если окажется, что Природа выбрала другой путь. Каплан говорит:

В общем и целом это невероятно героическая история. И в ней высвечиваются самые разные свойства человечесой породы – и эгоизм, и проницательность, и самоуверенность. Но вдруг вы понимаете, что ученые обманывают себя – они создают несуществующий мир в своих головах, подстегивая себя и заставляя работать с невероятной напряженностью, зная, что все это может кончиться полным провалом. И тогда всю их жизнь можно будет просто выбросить на помойку, поскольку все, что они делали, оказалось бессмыслицей.

Сейчас (в середине 2012 года, когда я пишу книгу) фильм Particle Fever близок к завершению, и команда надеется, что его отберут для участия в кинофестивале Sundance в январе 2013 года[8]. Конечно, Каплан и его друзья дико амбициозны – они надеются на возможность широкого проката в кинотеатрах. Их мечта – познакомить массового зрителя с работой Большого адронного коллайдера. Произойдет это или нет, в любом случае они, безусловно, создали уникальный документ, который станет свидетельством необыкновенного душевного подъема, охватившего физическое сообщество в начале эры БАКа.

Давид Каплан теперь сможет вернуться к физике и посвятить ей все свое время. Каким бы интересным и непривычным процесс съемки фильма ни был, в ближайшее время Каплану точно не захочется еще раз заняться чем-то похожим. «Создание фильма – кошмарное дело, – признается он. – Все так иррационально, приходится иметь дело с различными эго, люди доказывают что-то, что просто не имеет никакого смысла. Я ненавижу это… Я люблю физику».

Глава 11 Мечты о Нобеле

Мы пересказываем увлекательную историю о том, как был открыт механизм Хиггса, и размышляем, какой эта история останется в памяти

Это случилось в 1940 году, когда немецкие войска только вторглись в Данию. У Нильса Бора, одного из основателей квантовой механики и директора Института теоретической физики в Копенгагене, хранились ценные запрещенные на тот момент предметы, которые ему нужно было любой ценой сохранить в тайне от нацистов – две золотые нобелевские медали. Задача состояла в том, чтобы спрятать их подальше от глаз немецких оккупантов.

Ни одна из этих двух медалей не принадлежала самому Бору, он получил свою Нобелевскую премию в 1922 году, но продал ее с молотка на аукционе и деньги отдал на поддержку финских сил сопротивления. Эти медали получили в свое время немецкие физики Макс фон Лауэ и Джеймс Франк. Они незаконно вывезли свои награды из Германии, чтобы те не попали в руки нацистов (поскольку медали были именными, на них были выгравированы их имена). Бор обратился за советом к своему другу химику Дьёрдю де Хевеши, и тому пришла в голову блестящая идея – растворить медали в кислоте. Золото растворить не просто, поэтому ученые взяли царскую водку – весьма агрессивную смесь азотной и соляной кислот, способную растворять благородные металлы. Опущенные в царскую водку Нобелевские медали в течение нескольких часов постепенно распались на индивидуальные атомы золота, которые остались во взвешенном состоянии в растворе. Если бы в лабораторию вошли солдаты, которым захотелось бы пошарить в шкафах в поисках спрятанных сокровищ, они не нашли бы ничего, кроме пары безобидных колб с химическими растворами, стоящими среди сотен похожих сосудов.

Уловка сработала. После войны ученые смогли восстановить золото путем осаждения атомов из раствора, сделанного де Хевеши. Бор доставил металл обратно в Королевскую академию наук в Стокгольме, и там заново отлили именные Нобелевские медали для фон Лауэ и Франка. Сам де Хевеши, бежавший в Швецию в 1943 году, получил Нобелевскую премию по химии в 1944 году, но не за открытие новых методов укрывания золота, а за «использование изотопов в качестве меченых атомов при изучении химических процессов».

Может быть, не все это знают, но ученые к Нобелевской премии относятся очень серьезно. В конце XIX века химик Альфред Нобель – изобретатель динамита – учредил награды в области физики, химии, физиологии и медицины, литературы, а также премию мира, и все они вручаются каждый год, начиная с 1901 года. (Премию по экономике начали вручать только в 1968 году, и она находится в ведении другой организации[9].) Нобель скончался в 1896 году, и его душеприказчики с удивлением обнаружили, что он пожертвовал 94 % своего немалого состояния на учреждение премии.

С тех пор Нобелевские премии стали общепризнанной формой высшего научного признания. Признание – не совсем то же самое, что научные «достижения», – Нобелевский комитет руководствуется в своих решениях вполне конкретными критериями, и споры о том, насколько премии соответствуют важности того или иного научного открытия, ведутся постоянно. Изначально Нобель завещал выдавать премию «тем, кто в течение истекшего года принес наибольшую пользу человечеству». В частности, премия по физике предназначалась «человеку, который сделал самое важное «открытие» или «изобретение» в области физики». Часть этих инструкций сейчас не исполняется. Несколько первых премий были выданы за работы, позже оказавшиеся ошибочными, и ныне никто больше не считает, что премию нужно обязательно давать за работу, выполненную в предыдущем году. Важно отметить, что сделать открытие – не то же самое, что быть признанным ведущим мировым ученым. Бывает, открытия совершаются почти случайными людьми, которые позже уходят из этой науки. А некоторые ученые делают фантастически важные работы в течение всей своей жизни, но им так и не удается сделать ни одного конкретного открытия, которое бы дотягивало до уровня Нобелевской премии.

Есть и другие критерии, сильно ограничивающие выбор Нобелевских номинантов. Премии не присуждаются посмертно, хотя, если лауреаты умирают между моментом принятия решения и объявлением этого решения, приз все-таки отдается им. Самое главное ограничение для физиков состоит в том, что премию не могут получить больше трех человек в течение одного года. В отличие, например, от премии мира премия по физике не дается организации или коллаборации – ее могут получить только отдельные ученые, и их не должно быть больше трех. В нынешнюю эпоху Большой Науки это ограничение иногда создает проблемы.

Когда дело доходит до теоретических работ, недостаточно быть умным или даже правым. Вы должны не только быть правым, но ваша теория еще должна подтвердиться в экспериментах. Наиболее важным вкладом Стивена Хокинга в науку является вывод о том, что черные дыры согласно правилам квантовой механики должны излучать потоки частиц. Подавляющее большинство физиков считают, что он прав, но на данный момент это чисто теоретический результат: мы пока не наблюдали никаких испаряющихся черных дыр, и у нас в перспективе нет никаких способов сделать это при современном уровне технологий. Вполне возможно, что Хокинг никогда не получит Нобелевскую премию, несмотря на его невероятно важные результаты.

Людям, не связанным с наукой, иногда может показаться, что весь смысл деятельности ученых в том и заключается, чтобы получить Нобелевскую премию. Это не так. Нобелевская премия отмечает важные вехи в науке, но сами ученые признают, что научный прогресс – это огромный гобелен, который слой за слоем ткут многие ученые на протяжении многих лет. Тем не менее нужно признать, что получение Нобелевской премии – это большое дело, и физики, конечно, внимательно следят за тем, какие открытия смогут когда-нибудь получить эту премию.

Никто не сомневался, что открытие бозона Хиггса является именно такого рода достижением, вполне достойным Нобелевской премии[10]. Несомненно было и то, что в первую очередь премии достойны авторы теории, предсказавшей бозон Хиггса. Конечно, в конце концов имеют значение не премии, а наука как таковая, но в связи с премией у нас появился хороший повод проследить за увлекательной историей идей, лежащих в основе поисков бозона Хиггса, а также за подготовкой к поискам и самими поисками. Цель этой главы – не пересказать историю в деталях и затем вынести суждение о том, кто заслуживает премии, а кто – нет. Как раз наоборот: глядя на то, как долго идеи механизма Хиггса формулировались, читатель поймет, что эта, как и любая другая значимая научная теория, прежде чем приобрести законченный вид, прошла много важных этапов. Попытка провести четкую границу между тремя (или меньшим количеством) учеными, которые заслуживают премии, и многими другими, которые ее не заслуживают, обязательно вносит искажения в реальную картину, хотя и снабжает СМИ сенсационными сюжетами.

В этой главе мы попытаемся изложить правдивую историю, но, поскольку, как известно, дьявол прячется в деталях, такой краткий обзор обязательно будет неполным. По сей причине в этой главе будет несколько больше технических подробностей, чем в других главах книги. Вы вольны не читать их, хотя тогда вы рискуете упустить кусочек увлекательной физики и пару страниц потрясающей человеческой драмы.

Сверхпроводимость

В восьмой главе мы исследовали глубинную связь между симметрией и силами природы. Если у нас есть «локальная» или «калибровочная» симметрия, то есть та, которая работает независимо в каждой точке пространства, она обязательно сопровождается связывающим полем, а оно уже порождает силы. Было понятно, что так устроены гравитация и электромагнетизм, а в 1950-х годах Янг и Миллс придумали, как распространить эту идею на другие силы природы. Однако есть проблема, которую так упорно педалировал Вольфганг Паули: симметрии, порождающие определенные взаимодействия, всегда приводят к появлению безмассовых бозонов. В этом, в частности, проявляется власть симметрий: они диктуют строгие ограничения на свойства, которыми могут обладать частицы. Например, симметрия, лежащая в основе электромагнетизма, приводит к строгому сохранению электрического заряда при взаимодействиях.

Но действие сил, переносчиками которых являются безмассовые частицы, должно распространяться, как все считали в то время, на бесконечные расстояния, и их поэтому можно очень легко обнаружить. С гравитацией и электромагнетизмом все так и есть, а вот ядерные силы совершенно иные. Теперь мы поняли, что сильные и слабые взаимодействия – это тоже силы янгмиллсовского типа, просто соответствующие безмассовые частицы по разным причинам спрятаны от нас. В сильных взаимодействиях такие безмассовые частицы – глюоны, но они заперты внутри адронов, а в слабых взаимодействиях безмассовые W– и Z-бозоны становятся массивными из-за спонтанного нарушения симметрии.

Еще в 1949 году американский физик Джулиан Швингер выдвинул идею о том, что силы, порожденные симметрией, всегда будут переноситься безмассовыми частицами, но, продолжив заниматься этой проблемой, он в 1961 году понял, что его аргументы были небезупречны – в них была лазейка, которая позволяла калибровочным бозонам обзавестись массой. Он не был уверен, что это может на самом деле произойти, но написал статью и указал на свою предыдущую ошибку. Швингеру был свойственен элегантный и точный стиль, который проявлялся не только в манере держаться, но и в его научных работах. В этом смысле он был противоположностью Ричарду Фейнману, с которым он и Син-Итиро Томонага разделили Нобелевскую премию в 1965 году. Фейнман отличался некоторой экстравагантностью поведения и глубоко интуитивным подходом к физике, а Швингер был всегда педантичен и точен. Поэтому когда он написал статью, указав на слабое место в известной и принятой всеми теории, физическая общественность восприняла это очень серьезно.

Но один вопрос остался: что может заставить бозоны-переносчики взаимодействий обзавестись массой? Ответ пришел с несколько неожиданной стороны – не из физики элементарных частиц, а из физики конденсированных сред, занимающейся изучением материалов и их свойств. Идеи были позаимствованы по большей части из теории сверхпроводников – материалов, из которых, к слову, изготовлены гигантские магниты на БАКе.

Электрический ток представляет собой поток электронов через вещество. В обычном проводнике электроны натыкаются на атомы и другие электроны, что приводит к сопротивлению их потоку. А сверхпроводники – такие материалы, в которых, если температура достаточно низка, ток может протекать беспрепятственно. Первая обоснованная теория сверхпроводников была построена советскими физиками Виталием Гинзбургом и Львом Ландау в 1950 году. Они предположили, что сверхпроводник пронизывает особый вид поля, наделяющего массой обычно безмассовый фотон. Они, возможно, и не имели в виду новое фундаментальное поле, но сделали предположение о коллективном движении электронов, атомов и электромагнитных полей – вроде того, как звуковая волна – не колебание фундаментального поля, а коллективное движение атомов воздуха, сталкивающихся друг с другом.

Хотя Ландау и Гинзбург предположили, что за сверхпроводимость отвечало своего рода поле, они не уточнили, что это было за поле. Этот шаг сделали американские физики Джеймс Бардин, Леон Купер и Роберт Шриффер, которые в 1957 году построили теорию сверхпроводимости – то, что называется сегодня теорией «БКШ». Теория БКШ является одной из важнейших в физике XX века и, конечно, заслуживает отдельной книги (но моя книга про другое).

В теории БКШ за основу взята идея Купера о том, что частицы могут при очень низких температурах объединяться в пары. Именно эти «куперовские пары» формируют таинственное поле, которое ввели Ландау и Гинзбургом. В то время как один электрон будет постоянно наталкиваться на атомы вокруг него, в результате чего возникнет сопротивление, в куперовской паре электроны существуют таким образом, что когда что-то отталкивает один электрон пары, другой электрон испытывает равное и противоположное притяжение (и наоборот). В результате пары электронов проскальзывают через сверхпроводник беспрепятственно.

Это прямо связано с тем, что эффективная масса фотонов внутри сверхпроводника ненулевая. Когда частицы безмассовы, их энергия прямо пропорциональна их скорости и может варьироваться от нуля до любой величины, какую вы себе только можете представить. Массивные же частицы, напротив, имеют минимальную энергию – энергию покоя, определяемую выражением E = mc². При перемещении электронов в обычном проводнике они толкаются атомами и другими электронами, их электрическое поле мягко встряхивается, при этом создаются очень низкоэнергетические фотоны, которые вы вряд ли когда-нибудь заметите. Именно постоянное излучение фотонов заставляет электроны терять энергию и замедляться, что ведет к уменьшению тока. А в теориях Ландау-Гинзбурга или БКШ фотоны получают массу, и поэтому существует определенная минимальная энергия, необходимая для их создания. Электроны, которые не имеют такого минимального количества энергии, не могут создать какие-либо фотоны и поэтому не могут терять энергию: куперовские пары проходят через вещество с нулевым сопротивлением.

Электроны, конечно, являются фермионами, а не бозонами. Но когда они собираются вместе и создают куперовские пары, они превращаются в бозоны. Мы определили бозоны как переносчиков силовых полей, которые могут скапливаться в одном месте, что отличает их от фермионов – переносчиков полей вещества, требующих места в пространстве. Как мы обсудим в Приложении 1, поля имеют свойство под названием «спин», что также отличает бозонные поля от фермионных. Все бозоны имеют спины, которые являются целыми числами: 0, 1, 2… Фермионы же имеют полуцелые спины: 1/2, 3/2, 5/2… Электрон – фермион со спином 1/2. Когда частицы собираются вместе, их спины могут складываться или вычитаться, так что пара двух электронов может иметь спин 0 или 1 – как раз столько, сколько нужно, чтобы создать бозоны.

Это очень грубое изложение теорий Ландау-Гинзбурга и БКШ, на самом деле в них много тонкостей, в теориях появляется множество разных частиц, взаимодействующих друг с другом и согласованно движущихся по правилам квантовой механики. Для наших теперешних целей ключевой момент состоит в том, что бозонное поле, заполняющее пространство, может дать массу фотонам.

Спонтанное нарушение симметрии

Это последнее утверждение уже очень похоже на идею Хиггса. Но остается вопрос: как можно соединить идею о том, что фотоны внутри сверхпроводника имеют массу, с тем, что в основной симметрии электромагнетизма у фотона массы нет?

Эта проблема была решена несколькими людьми, в том числе американцем Филиппом Андерсоном, русским Николаем Боголюбовым и японцем Йочиро Намбу. Ключевым оказалось то, что симметрия действительно есть, но она скрыта полем, принимающим в сверхпроводнике ненулевое значение. Для этого явления используется жаргонное выражение «спонтанное нарушение симметрии»: симметрия присутствует в основных уравнениях, но частное решение этих уравнений, которое как раз нас и интересует, выглядит не очень симметричным.

Йоширо Намбу, несмотря на то что он получил Нобелевскую премию в 2008 году и за многие годы собрал множество других наград, известен в основном только среди физиков. Это несправедливо, поскольку он сделал для науки не меньше, чем его более известные коллеги. Он не только одним из первых понял, что такое спонтанное нарушение симметрии в физике элементарных частиц, он еще и первым предложил различать кварки по цвету, выдвинул идею существования глюонов и придумал, что некоторые свойства частиц можно объяснить, представив их в виде крошечных струн, и таким образом заложил основы теории струн. Физики-теоретики восхищаются идеями Намбу, но сам он не любит оказываться в центре внимания.

В течение нескольких лет я был преподавателем в Университете Чикаго и занимал офис, расположенный через холл от офиса Намбу. Мы не слишком часто разговаривали, но когда встречались, он был неизменно приветлив и вежлив. Мое самое продолжительное общение с ним состоялось, когда он однажды постучал в мою дверь и попросил помочь разобраться с электронной почтой на компьютерах отдела теории групп, которые взяли за правило выключаться на непредсказуемое время. Я не сильно ему помог, но он отнесся к этому философски. Питер Фройнд – еще один теоретик из Чикаго – считает Намбу настоящим волшебником: «В какой-то момент он вытягивает целую кучу кроликов из шляпы и высаживает их в определенном порядке, но прежде чем вы поймете, что происходит, кролики уже сидят совершенно в другом порядке и – о Боже, это невозможно – они покачиваются на своих пушистых хвостиках!». Его необыкновенная учтивость, однако, помешала ему, когда ему пришлось короткое время выполнять функции заведующего кафедрой: он с трудом мог заставить себя сказать твердое «нет» в ответ на любую просьбу и выражал свое несогласие, делая паузу, прежде чем сказать «да». Когда коллеги поняли, что ни одна из их просьб фактически не была удовлетворена, они слегка ужаснулись.

После того как была построена теория БКШ, Намбу решил проанализировать явление сверхпроводимости с точки зрения физики элементарных частиц. Он понял ключевую роль спонтанного нарушения симметрии и задумался о его роли в других явлениях. Вот одна из прорывных идей Намбу: он показал (частично в сотрудничестве с итальянским физиком Джованни Йона-Лазинио), что спонтанное нарушение симметрии может произойти не только внутри сверхпроводника, а даже в пустом пространстве, если там есть некоторое поле с ненулевым значением. Это уже было предвестником поля Хиггса. Интересно, что эта теория также предсказала, что переносчики фермионного поля поначалу существуют без массы, но приобретают ее в процессе нарушения симметрии.

Вот что случается при спонтанном нарушении глобальной симметрии. До нарушения симметрии имеется определенное число N скалярных бозонов с одинаковыми массами. После того как симметрия нарушена, все, кроме одного, становятся безмассовыми бозонами Голдстоуна-Намбу. Один оставшийся бозон имеет массу.

Какой бы блестящей идея Намбу о спонтанном нарушении симметрии ни была, одно ее следствие оказалось странным. Она предсказала новую частицу – безмассовый бозон – как раз такой, которого физики пытались избежать, поскольку они знали, что в ядерных взаимодействиях нет никаких безмассовых бозонов. Эти бозоны не были калибровочными, так как Намбу рассматривал спонтанное нарушение глобальной симметрии, а не локальной, это были безмассовые частицы нового типа. Вскоре после этого шотландский физик Джеффри Голдстоун показал, что эти новые частицы – не простое недоразумение: спонтанное нарушение глобальной симметрии обязательно приводит к появлению безмассовых частиц, которые теперь называются «бозонами Намбу-Голдстоуна». Позже пакистанский физик Абдус Салам и американский физик Стивен Вайнберг в сотрудничестве с Голдстоуном развили эту идею и превратили ее в строго доказанную теорему – она теперь называется «Теорема Голдстоуна».

Один из вопросов, который необходимо решить любой теории с нарушением симметрии, звучит так: какое именно поле нарушает симметрию? В сверхпроводнике его роль играет поле куперовских пар – объединенных состояний электронов. В модели Намбу-Йона-Лазинио аналогичный эффект возникает при образовании составных нуклонов. Начиная с работы Голдстоуна 1961 года физики привыкли, что нужно просто постулировать существование новых фундаментальных бозонных полей, чья функция состоит в том, чтобы сломать симметрию, приняв ненулевое значение в пустом пространстве. Эти поля называются «скалярными», и это название говорит о том, что у них нет собственного спина. Переносчики калибровочных полей, хотя они также бозоны, имеют спин, равный единице (за исключением гравитонов, спин которых равен 2).

Если симметрия не нарушена, все поля в модели Голд-стоуна, согласно требованиям симметрии, будут вести себя в точности так же, как поля массивных скалярных бозонов. Когда симметрия нарушается, поля становятся разными. В случае глобальной симметрии (одна трансформация во всем пространстве), которую и рассматривал Голд-стоун, одно поле остается массовым, в то время как другие становятся безмассовыми бозонными полями Намбу-Голдстоуна. Это и есть теорема Голдстоуна.

Объединение

Это было плохой новостью. Казалось, что, даже если вы применяете теории БКШ и Намбу и используете спонтанное нарушение симметрии как способ дать массу гипотетическим бозонам Янга-Миллса (переносчикам ядерных сил), сама ваша методика порождает другой вид безмассовых бозонов, а их в экспериментах не находили.

К счастью, решение этой загадки нашлось почти одновременно с ее появлением. По крайней мере, оно было известно Филу Андерсону из Bell Labs, и он очень постарался сделать так, чтобы о нем стало известно всему миру. Андерсон, получивший Нобелевскую премию в 1977 году, считался одним из лучших в мире специалистов в области конденсированных сред. Он стал интеллектуальным гуру в этой области, а его знаменитая статья 1972 года под названием «Много – совсем не то что одна», помогла всем понять, что изучение коллективного поведения многих частиц не менее интересно и важно, чем изучение базовых законов поведения отдельных частиц. В отличие от сдержанного Намбу Андерсон всегда был готов высказать свое мнение и часто делал это в провокативной форме: подзаголовок сборника его эссе – «Записки размышляющего ворчуна», а на задней странице обложки его биографии нам сообщается, что «несколько раз он принимал участие в научных спорах на горячие темы, в которых его точка зрения, хотя и непопулярная в то время, в конце концов чаще всего оказалась верной».

Безусловно, Намбу был вдохновлен идеями теории БКШ, но модель, которую он и Йона-Лазинио предложили, касалась спонтанного нарушения в пустом пространстве глобальной, а не локальной (калибровочной) симметрии. Но именно локальная симметрия приводит к появлению калибровочных полей и, следовательно, сил природы. Глобальные симметрии могут помочь нам понять наличие или отсутствие различных взаимодействий, но они не приводят к появлению новых сил.

Андерсон не был специалистом в области элементарных частиц, но он понимал основные идеи, лежащие в основе теории бозонов Намбу-Голдстоуна. К тому же они сыграли важную (возможно, косвенную) роль в его работе по теории БКШ в 1958 году. Он еще в 1952 году понял важные последствия нарушения симметрии и сейчас считает этот результат своим самым большим вкладом в физику. Андерсон также не верил, что спонтанное нарушение симметрии всегда связано с безмассовыми частицами, поскольку оно пришло из модели БКШ, а в этой модели никаких безмассовых частиц не было.

В 1962 году Андерсон написал статью (опубликованную в 1963 году), получив годом ранее одобрение Швингера, в которой пытался объяснить физикам элементарных частиц, как избежать опасности появления в их теории безмассовых частиц. Решение было весьма элегантное: безмассовая частицы – переносчик взаимодействий, с которых вы начинаете при ненарушенной симметрии, и безмассовый бозон Намбу-Голдстоуна, образовавшиеся в результате спонтанного нарушения симметрии, объединяются в одну массовую частицу – переносчик взаимодействия. Образно говоря, «два минуса дают плюс».

Андерсон сформулировал это вполне четко: «Учитывая сверхпроводящий аналог, вполне вероятно, что теперь открывается путь для написания теории вырожденного вакуума типа теории Намбу, поскольку ликвидируются трудности, связанные и с нулевой массой калибровочных бозонов Янга-Миллса и с нулевой массой голдстоуновских бозонов. Похоже, эти два типа бозонов способны «слиться друг с другом», в результате чего останутся только бозоны с конечными массами».

Однако физики элементарных частиц не услышали послание, несмотря на опубликование этих результатов, или же услышали, но не поверили. Идеи Андерсона касались общих свойств полей при спонтанном нарушении калибровочной симметрии. Но Андерсон не построил точную модель фундаментального поля, которое и нарушает симметрию. Он показал, что следствий теоремы Голдстоуна можно избежать, но не объяснил, в каких именно случаях условия теоремы не соблюдаются.

В конденсированных средах легко измерить скорость по отношению к веществу, в котором эта скорость измеряется. В пустом же пространстве нет выделенной системы отсчета, и теория относительности утверждает, что все скорости равноправны. В доказательстве теоремы Голдстоуна теория относительности сыграла решающую роль. Для многих физиков частиц тот факт, что теорема Голдстоуна строго доказана, оказался важнее, чем примеры Андерсона, демонстрирующие нарушение теоремы, и они обратились к теории относительности, чтобы с ее помощью попытаться устранить противоречия. В 1963 физик из Гарварда Уолтер Гилберт написал статью, в которой точно сформулировал этот аргумент. (Гилберт в то время собирался бросить физику элементарных частиц и переключиться на биологию. Смена рода деятельности не обязательно свидетельствует об отсутствии таланта, и в 1980 году он получил Нобелевскую премию по химии за работу по нуклеотидам.) Абрахам Клейн и Бенджамин Ли в 1964 году опубликовали статью, в которой приведены условия для нерелятивистского случая, при которых теорема Голдстоуна не выполняется, и предположили, что аналогичные рассуждения можно применить и к релятивистскому случаю, но их аргументы не посчитали убедительными.

Сам Андерсон был слишком осторожен, а потому даже не заикался о спонтанном нарушении симметрии в пустом пространстве, и у него для этого были вполне веские причины, которые не дают нам покоя и по сей день. Если у вас есть поле с ненулевым значением в пустом пространстве, оно должно обладать энергией. Она может быть положительной или отрицательной, но у нее нет никаких особых причин быть нулевой. Эйнштейн давно приучил нас к тому, что энергия пустого пространства – энергия вакуума – оказывает важное влияние на гравитацию, ускоряя или замедляя расширение Вселенной (в зависимости от того, энергия положительна или отрицательна). Простые прикидки показывают, что энергия, о которой мы говорим, столь велика, что мы давно бы заметили ее – или, вернее, ее некому было бы заметить, поскольку Вселенная бы разорвалась или сколлапсировала сразу после Большого взрыва. Мы говорим о так называемой «проблеме космологической постоянной», которая остается одной из наиболее актуальных проблем в области теоретической физики. Сейчас считается, что скорее всего существует некая положительная энергия пустого пространства – «темная энергия» – которая заставляет Вселенную ускоренно расширяться, и за этот результат в 2011 году была присуждена Нобелевская премия по физике. Но количество этой темной энергии намного меньше, чем предсказывает теория, так что загадка остается.

1964 год. Энглер и Браут

Каждый физик, если ему достался такой драгоценный товар, как «хорошая идея», живет в страхе, что ее кто-то украдет и опубликует прежде, чем он сделает это сам. Учитывая количество идей, можно было бы ожидать, что такое случается редко. Но идеи не появляются внезапно – все ученые встроены в коммуникативную структуру, которую составляют научные доклады, статьи и неформальные беседы, и очень часто случается, что два или несколько человек, никогда прежде не встречавшихся друг с другом, размышляют об одних и тех же проблемах. (Вот и в XVII веке Исаак Ньютон и Готфрид Лейбниц сумели изобрести интегральное исчисление совершенно независимо друг от друга.)

В 1964 году – том же году, когда «битлы» покорили Америку – три независимые группы физиков выдвинули очень похожие идеи того, что спонтанное нарушение локальной симметрии не приводит к появлению безмассовых бозонов, а только бозонов, у которых есть масса и которые, следовательно, являются переносчиками короткодействующих взаимодействий. Первой появилась статья Франсуа Энглера и Роберта Браута из Брюссельского свободного университета Бельгии. Затем появились одна за другой две статьи Питера Хиггса из Эдинбурга – столицы Шотландии. А потом американцы Карл Ричард Хаген и Джеральд Гуральник (бывший аспирантом Уолтера Гилберта) в соавторстве с англичанином Томом Кибблом тоже написали статью. Все три группы работали независимо, и все они заслуживают того, чтобы их признали соавторами теории, которую мы сейчас называем «механизмом Хиггса». Заметим, что вклад каждого из них продолжает обсуждаться.

Статья Энглера и Браута была короткой и касалась только существа вопроса. Энглер и Браут познакомились в 1959 году, когда Энглер приехал к Корнелл в качестве постдока к Брауту. В первый же день, когда они встретились и зашли выпить по кружке пива, затем по второй, затем еще по одной, они сразу понравились друг другу. Когда Энглер в 1961 году вернулся в Бельгию, чтобы занять преподавательскую должность в университете Брюсселя, Браут с женой сначала побывали у него в гостях, им там понравилось, и потом они решили переехать в Брюссель насовсем. Браут и Энглер оставались близкими друзьями и соратниками вплоть до кончины Браута в 2011 году.

В своей знаменитой статье они рассмотрели два вида полей: калибровочное поле, носителем которого является калибровочный бозон, и набор из двух нарушающих симметрию скалярных полей, которые в пустом пространстве принимают ненулевое значение. Похожая постановка содержалась и в работе Голдстоуна по нарушению глобальной симметрии, но с добавлением калибровочного поля, необходимого для локальной симметрии. В статье авторы не уделили большого внимания свойствам скалярных полей, сфокусировавшись вместо этого на том, что происходит с калибровочным полем. Используя диаграммы Фейнмана, они показали, что калибровочные бозоны получают массу, не нарушая основной симметрии, – в полном соответствии с требованиями теории относительности и вопреки опасениям Гилберта. Всю эту теорию они построили, видимо, ничего не зная о статье Андерсона, опубликованной годом раньше.

1964 год. Хиггс

В 1960 году Питер Хиггс вернулся в родную Шотландию после получения докторской степени в Университетском колледже в Лондоне и занял место преподавателя в университете Эдинбурга. Он знал о работе Андерсона и заинтересовался вопросом о том, как в релятивистской теории можно избежать выполнения условий теоремы Голдстоуна. В июне 1964 года Хиггс открыл последний выпуск главного в США физического журнала Physical Review Letters и наткнулся на статью Гилберта. Позднее он вспоминал: «В первую минуту мне захотелось сказать, что все это ерунда, поскольку автор, казалось, опровергал теорию Намбу». Но тут Хиггс вспомнил, что Швингер нашел лазейку в существующих представлениях о том, что калибровочные бозоны должны быть безмассовыми из соображений симметрии, и подумал, что, может, удастся расширить лазейку на случай спонтанно нарушенных симметрий. Понимая, что это важный вопрос, Хиггс быстро написал короткую статью, которая была опубликована в Physics Letters – европейском аналоге Physical Review Letters. В ней впервые было явно показано, что условия теоремы Голдстоуна могут не выполняться в случае калибровочной симметрии, даже когда теория относительности играет важную роль.

Чего в той первой статье Хиггса не было, так это конкретной модели, в которой безмассовым бозонам фактически не было места. Но уже во второй своей работе он именно это и сделал: он исследовал поведение пары нарушающих симметрию скалярных полей голдстоуновского типа, взаимодействующих с калибровочным полем – источником силы, и показал, что калибровочное поле съедает бозон Намбу-Голдстоуна, рождая один массивный калибровочный бозон. Он послал эту вторую статью снова в Physics Letters – и там ее сразу отклонили. Это удивило Хиггса – он не мог понять, почему журнал публикует статью, в которой говорится о «возможности рождения массивных калибровочных бозонов», но отказывается публиковать статью, посвященную «реальной модели массивных калибровочных бозонов». Но Хиггс не сдался. Он добавил пару абзацев, разъясняющих физические следствия предложенной модели, и послал статью в американский журнал Physical Review Letters, где она и была принята. Референтом был Намбу, о чем Хиггс узнал позже, и именно он, Намбу, предложил Хиггсу добавить ссылку на только что вышедшую статью Энглера и Браута.

В той паре абзацев, которые Хиггс написал в дополнение к своей статье, содержалось замечание о том, что его модель не только делает калибровочные бозоны массивными, но также предсказывает существование массивного скалярного бозона. Это было первое точное упоминание об известном теперь и любимом нами «бозоне Хиггса». Вспомним, что модель Голдстоуна нарушения глобальной симметрии предсказала не только ряд безмассовых бозонов Намбу-Голдстоуна, но и один массивный скалярный бозон. В случае локальной симметрии предполагаемые безмассовые скалярные бозоны съедаются калибровочными полями, которые становятся массивными. Но массивный скалярный бозон и соответствующее поле из теории Голд-стоуна по-прежнему остаются в теории Хиггса. Энглер и Браут не обсуждали эту частицу, хотя в ретроспективе мы видим, что она неявно присутствует в их уравнениях (как и в работе Андерсона).

Забегая немного вперед, скажем, что при реальном применении механизма Хиггса в Стандартной модели, прежде чем симметрия нарушится, существует четыре скалярных бозона и три безмассовых калибровочных бозона. Когда симметрия нарушается, три из четырех скалярных бозонов поедаются калибровочными бозонами. Таким образом у нас остается три массивных калибровочных бозона – два W-бозона, один Z-бозон и один массивный скалярный бозон – бозон Хиггса. Еще один калибровочный бозон – безмассовый в начале – таким же и остается. Это фотон. (Фотон на самом деле – смесь из нескольких калибровочных бозонов, но это уже слишком сложно объяснить.) В каком-то смысле мы уже обнаружили три четверти бозонов Хиггса в 1980-е годы, когда нашли массивные W– и Z-бозоны.

Вот что случается при спонтанном нарушении локальной (калибровочной) симметрии, и это кардинально отличается от разобранного ранее случая нарушения глобальной симметрии. Теперь в симметричной ситуации есть безмассовые калибровочные бозоны и массивные скалярные бозоны. Те бозоны, которые были бы безмассовыми при нарушении глобальной симметрии, съедаются калибровочными бозонами, которые становятся массивными. Остается один массивный скалярный бозон – это бозон Хиггса.

Можно спорить о том, кто – Андерсон, Энглер с Браутом или Хиггс – первым предложил механизм Хиггса, с помощью которого калибровочные бозоны становятся массивными, но сам Хиггс точно имеет право претендовать на первенство в упоминании о бозоне Хиггса – частицы, которую мы в настоящее время сделали символом нашего понимания того как работает природа. В следующей своей статье в 1966 году Хиггс обсудил свойства этого бозона более подробно. Но кто знает – возможно, если бы его предыдущая статья не была сначала отклонена журналом Physics Letters, он бы никогда вообще не обратил внимания на этот бозон.

Хиггс хорошо знал о работе Андерсона с 1963 года. Он стремился отдать должное Андерсону, но утверждал, что тот остановился на полдороге: «Андерсон должен был сделать две основные вещи, но он их не сделал, зато сделал я. Он должен был показать прореху в условиях теоремы Голд-стоуна и предложить простую релятивистскую модель, которая бы показывала, как это работает. Тем не менее всякий раз, когда я читаю лекцию о так называемом механизме Хиггса, я начинаю с Андерсона, который на самом деле сделал все правильно, но его никто не понял».

1964 год. Гуральник, Хаген и Киббл

Гуральник, Хаген и Киббл (ГХК) завершили свою собственную статью вскоре после того, как были опубликованы статьи Энглера с Браутом и Хиггса. Статья ГХК выросла из давних дискуссий Гуральника с Хагеном еще тех времен, когда они оба были студентами в Массачусетском технологическом институте. Они написали свою первую совместную статью после того, как Хаген остался в аспирантуре в Массачусетском технологическом институте, а Гуральник переехал чуть вверх по реке – в Гарвард. Эти обсуждения возобновились после того, как Гуральник уехал в постдокторантуру в Имперский колледж в Лондон, где преподавал Абдус Салам, и, естественно, спонтанное нарушение симметрии там горячо обсуждалось. Киббл тоже преподавал в этом колледже, и они с Гуральником часто размышляли вместе, как обойти теорему Голдстоуна. Визит Хагена в Лондон побудил троицу изложить свои результаты в статье.

В октябре 1964 года, как вспоминали участники этой истории, «буквально в тот самый момент, когда Хаген и Гуральник запечатывали конверт с рукописью для отправки в Physical Review Letters, в офис вошел Киббл, держа в руке две статьи Хиггса и одну Энглера и Браута». Энглер и Браут представили статью 26 июня 1964 года, и она была опубликована в августе, две работы Хиггса были представлены 27 июля и 31 августа и вышли в сентябре и октябре соответственно, а статья ГХК была послана 12 октября и появилась в ноябре. В первый момент им не пришло в голову, что их «обошли» в открытии, хотя они поняли, что эти работы, о которых они до тех пор не подозревали, затрагивали похожую тему. ГХК рассудили, что Энглер с Браутом и Хиггс успешно решили вопрос о том, как калибровочные бозоны могли бы получить массу при спонтанном нарушении симметрии, но обошли вопрос о том, что в условиях теоремы Голдстоуна неправильно, а это было центральным пунктом обсуждения в статье англо-американского триумвирата. Они чувствовали, что рассуждения Энглера и Браута по поводу того, что случается с различными колеблющимися полями, были несколько туманными, а статьи Хиггса имели тот недостаток, что были написаны не на языке квантовой механики.

И тогда ГХК вынули свою статью из конверта и добавили ссылку на эти работы: «Предмет нашего рассмотрения – теория, которая была частично сформулирована Энглером и Браутом и имеет некоторое сходство с теорией Хиггса». Поскольку почти одновременное рождение идей – не слишком редкое явление, в физической литературе принята следующая процедура: если какая-то статья выходит до того, как ваша собственная окончательно написана, вы пишете в примечании со ссылкой на нее объяснение типа «в то самое время, когда данная работа была почти закончена, мы получили статью похожего содержания…». ГХК не сделали этого явно, но никто не сомневается, что их работа была практически завершена до того, как они что-либо услышали о работах конкурентов. Эти работы достаточно разные, и работа ГХК появилась через такое короткое время после выхода первых статей, что не было никаких оснований заподозрить, что авторы основывались на работах Энглерта, Браута и Хиггса.

Гуральник, Хаген и Киббл провели тщательный квантовомеханический анализ проблемы спонтанного нарушения калибровочной симметрии. Они сосредоточились на том, как обойти условия теоремы Голдстоуна, и очень досконально изучили этот вопрос. Они, однако, не совсем верно ввели бозон Хиггса. В то время как реальный бозон Хиггса должен быть массивным, ГХК искусственно положили его массу равной нулю. В отношении этой частицы они выразились недвусмысленно: «Нетрудно заметить, что в нашей теории есть безмассовая частица, однако она совершенно не взаимодействует с другими (массивными) возбуждениями и не имеет ничего общего с голдстоуновскими бозонами». Эти утверждения верны в модели, которую они рассматривали, но только потому, что они положили взаимодействие и массу бозона Хиггса равными нулю, а в реальном мире, как мы считаем, он имеет массу и взаимодействует с другими частицами.

Была еще одна команда, двигавшаяся в том же направлении, хотя и с некоторым запозданием (всего на несколько месяцев). В то время общение между учеными Советского Союза и стран Запада было затруднено из-за многочисленных политических и бюрократических барьеров. В 1965 году, когда в Москве физики Александр Мигдал и Александр Поляков, которым тогда было по девятнадцать лет, занялись вопросами спонтанного нарушения симметрии в калибровочных теориях, они ничего не знали о работах их зарубежных коллег, вышедших в 1964 году. Статья советских физиков получила отрицательные отзывы рецензентов и не была напечатана до 1966 года.

Несмотря на всю эту кипучую деятельность нескольких групп, многие ученые были настроены скептически в отношении того, что в локальных симметриях удастся избежать безмассовых частиц. Хиггс рассказывал историю про то, как он давал семинар в Гарварде, и теоретик Сидни Коулман подзуживал своих учеников «порвать этого трюкача, который думает, что может перехитрить Голдстоуна с его теоремой». (Я могу ручаться за достоверность этой истории, так как много лет спустя Коулман на лекции по квантовой теории поля нам сам ее рассказывал.) Но у Энглера, Браута, Хиггса, Гуральника, Хагена и Киббла был важный козырь – они оказались правы. И очень скоро их идеи пригодились. Случилось это тогда, когда было сделано одно из триумфальных открытий, определивших структуру Стандартной модели.

Слабые взаимодействия

Все эти обсуждения различных видов спонтанного нарушения симметрии затрагивали основные вопросы квантовой теории поля: при каких обстоятельствах оно может произойти и что может при этом случиться? Предстояло увидеть, имеют ли явления, описанные в теории, отношение к реальному миру. И вот прошло совсем немного времени, и они были востребованы при анализе слабых взаимодействий.

Первая перспективная теория слабых взаимодействий была предложена Энрико Ферми в 1934 году. Ферми воспользовался идеей нейтрино, незадолго до этого выдвинутой Вольфгангом Паули для построения модели нейтронного распада, протекающего – как теперь мы бы сказали – по каналам слабых взаимодействий. Как мы увидели в главе 7, расчет Ферми, кроме того, был одним из первых успешных расчетов в рамках квантовой теории поля.

Теория Ферми хорошо описывает данные, но только если не требовать от нее слишком многого. Многие расчеты в квантовой теории поля строятся по такой схеме: сначала находится приблизительный ответ, а затем постепенно включаются вклады от более сложных диаграмм Фейнмана, и ответ шаг за шагом уточняется. В теории Ферми начальное приближение дает очень хороший ответ, но следующая аппроксимация (которая должна быть небольшой поправкой) оказывается бесконечной. Эта неприятность называется проблемой расходимости, тут сидит большая проблема, которая будет довлеть над физикой элементарных частиц на протяжении всего XX века. Бесконечность, конечно, не может быть правильным ответом, поэтому она служит указанием на то, что ваша теория где-то не верна. Теория должна соответствовать экспериментальным данным, но она также должна быть правильной и в математическом смысле.

Проблема расходимости возникает не только в слабых взаимодействиях, от нее пострадал и электромагнетизм – по идее одна из самых простых и легких для понимания квантовых теорий поля из всех существующих на данный момент. Оказывается, однако, что бесконечности можно приручать. Подобная процедура называется «перенормировкой», и за ее изобретение Фейнман, Швингер и Томонага получили Нобелевскую премию.

Некоторые теории поля перенормируемы (и для них есть четко определенные математические методики получения конечных ответов), а некоторые – нет. В современной квантовой теории поля даже если теория не перенормируема, мы не отбрасываем ее. Мы просто считаем, что это приближение справедливо в лучшем случае только при очень низких энергиях, а при более высоких энергиях для устранения бесконечности нужно найти какие-то новые физические законы. В течение долгого времени, однако, неперенормируемость воспринималась как указание на то, что теория просто неправильна. Теория слабых взаимодействий Ферми оказалась неперенормируемой – как только мы пытаемся выжать из нее слишком много, она дает бесконечный ответ, и нет никакого способа избавиться от этого, кроме как придумать лучшую теорию.

Джулиан Швингер, который заинтересовался идеей Янга-Миллса о том, что более сложные симметрии могут приводить к появлению калибровочных полей, порождающих силы природы, попытался применить эту идею к слабым взаимодействиям. Конечно, тут же возникла большая проблема: бозоны Янга-Миллса не имеют массы, а это подразумевает силу, действующую на больших расстояниях, в то время как слабое взаимодействие явно ограничено очень малыми расстояниями. Швингер просто отложил эту проблему на время в сторону, начал с модели Янга-Миллса и в ней искусственно положил массу двух бозонов – переносчиков сил – ненулевой. Это было первое упоминание бозонов, которые мы теперь называем W+– и W−-бозонами. (По крайней мере, одно из первых. По словам Леона Ледермана, «в более поздних версиях теории Ферми, в первую очередь у Швингера, были введены тяжелые W+– и W−-бозоны в качестве носителей слабого взаимодействия. Похожую идею использовали и некоторые другие теоретики. Попробую перечислить: Ли, Янг, Гелл-Манн… Я не люблю хвалить конкретных теоретиков, поскольку 99 % остальных расстроятся».)

Бозоны Янга-Миллса были безмассовыми в первую очередь из-за симметрии, на которой строилась теория. Когда Швингер наделил бозоны массой, это означало, что симметрия нарушилась, но в данном случае это было явное (или жесткое) нарушение, а не «спонтанное», при котором симметрия скрыта неким полем, имевшим отличное от нуля значение в пустом пространстве (и к тому времени еще не открытое). В теории Швингера симметрия нарушалась не из-за поля, а потому что он ей так велел. Как вы можете догадаться, это искусственное предположение уменьшало доверие к модели. Прежде всего, перенормируемость электромагнетизма в решающей степени зависит от симметрии, лежащей в основе теории, и пренебрежение этой симметрией делает модель Швингера неперенормируемой. В конце концов, но много лет спустя, стало ясно, что теория массивных калибровочных бозонов станет перенормируемой тогда и если их массы приобретаются в результате спонтанного нарушения симметрии.

Пример изменения представлений о распаде нейтрона. В теории Ферми нейтрон распадается непосредственно на протон, электрон и антинейтрино. Швингер предположил, что нейтрон испускает заряженный W-бозон, который затем распадается на электрон и антинейтрино. Он был прав, но сейчас мы знаем, что нейтрон состоит из трех кварков, один из которых меняет вид с нижнего на верхний, испуская при этом W-бозон.

Тем не менее Швингер продолжал искать способы обойти эти трудности, и не только из упрямства. Одно из свойств гения в том, что он чувствует, какие идеи стоит развивать, даже если они не во всех отношениях соответствуют действительности. Важным следствием модели Швингера было то, что она предсказала три калибровочных бозона: два заряженных массивных W-бозона, и один нейтральный калибровочный бозон, которому было разрешено остаться без массы. Все мы, конечно, отлично знакомы с нейтральным безмассовым калибровочным бозоном: это фотон. Швингер был воодушевлен тем, что его подход дал надежду объединить электромагнетизм со слабыми взаимодействиями, что явилось бы важным шагом вперед в физике. Это, наверное, и давало ему силы и дальше совершенствовать свою модель, несмотря на кучу проблем.

Однако довольно скоро он бросил заниматься своей моделью. Статья Швингера была опубликована в 1957 году, и в том же году обнаружилось, что слабые взаимодействия нарушают четность. Вспомним, как в главе 8 мы говорили (и еще скажем в Приложении 1), что частицы являются либо левшами, либо правшами в зависимости от того, в каком направлении они вращаются. Нарушение четности подразумевает, что слабые силы воздействуют только на частицы-левши. Можно придумать симметрии Янга-Миллса, в которых задействованы лишь вращающиеся против часовой стрелки частицы, но мы знаем, что электромагнитные взаимодействия не нарушают четности – они обращаются и с левшами и с правшами одинаково. Это открытие, казалось, поставило крест на надежде Швингера объединить слабые и электромагнитные взаимодействия.

Электрослабое объединение

Иногда профессору, чтобы окончательно забросить ту или иную задачу, нужно дать порешать аспиранту. К счастью, у Швингера появился очень талантливый молодой аспирант – Шелдон Глэшоу, которому Швингер дал задание подумать о объединении электромагнетизма и слабых взаимодействий. Глэшоу был обаятельным и довольно экспансивным человеком. Занимаясь наукой, он любил перескакивать с одной темы на другую. Эта его особенность сослужила ему хорошую службу в его работе по объединению. После того как в течение нескольких лет (периодически переключаясь на другие темы) Глэшоу продумывал этот вопрос, он, наконец, нащупал подходящую модель того, что в конечном счете будет названо «электрослабым объединением».

Камнем преткновения была четность: в электромагнетизме она сохраняется, а слабые взаимодействия ее нарушают. Как можно было их объединить? Идея Глэшоу состояла в том, чтобы ввести две различных симметрии: одну, в которой вращающиеся против и по часовой стрелке частицы равноправны, и другую, в которой к ним относятся по-разному. Секрет модели Глэшоу был в том, что обе симметрии в ней нарушаются, но таким образом, что определенная их комбинация остается ненарушенной.

Представьте себе пару зубчатых колес. Любое из них может вращаться независимо, так же как две исходные симметрии Глэшоу. Но когда вы приведете их в сцепление друг с другом, они все еще смогут двигаться, но только уже согласованно, а не независимо. Теперь у них меньше свободы, чем раньше. В модели Глэшоу ненарушенная симметрия аналогична способности колес двигаться вместе, в то время как нарушенная симметрия – невозможность их двигаться на разных скоростях. Безмассовый нейтральный калибровочный бозон, соответствующий ненарушенной симметрии Глэшоу, – конечно, фотон.

Эта идея, казалось, была в состоянии удовлетворить требованиям, накладываемым и слабыми, и электромагнитными взаимодействиями. (Но проблема оставалась: по-прежнему массы калибровочных бозонов просто вводились руками, и теория была неперенормируемой.) Но в этой теории появлялось и что-то до сих пор неизвестное – новый калибровочный бозон, нейтральный, но массивный – тот, который мы сейчас называем Z-бозоном. В то время не было никаких свидетельств существования такой частицы, поэтому ученые почти не обратили внимание на эту модель.

Хотя может показаться, что предположения в модели Глэшоу, объединяющей электромагнетизм и слабые взаимодействия, были довольно искусственные, в них явно присутствовало рациональное зерно. На другом берегу океана – в Имперском колледже в Великобритании – почти такую же теорию разработали Абдус Салам и Джон Уорд. Каждый из них был очень опытным физиком. Уорд, родившийся в Англии, провел по несколько лет в Австралии и СТТТА и считался одним из основателей квантовой электродинамики. Он, вероятно, больше всего известен физикам своим «тождеством Уорда» из квантовой теории поля – математическим соотношением, которое обеспечивает выполнение локальных симметрий. Салам, родившийся в Пакистане, когда он еще был частью Индии и находился под британским контролем, впоследствии превратился в политического активиста и стал продвигать науку в развивающихся странах. Уорд и Салам часто работали вместе, и некоторые их самые интересные статьи по вопросам объединения взаимодействий были написаны в соавторстве.

Следуя почти такой же логике, что и Глэшоу, Салам и Уорд придумали модель с двумя различными симметриями, одна из которых нарушала четность, а другая, которая не нарушала, предсказывала безмассовый фотон и три массивных калибровочных бозона слабых взаимодействий. Они опубликовали эту работу в 1964 году, по-видимому, не зная о более ранней статье Глэшоу. Как и у Глэшоу, в их модели симметрия нарушалась искусственно, а не спонтанно. Как и Глэшоу, они не использовали результаты Гуральника, Хагена, и Киббла по спонтанному нарушению симметрии, но у них, в отличие от Глэшоу, не было никаких оправданий, поскольку их кабинеты находились буквально через коридор друг от друга.

Частично такое странное отсутствие контактов между ними могло быть связано с естественной сдержанностью Уорда. В своей книге «Загадка бесконечности» Фрэнк Клоуз приводит поразительную историю, рассказанную ему Джеральдом Гуральником: «Как-то Гуральник и Уорд обедали вместе в местном пабе, и Гуральник начал рассказывать о своей еще не завершенной работе по скрытой симметрии. «Я не успел почти ничего сказать, а [Уорд] уже остановил меня. Он прочел мне лекцию о том, что я не должен открыто говорить о своих неопубликованных идеях, потому что их могут украсть, а то и опубликовать прежде, чем я закончу работу над ними». В результате этого предостережения Гуральник не расспросил Уорда о работе, которую тот делал с Саламом».

Можно согласиться с таким осторожным подходом к обсуждению неопубликованных работ, но даже самые скрытные физики обычно не боятся обсуждать уже опубликованные результаты. По какой-то причине, однако, Салам и Уорд узнали о результатах Гуральника, Хагена и Киббла лишь через несколько лет – случилось это, когда Саламу об их работе рассказал Том Киббл. После этого Салам в течение многих лет ссылался на нее как на «механизм Хиггса-Киббла».

Собираем пазл

Окончательно все вместе кусочки мозаики сложились в 1967 году. Стивен Вайнберг был одноклассником Шелдона Глэшоу – они учились вместе в Бронксе, в школе Бронкс-Сайенс, но они никогда не работали вместе в той области теоретической физики, которая впоследствие привела их обоих к Нобелевской премии (совместно с Саламом) в 1977 году. Сегодня Вайнберг имеет статус уважаемого старейшины в физике, он этакий политик от науки, а также автор ряда нашумевших книг и множества эссе, публиковавшихся в The New York Review of Books и других изданиях. (В свое время Вайнберг был главным лоббистом Сверхпроводящего суперколлайдера и добивался бы его строительства, даже если бы ускоритель решили строить не в Техасе, куда Вайнберг переехал в 1982 году.)

А в 1967 году Вайнберг был еще совсем молодым профессором Массачусетского технологического института, каждый день приезжавшим в кампус на своем красном «камаро». В то время Вайнберг глубоко погрузился в проблему спонтанного нарушения симметрии, но пытался применить его в основном для того, чтобы разобраться в сильных взаимодействиях. Вдохновленный недавней работой Тома Киббла, Вайнберг играл с набором симметрий, и в результате незаметно для него самого его модель стала сильно напоминать более ранние модели Глэшоу и Салама с Уордом. Проблема была в том, что в его модели тоже возникал безмассовый нейтральный калибровочный бозон, которого, по-видимому, не было в сильных взаимодействиях.

В сентябре того же года Вайнберг вдруг понял, что он решал неправильно сформулированную задачу. Его модель, не очень адекватно описывающая сильные взаимодействия, отлично описывала слабые и электромагнитные взаимодействия. Раздражающий всех безмассовый бозон был на самом деле не ошибкой, а присущим этим взаимодействиям элементом – фотоном. В короткой статье под названием «Теория лептонов» Вайнберг объединил все эти идеи и изложил теорию, в которой каждый современный аспирант, специализирующийся в области физики элементарных частиц, немедленно распознает единую электрослабую модель – компонент Стандартной модели. В статье Вайнберг ссылался на статью Глэшоу, но не на работу Салама и Уорда, о которой ему все еще не было известно. Используя идеи Киббла, Вайнберг смог прямо предсказать массы W– и Z-бозонов, чего ни Глэшоу, ни Салам с Уордом сделать не могли, так как они вставляли их массы вручную. Вайнберг в своей теории объяснил механизм, посредством которого все фермионы, а также калибровочные бозоны приобретают массы. Он даже отметил, что модель поддается перенормировке, хотя в то время не мог предложить никаких убедительных аргументов в пользу этого. Самосогласованная теория электрослабого объединения была, наконец, построена.

Почти тогда же Киббл и Салам поняли, что оба интересуются нарушением симметрии, и Киббл объяснил свою теорию Саламу. Салам подумал, что может переработать единую модель, которую они разработали с Уордом, включив в нее скалярные бозоны, нарушающие симметрию, и даже прочитал лекцию на эту тему в Имперском колледже для небольшой аудитории. По неизвестным причинам Салам не изложил эти идеи сразу в виде статьи. Вообще-то он был чрезвычайно плодовитым ученым, но в те дни его внимание было направлено в основном на гравитацию, а не на субатомные силы. И как следствие, его идея о том, что в модель Салама-Уорда нужно добавить механизм Хиггса, в напечатанном виде появилась только через год в трудах конференции (где он также процитировал статью Вайнберга).

Статьи Вайнберга и Салама по отдельности имели примерно такое же влияние, как четырехметровый блин, плашмя упавший с высоты пяти сантиметров (как образно выразился Курт Воннегут по другому поводу[11]). В академических кругах, и, в частности, в естественных науках наиболее объективным количественным показателем важности данной работы является индекс цитируемости, то есть число ссылок других авторов на данную статью. В период с 1967 по 1971 год на статью Вайнберга сослались лишь несколько раз (что касается двух других авторов, то ни один из них в последующие годы по-настоящему не занимался этой темой). Однако уже начиная с 1971 года в течение четырех последующих десятилетий статью Вайнберга процитировали более 7500 раз – в среднем чаще, чем раз в два дня!

Так что произошло в 1971 году? Был получен некий потрясающий экспериментальный результат? Нет, зато был потрясающий теоретический результат: молодой аспирант из Голландии – Герард Хоофт, научным руководителем которого был Мартинус («Тини») Вельтман, доказал, что теории со спонтанно нарушенной калибровочной симметрией перенормируемы, несмотря на то, что калибровочные бозоны массивны. Другими словами, Хоофт показал, что теория электрослабого взаимодействия математически непротиворечива. Это было то, что и предполагал Вайнберг и Салам, хотя многие специалисты в этой области до 1971 года оставались скептически настроенными. По словам Сидни Колмана, Хоофт «расколдовал лягушку Вайнберга и Салама и превратил ее в принца». Герард Хоофт с тех пор стал считаться одним из самых креативных и блестящих умов в физике. Он и Вельтман вместе получили Нобелевскую премию в 1999 году за работы по электрослабой теории и спонтанному нарушению симметрии.

Но и замечательные экспериментальные результаты не заставили себя долго ждать. Главным следствием модели Глэшоу-Салама-Уорда-Вайнберга было существование тяжелых нейтральных Z-бозонов. Роль W-бозонов была хорошо известна – при рождении они изменяют идентичность фермиона (например, при распаде нейтрона нижний кварк превращается в верхний). Если существовал Z-бозон, это означало бы, что есть такие слабые взаимодействия, в которых частицы сохраняют свою идентичность, например нейтрино может рассеиваются на атомных ядрах. Именно такие события увидели на детекторе «Гаргамель» в ЦЕРНе в 1973 году, что и обеспечило присуждение Нобелевской премии Глэшоу, Саламу и Вайнбергу в 1979 году. (Уорд остался за бортом, поскольку, как уже говорилось, премию могут получить не больше трех человек.) Но это были лишь косвенные признаки воздействия W– и Z-бозонов, а сами они будут обнаружены еще через нескольких лет, когда их найдет Карло Руббиа.

А пока все было подготовлено к открытию бозона Хиггса.

Игры вокруг названия

Физики – тоже люди, и ничто человеческое им не чуждо. Как правило, ими движет чувство, которое Ричард Фейнман называл «удовольствием от открытия нового», но как только они узнают что-то интересное, им хочется получить признание общественности. В этой книге, следуя общепринятой в физическом сообществе практике, я использую для названия процесса обретения массы калибровочными бозонами с помощью спонтанного нарушения симметрии термин «механизм Хиггса», а для скалярной частицы, предсказанной этой моделью, – «бозон Хиггса». В то же время понятно, что, хотя вклад самого Хиггса в создание теории очень важен, он не был единственным. Почему именно это название прижилось и как должно быть по справедливости?

Никто не знает точно, откуда взялось это название – «бозон Хиггса». Ясно одно – не от самого Питера Хиггса. Физики элементарных частиц считают, что во всем виноват Бенджамин Ли – талантливый корейско-американский физик, трагически погибший в автомобильной катастрофе в 1977 году. Ли узнал о спонтанном нарушении калибровочной симметрии из разговора с Хиггсом, и затем, в 1972 году делая важный доклад на конференции в лаборатории Ферми, он неоднократно ссылался на «мезон Хиггса». Это было в сразу же после появления революционного результата Хоофта, когда все судорожно пытались понять, в чем состоят его идеи. Именно из-за того, что физики – люди, они, как и все прочие, в разговоре лучше всего запоминают первые слова, и поэтому доклад, который услышало очень много людей и в котором использовался этот термин, привел к тому, что название прижилось.

По другой версии, все началось со статьи Стивена Вайнберга, опубликованной в 1967 году. Когда в 1964 году вышли оригинальные статьи о спонтанном нарушении симметрии в калибровочных теориях, об этом размышляло не так много физиков, но в 1971 году после прорыва Хоофта многие поспешили заняться этой темой. Статья Вайнберга была хорошей отправной точкой, в ней содержались ссылки на все три статьи Хиггса, а также статьи Энглера и Браута и Хагена, Гуральника и Киббла. Однако в списке литературы Хиггс стоял на первом месте. Так получилось по ошибке: названия журналов Physical Review Letters (где появилась вторая статья Хиггса) и Physical Letters (где была напечатана статья Энглера и Браута) были перепутаны. Иногда такие незначительные ляпсусы имеют далеко идущие последствия.

Но, пожалуй, самое главное, что название «бозон Хиггса» – очень подходящее имя для частицы, ведь именно в статье Хиггса впервые было обращено пристальное внимание на частицу-бозон, а не на «механизм», благодаря которому он возник. Кто-то скажет, что этого не достаточно, но, впрочем, какова альтернатива? Возможно, в первые дни был шанс придумать название, не связанное с конкретным человеком, например, «радиальный бозон» или «реликон», поскольку этот бозон – единственный сохранившийся след процесса нарушения симметрии. Название «электрослабый бозон» тоже могло подойти, хотя была опасность спутать его с W– и Z-бозонами, поэтому наиболее точным было бы название «электрослабый скалярный бозон».

Но при отсутствии таких предложений (не сказать, что эти предложения очень хороши), трудно установить справедливость названием. Сам Хиггс называет эту частицу «бозоном, которому было дано мое имя», а иногда и ссылается на «АБЭГХХКХ механизм» – по первым буквам фамилий Андерсона, Браута, Энглера, Гуральника, Хагена, Хиггса, Киббла и Хоофта. Джо Ликкен из Фермилаба предпочел Намбу Хоофту и придумал аббревиатуру «ХЭХКБАНГ», которая по крайней мере не так труднопроизносима, но от этого не стала более привлекательной. Ликкен сам признался, что «это было бы глупым названием».

В конечном счете следует признать, что название частицы – это просто ярлык. Оно не может и не должно описывать полную и справедливую историю развития идеи. Мы можем назвать частицу и бозоном Хиггса, понимая, что Хиггс – не единственный, кто заслуживает славы. (Учитывая наличие финансовых проблем в современной физике частиц, мне кажется, что название можно было бы успешно продать примерно за $10 миллиардов. И тогда бозон назывался бы, к примеру, «бозон Макдональдса» или еще кого-нибудь.)

Приговор истории

Как мы уже рассказывали, Намбу и Голдстоун помогли нам понять многое про спонтанное нарушение симметрии, но сами ограничились случаем глобальных симметрий. Андерсон отметил, что калибровочные симметрии отличаются от глобальных и, в частности, не приводят к появлению каких бы то ни было остаточных безмассовых частиц, но не построил чистой релятивистской модели. Это сделали независимо Энглер с Браутом, Хиггс и Гуральник с Хагеном и Кибблом. Все три группы шли немного разными путями, но получили в основном одни и те же ответы, и все они заслуживают почестей. Это же можно сказать о Хоофте, который показал, что теория была непротиворечива в математическом смысле.

По традиции Нобелевская премия (кроме премии мира) дается определенным людям, а не группам, и не более чем трем ученым в течение одного года. Нет сомнений, что кандидаты борются за премии, по крайней мере неявно. Вельтман и Хоофт уже получили Нобелевскую премию за работы по перенормируемой электрослабой теории. Андерсон тоже уже получил Нобелевскую премию, правда за совсем другое, но на самом деле это уменьшило его шансы на вторую премию (даже если бы он оказался в этой области первым). Роберт Браут скончался в 2011 году, а премию Нобеля посмертно не дают.

В 2004 году премия Вольфа по физике, которую иногда считают второй по престижности наградой после Нобеля, была присуждена Энглеру, Брауту и Хиггсу, но Гуральник, Хаген и Киббл ее не получили. На конференции во Франции в 2010 году, названной «Охота на Хиггса», на рекламном постере в качестве создателей теории значились только Браут, Энглер и Хиггс, а ГХК вообще не упоминались. Это вызвало определенное недовольство, и группа поддержки англо-американской команды даже угрожала конференции бойкотом. Организатор конференции Грегорио Бернарди выразил по этому поводу недоумение и сказал, что «организаторы не ожидали, что люди так серьезно отнесутся к этому вопросу», что кажется по меньшей мере некоторым лукавством, поскольку если устроители конференции посчитали нужным добавить к названию бозона, всем известного как «бозон Хиггса», еще и имена Энглера и Браута, то не должны были удивиться, что Гуральник, Хаген и Киббл (или их сторонники) расстроились. Часть обиженных успокоилась, когда Американское физическое общество наградило премией Сакураи в области теоретической физики за 2010 год Хагена, Энглера, Гуральника, Хиггса, Браута и Киббла – именно в таком порядке, который, кажется, был выбран специально, чтобы невозможно было никому пожаловаться (кроме Андерсона, который, возможно, и имел на то определенные основания).

Однажды Андерсон печально заметил: «Если вы хотите, чтобы история была написано правдиво и подробно, пишите ее сами». За последние несколько лет Гуральник, Хиггс, Киббл и Браут с Энглером – все написали воспоминания о своей работе в 1964 году, пытаясь представить в правильном свете свой собственный вклад. И вдруг (веяние времени!) по этому поводу разгорелась полемика в Википедии. В августе 2009 года пользователь, известный под ником «Мэри из ЦЕРНа», сделал новую запись, называвшуюся «1964 PRL (Physical Review Letters). Статьи по нарушению симметрии». В Википедии уже имелись отдельные статьи по темам: «Спонтанное нарушение симметрии», «Механизм Хиггса» и другие. В этой новой статье обсуждался вопрос о том, кому какие заслуги следует приписать, причем разбирались статьи всех авторов. Свое отношение автор выразил такими словами: «Первыми (на пару месяцев раньше) были опубликованы статьи Хиггса и Браута-Энглера, но ими решена лишь половина проблемы – приписана масса калибровочной частице. Гуральник-Хаген-Киббл, хоть и опубликовали статью пару месяцев спустя, решили более общую проблему: они не только придали массу калибровочной частице, но еще и показали, как избежать выполнения условий теоремы Голдстоуна». Но то, что один человек может написать в Википедии, другой может отредактировать, и текущая версия статьи является немного более беспристрастной.

Мне в общем-то не важно, кто получит Нобелевскую премию за открытие бозона Хиггса, если такое вообще случится. Нет у меня и никакого прогноза. (В 2013 году Нобелевскую премию в области физики за теоретическое обоснование существования бозона Хиггса получили Питер Хиггс и Франсуа Энглер. – Примеч. ред.) Премии тем хороши для науки, что привлекают внимание широкой публики к интересной работе, которая иначе могла бы остаться незамеченной. Но премии в науке не главное. Самая главная награда для ученого – открытие нового механизма или явления, и это гораздо больше, чем любая премия, которую может дать Нобелевский комитет.

По-настоящему обидно то, что никто из экспериментаторов не может получить Нобелевскую премию за экспериментальное обнаружение бозона. Тут количественная проблема: слишком много людей внесли вклад в эту работу, и просто невозможно выбрать из них одного, двух или трех самых достойных. Одним из достижений, безусловно достойных Нобелевской премии, является успешное сооружение самого БАКа, так что Лин Эванс был бы вполне достойным кандидатом на премию. Мне кажется, Нобелевскому комитету стоит подумать об ослаблении требований, запрещающих присуждать премию по любой науке коллаборациям, и тот, кто сумеет изменить эти правила, заслуживает, по-моему, премии мира.

Глава 12 Что скрывается за горизонтом

Мы пытаемся угадать, не скрываются ли за бозоном Хиггса миры с другими силами, симметриями и измерениями.

Уже в десять лет вид звездного неба завораживало Веру Рубин. С годами ее интерес к звездам только возрастал, и собираясь поступать в колледж, она решила изучать астрономию. Но шли 1940-е годы, и женщин в США к занятиям естественными науками допускали не очень охотно. Член приемной комиссии престижного колледжа Суортмор, который она выбрала, спросил Веру, нет ли у нее еще каких-нибудь увлечений, кроме астрономии. Она призналась, что обожает живопись, и ее собеседник ухватился за это и спросил: «А вы никогда не думали о том, чтобы стать художником и рисовать астрономические объекты?» В итоге она вместо Суортмора поступила в Колледж Вассара[12], но вопрос тот запомнила. Позже она вспоминала: «Это стало дежурной фразой в моей семье. Всякий раз, когда что-то у кого-то из нас шло не так, мы говорили: «А вы никогда не хотели стать художником и рисовать астрономические объекты?»

Рубин закончила колледж, потом продолжила обучение в аспирантуре Корнелла, а затем в Джорджтаунском университете. Это был нелегкий путь: например, когда она написала в Принстон и попросила прислать учебный план университетской аспирантуры, администрация университета ответила отказом, заявив, что отделение астрономии не принимает женщин в аспирантуру. (Отношение к женщинам в науке изменилось только в 1975 году.)

Один из секретов выдающихся ученых в том, что они заглядывает туда, куда другим и в голову не придет посмотреть. Когда появились мощные телескопы, многие астрономы первым делом стали изучать центральные области далеких галактик, где много звезд и идет кипучая деятельность. Рубин решила сосредоточиться на внешних, мало заселенных звездами областях галактики, и попытаться изучить динамику периферийных звезд и газа, медленно вращающихся на краю галактики. Такие наблюдения дают возможность определить ее общую массу: чем больше материи внутри галактики, тем выше гравитационное поле в местах расположения внешних звезд и тем быстрее они должны вращаться.

И вот тут Рубин и ее сотрудник Кент Форд обнаружили некую странность. Казалось бы, звезды должны двигаться все медленнее и медленнее по мере удаления от центра галактики, подобно тому, как замедляется движение планет Солнечной системы по мере их удаления от Солнца. Действительно, гравитационное поле там слабее, следовательно, должна быть меньше центробежная сила и, следовательно, нужна меньшая скорость вращения по данной орбите. Но Рубин и Форд обнаружили, что все происходит совсем иначе: они увидели, что звезды, расположенные на больших расстояниях от плотной центральной области галактики, движутся с той же скоростью, что и в центре. Разгадка оказалась простой, но такое было трудно вообразить: в галактике на самом деле намного больше материи, чем мы можем видеть, и большая ее часть, в отличие от видимых звезд, располагается вдали от центра галактики.

Рубин и Форд наткнулись на удивительное явление, которое в настоящее время составляет центральную проблему космологии, а именно – на темную материю.

Они не были первыми – еще в 1930-х годах швейцарско-американский астроном Фриц Цвикки показал, что в кластере галактик Кома находится гораздо больше материи, чем мы способны наблюдать с помощью телескопов, а голландский астроном Ян Оорт и в локальной окрестности нашей галактики обнаружил больше материи, чем казалось на первый взгляд. В течение долгого времени, однако, сохранялась надежда, что эту лишнюю материю просто «проглядели», и она на самом деле привычная, знакомая нам материя, но в такой форме, которую нелегко заметить. Когда ученые больше узнали о галактиках, их кластерах и Вселенной в целом, стало возможным точно измерить независимо два числа – общее количество материи во Вселенной и общее количество «обычной материи», где под обычной материей понимаются в том числе атомы, пыль, звезды, планеты и всякие разные известные частицы Стандартной модели.

И эти два числа не совпали! Общий объем обычной материи во Вселенной составляет лишь примерно одну пятую от общего количества материи. Подавляющая часть материи – это темная материя, и она не состоит из частиц Стандартной модели.

Бозон Хиггса – последний фрагмент пазла, которым является Стандартная модель, но Стандартная модель – не конец пути. Темная материя – лишь одна из множества загадок, которые еще только предстоит разгадать, а для этого потребуется новая физика. И кто знает, а вдруг Хиггс станет мостом между тем, что мы знаем, и тем, что мы только надеемся узнать. Возможно, дальнейшее изучение бозона Хиггса прольет свет на темные миры за пределами нашего собственного…

Ранняя вселенная

Давайте покопаемся в темной материи немного более тщательно, раз именно она предоставляет самые веские свидетельства того, что существует физика и за пределами Стандартной модели. Кроме того, на ее примере легче всего продемонстрировать, как бозоны Хиггса могут использоваться для построения новой физики.

Чтобы понять, что такое темная материя, давайте подумаем, откуда она взялась. Представьте, что у вас есть экспериментальный аппарат, построенный на базе суперпечи, то есть закрытый ящик с каким-то веществом внутри, и к нему приделана ручка, с помощью которой можно выставить какую угодно температуру – от самой высокой до самой низкой. Температура в обычной печи достигает, как правило, 250 °С, что в обычных единицах физики элементарных частиц составляет около 0,04 электронвольт. При этой температуре молекулы могут перестроиться (в быту это называется «печь пирог»), но атомы еще сохраняют свою целостность. Как только мы доведем температуру до нескольких электронвольт или выше, электроны оторвутся от своих ядер. Когда мы доведем температуру до миллионов электронвольт (МэВ), ядра сами разорвутся на куски, и образуются свободные протоны и нейтроны.

При высоких температурах происходят и другие важные процессы: столкновения между частицами становятся столь энергичными, что образуются новые пары частица-античастица – подобно тому, как это происходит в коллайдере частиц. Считается, что когда температура становится выше общей массы пары частица-античастица, такие пары будут производиться в большом количестве. А при достаточно высоких температурах уже почти не имеет значения, что было в печи в первый момент, и горячая плазма образуется всеми частицами с меньшими, чем температура печи, массами. (Напомним, что и масса, и температура могут выражаться в ГэВ.) Если же температура достигнет 500 ГэВ, наш ящик уже просто загудит от заполняющих его бозонов Хиггса, кварков и лептонов всех видов, W– и Z-бозонов и прочих частиц – не говоря уже о возможных новых частицах, которые еще не обнаружены здесь, на Земле. Если бы мы начали постепенно снижать температуру внутри этого ящика, эти новые частицы постепенно стали бы исчезать, врезаясь в свои античастицы и аннигилируя, и у нас остались бы только те частицы, с которых мы начали.

Ранняя Вселенная очень похожа на плазму внутри нашей сверхгорячей печи, только с еще одним существенным свойством: пространство тогда расширялось с невероятной скоростью. Расширение пространства приводит к двум важным следствиям. Во-первых, оно при этом остывает, как будто регулятор температуры нашей печи сначала был выставлен на максимум, а потом его быстро повернули в обратном направлении. Во-вторых, плотность вещества быстро убывает, поскольку частицы в расширяющемся пространстве удаляются друг от друга. Последнее – главное различие между ранней Вселенной и печью. Из-за уменьшения плотности часть частиц, которые родились в плазме вначале, могут не получить шанса аннигилировать – слишком трудно будет найти соответствующую анти частицу.

В результате мы получаем избыток таких частиц – реликтов первичной плазмы. И если мы знаем массы частиц и вероятности, с которыми они взаимодействуют, мы сможем точно рассчитать, каким этот избыток должен быть. Если частицы нестабильны, как, например, бозон Хиггса, об их избытке в реликтовом излучении ничего сказать нельзя, поскольку эти частицы просто разваливаются. Но если они стабильны, мы должны заняться их изучением. Некоторые ученые полагают, что оставшиеся от ранней Вселенной стабильные частицы и составляют теперешнюю темную материю.

В рамках Стандартной модели мы можем примерно те же рассуждения применить к атомным ядрам. Одно ключевое различие состоит в том, что вначале мы имеем больше вещества, чем антивещества, так что материя никогда полностью не проаннигилирует. Начнем с довольно высокой температуры, скажем примерно с 1 ГэВ. При этой температуре плазма будет состоять из протонов, нейтронов, электронов, фотонов и нейтрино – все более тяжелые частицы распадутся. Эта температура достаточно высока для того, чтобы протоны и нейтроны не образовывали ядра, поскольку те бы мгновенно разорвались. Но так как Вселенная расширяется и охлаждается, уже через несколько секунд после Большого взрыва ядра начнут формироваться. Еще пару минут спустя плотность окажется настолько низкой, что ядра перестанут сталкиваться друг с другом, и эти реакции прекратятся. У нас останутся определенные комбинации протонов и легких элементов – дейтерия (тяжелого водорода, в котором один протон и один нейтрон), гелия и лития. Этот процесс известен как «нуклеосинтез Большого взрыва».

Мы можем сделать точные расчеты относительного избытка этих элементов, введя только один входной параметр – начальный избыток протонов и нейтронов. И тогда мы сравним избытки первичных элементов с тем, что мы видим в реальной Вселенной. Результаты находятся в точном соответствии, но только для одной конкретной плотности протонов и нейтронов. Это замечательный результат, и он обнадеживает, поскольку означает, что мы довольно верно представляем себе раннюю Вселенную. Поскольку протоны и нейтроны составляют подавляющую часть массы в обычной материи, мы знаем достаточно хорошо, сколько обычной материи во Вселенной, в какой бы форме она сегодня ни существовала. И ее совсем не хватает, чтобы объяснить всю материю, которая имеется во Вселенной.

Вимпы

Для расчета массы темной материи можно использовать, например, ту же стратегию, вернее, поиграть в ту же игру, в которую мы играли с нуклеосинтезом, только начать надо с гораздо более высокой температуры и добавить в смесь новую частицу, которая потом станет темной материей. Мы знаем, что темная материя темная, поэтому новая частица должна быть электрически нейтральной. (Заряженные частицы взаимодействуют с электромагнитным полем и, следовательно, испускают свет.) Кроме того, мы знаем, что она и сейчас присутствует везде во Вселенной, поэтому она стабильна, или по крайней мере ее время жизни больше, чем возраст Вселенной. Мы знаем про нее и еще кое-что: темная материя не очень сильно взаимодействует сама с собой. Если бы это было не так, она бы обосновалась в центрах галактик, а не образовывала большие раздутые ореолы, которые, как нам кажется, регистрируются при наблюдениях. А это значит, что темная материя не чувствует и сильное ядерное взаимодействие. Из известных сил природы темная материя, конечно, реагирует на силу тяжести, и, вероятно, чувствует (или не чувствует) действие слабых ядерных сил.

Давайте представим себе особый вид новых частиц – «слабо взаимодействующие массивные частицы» или, как их называют, – WIMPS, по-русски вимпы. (Космологи становятся необыкновенно остроумными, когда дело доходит до изобретения новых имен[13].) Под «слабо взаимодействующими» мы подразумеваем не то, что они «взаимодействуют не очень сильно», а то, что они чувствуют слабые взаимодействия. Для простоты будем считать, что вимп имеет массу, сопоставимую с массами других частиц, участвующих в слабых взаимодействиях, например W– и Z-бозонов или бозона Хиггса, то есть примерно 100 ГэВ или по крайней мере в интервале от 10 до 1000 ГэВ. Этого достаточно для весьма грубых прикидок, а чтобы понять лучше, как взаимодействуют частицы, нужно проводить высокоточных расчеты.

После этого мы сравним получающийся из расчетов избыток таких вимпов с реальной массой темной материи. Поразительный результат: мы получаем значение, отлично совпадающее с наблюдениями! В этом расчете есть некоторые свободные параметры, связанные как с тем, что могут существовать другие частицы, так и с конкретным способом, которым вимпы могут аннигилировать, но и при таком грубом полходе полученное совпадение поражает: оценка избытка стабильных частиц в реликтовом излучении, подверженных слабым взаимодействиям, в принципе соответствует реальной величине массы темной материи.

Это интересное совпадение известно как «чудо-вимпы», и оно дало многим физикам надежду, что секрет темной материи заключается в новых частицах с массами и взаимодействиями, похожими на соответствующие свойства W– и Z-бозонов и бозона Хиггса. Все эти бозоны, конечно, быстро распадаются, и у вимпов должны быть хорошие причины, чтобы в отличие от них быть стабильными, но их, эти причины, не трудно придумать. Есть много других правдоподобных версий состава темной материи – в том числе из частиц под названием «аксион», придуманных Стивеном Вайнбергом и Фрэнком Вильчеком, – очень легких кузенов бозона Хиггса. Но на сегодняшний день модель вимпов является самой популярной.

Если темная материя состоит из вимпов, то перед учеными открываются некоторые очень интересные экспериментальные возможности, поскольку бозон Хиггса должен взаимодействовать с этими частицами. Во многих правдоподобных моделях темной материи, состоящей из вимпов, самое сильное взаимодействие между темной материей и обычным веществом осуществляется путем обмена бозонами Хиггса. Хиггс может быть связующим звеном между нашим миром и темной материей, составляющей большую часть материи во Вселенной.

Портал Хиггса

Оказывается, что взаимодействие через обмен бозонами Хиггса используется во многих физических теориях, выходящих за рамки Стандартной модели. В них имеется целый букет новых частиц, образующих так называемый «скрытый сектор», и все они не очень охотно взаимодействуют с известными нам частицами. Такое впечатление, что из всех известных фермионов и калибровочных бозонов самый общительный – бозон Хиггса, то есть он взаимодействует с новыми частицами чаще всех. Именно в этом смысле открытие бозона Хиггса является одновременно и завершением одного грандиозного проекта – создания Стандартной модели, и запуском следующего – поиска скрытых миров за рамками этой модели. Франк Вильчек и его сотрудник Брайан Патт окрестили эту возможность «Порталом Хиггса» между Стандартной моделью и скрытыми секторами материи.

Когда мы обсуждали поимку хиггсовского бозона в главе 9, я обратил внимание на распад этой частицы на два фотона, проходящий через промежуточную стадию – образование виртуальных частиц. Фактическая вероятность такого процесса зависит от всех различных частиц, которые могут появиться в этой петле, – то есть частиц, которые взаимодействуют как с Хиггсом, так и с фотонами. В самой Стандартной модели эту вероятность можно однозначно определить, зная массу бозона Хиггса. И если мы точно измерим скорость этого распада и обнаружим, что он протекает с большей вероятностью, чем мы считали, это послужит серьезным намеком на существование новых частиц, даже если мы не сможем увидеть их непосредственно. Данные, полученные на БАКе в 2011-м и начале 2012 года, содержат намеки на то, что рождалось больше фотонов, чем предсказывает Стандартная модель, хотя это различие не очень значительно. Но, безусловно, эти процессы нужно будет тщательно проанализировать, когда соберется больше данных.

Фейнмановская диаграмма, изображающая частицу темной материи, рассеивающейся на кварке с помощью обмена бозоном Хиггса.

В теории вимпов темная материя разбросана везде, она вокруг нас, даже там, где вы сейчас находитесь. Считается, что примерно одна частица темной материи приходится на объем пространства размером с чашку кофе. Но частицы движутся достаточно быстро – как правило, со скоростью сотни километров в секунду. В результате миллиарды вимпов пронизывают наше тело каждую секунду. Поскольку они с нами очень слабо взаимодействуют, мы их не замечаем. Но хотя эти взаимодействия малы, они не равны нулю. Вимп может врезаться в один из кварков, содержащихся внутри нашего тела в протонах и нейтронах, и обменяться с ним бозонами Хиггса. Физики Кэтрин Фриз и Кристофер Сэвидж подсчитали, что каждый год около десяти частиц темной материи взаимодействует с атомами среднестатистического человеческого тела. Последствия каждого отдельного взаимодействия пренебрежимо малы, так что не волнуйтесь – от темной материи у вас живот не заболит.

Но зато мы можем использовать этот вид взаимодействия, чтобы найти темную материю. И так же как на БАКе, важнейшей проблемой будет выделение сигнала на фоне шума. Действительно, частицы темной материи – не единственные, которые могут врезаться в ядра: радиоактивное излучение и космические лучи занимаются этим все время. Поэтому физики спускаются глубоко под землю – в шахты и специально построенные объекты и стараются защититься от этого фона. Они создали специальные детекторы, терпеливо поджидающие слабые сигналы, которые возникают при взаимодействии частиц темной материи с ядром. Наиболее популярны два типа детекторов – криогенный (где регистрируется тепло, выделяемое при столкновении гипотетических частиц темной материи с атомными ядрами в низкотемпературных кристаллах) и детектор на базе сжиженного благородного газа (где регистрируется свет, излученный при сцинтилляциях, возникающих при взаимодействиях частиц темной материи с жидким ксеноном или аргоном).

Стратегия поиска взаимодействий с частицами окружающей темной материи, при которой детекторы устанавливаются глубоко под землей, называется «методом прямого обнаружения». Это сегодня – передний край науки. В серии экспериментов некоторые из имевшихся моделей уже были забракованы. Зная массу бозона Хиггса, ученые сумеют связать предсказанные теоретические свойства вимпов со следами частиц, которые, возможно, увидят в этих экспериментах. При высочайшей чувствительности детекторов, к тому же все время быстро растущей, мы уже в течение ближайших пяти лет наверняка обнаружим темную материю. Однако очень может быть, что мы ее и не обнаружим – природа любит преподносить нам сюрпризы.

Не трудно догадаться, что если существует методика под названием «прямое обнаружение», должна быть и другая – «косвенное обнаружение». Идея ее заключается в том, чтобы подождать, пока вимпы из нашей или других галактик столкнутся друг с другом и аннигилируют. Среди частиц, рожденных в таком взаимодействии, будут гамма-лучи (фотоны высокой энергии), которые можно зарегистрировать с помощью спутниковых обсерваторий. В настоящее время гамма-лучевой космический телескоп НАСА «Ферми» сканирует небо в поисках гамма-лучей и накапливает базы данных разных высокоэнергетических явлений. И опять встает серьезная проблема выделения сигнала из шума. Астрономы упорно трудятся над тем, чтобы понять, какого рода гамма-лучевые события могут происходить при аннигиляции частиц темной материи, надеясь, что сумеют их выделить из множества обычных астрофизических процессов, в которых тоже возникает этот вид излучения. Кроме того, вероятно, темная материя способна аннигилировать с образованием бозона Хиггса (вместо того, чтобы превратиться в другие частицы, пройдя промежуточную стадию образования бозона Хиггса). Этот сценарий, естественно, уже окрестили «Хиггс в космосе».

Наконец, мы можем представить себе создание темной материи прямо здесь, дома – на БАКе. Если бозон Хиггса взаимодействует с темной материей, а ее частицы не слишком тяжелы, одним из способов распада бозона Хиггса будет распад непосредственно на вимпы. Мы, конечно, не увидим вимпов, так как они слабо взаимодействуют со всем, и любой родившийся вимп тотчас улетит из детектора, так же как это делает нейтрино, но мы можем просуммировать все наблюдаемые распады бозона Хиггса и сравнить их с ожидаемым количеством. Если мы получим меньше распадов, чем ожидалось, это будет означать, что время от времени бозон Хиггса распадается на невидимые частицы. Выяснение природы этих частиц, конечно, займет некоторое время.

Неестественная вселенная

Темная материя представляет собой веский аргумент в пользу того, что нам нужно строить физику за рамками Стандартной модели. В этом вопросе обнаруживается самое главное расхождение между теорией и экспериментом, а физики привыкли иметь дело именно с такими противоречиями. Есть также и другого рода аргументы в пользу того, что новая физика необходима – сама Стандартная модель требует доработки.

Чтобы определить какую-либо теорию вроде Стандартной модели, мы должны привести список полей, которые она описывает (поля кварков, лептонов, калибровочных бозонов, поле Хиггса), и набор различных чисел – параметров теории, включающих массы частиц, а также величины всех взаимодействия. Например, величина электромагнитного взаимодействия определяется числом, называемым «постоянной тонкой структуры», это знаменитая физическая константа, примерно равная 1/137. В начале XX века некоторые физики пытались придумать хитрые нумерологические формулы, объясняющие, почему она имеет именно такое значение. В наши дни мы просто принимаем это как данность и считаем ее частью Стандартной модели, хотя еще есть надежда, что более совершенная теория фундаментальных взаимодействий позволит нам вычислить ее из первых принципов.

Хотя все эти параметры мы, в принципе, можем пойти и измерить, физики до сих пор верят, что у физических характеристик есть «естественные» значения, поскольку измеряемые нами значения, как учит нас квантовая теория поля, представляют собой сложные комбинации различных процессов. По сути, чтобы получить окончательный ответ, нужно просуммировать вклады от разных видов виртуальных частиц. Когда мы измеряем заряд электрона по рассеянию фотона на нем, в процессе участвует не только электрон. Этот электрон – колебание поля, на которое накладываются квантовые флуктуации всех других полей, они складываются, и перед нами предстает то, что мы воспринимаем как «физический электрон». Каждая конфигурация виртуальных частиц вносит определенный вклад в окончательный ответ, и иногда их сумма бывает довольно большой.

Поэтому было бы большой неожиданностью, если бы наблюдаемое значение некоторой величины оказалось гораздо меньше, чем вклады отдельных процессов, участвующих в ее образовании. Это означало бы, что большой положительный вклад сложился с большим отрицательным вкладом, и в результате возник крошечный конечный результат. Такое, конечно, можно себе представить, но это не то, что хотелось бы получить. Если измеренный параметр оказывается гораздо меньше, чем мы ожидали, мы объявляем, что существует «проблема тонкой настройки» параметра, и говорим, что теория «неестественная». В конечном счете, конечно, не мы, а природа решит, что естественно, а что – нет. Но если теория оказывается «неестественной», это, возможно, первый намек на то, что нужно подумать над новой теорией.

По большей части параметры Стандартной модели вполне естественные. Есть два явных исключения: значение поля Хиггса в пустом пространстве и плотность энергии пустого пространства, которую иначе называют «энергией вакуума». Оба значения намного меньше, чем это следует из Стандартной модели. Обращаем внимание, что они оба связаны со свойствами пустого пространства, или «вакуума». Это интересное обстоятельство, но оно еще никому не помогло.

Обе проблемы – слишком маленькие поле Хиггса и энергия вакуума – очень похожи. Определение обеих величин можно начать с любого понравившегося вам значения, а затем к нему нужно добавить все расчетные дополнительные вклады от взаимодействий с виртуальными частицами. В обоих случаях в результате учета этих вкладов результат будет все время увеличиваться. В случае поля Хиггса грубая оценка показывает, что этот результат будет в 1016 (десять квадриллионов) раз больше, чем то, что есть на самом деле. Если честно, мы не можем слишком уверенно говорить о том, что «будет», так как у нас нет единой теории всех взаимодействий. Наша оценка исходит из того, что за счет виртуальных частиц поле Хиггса будет увеличиваться, но у него есть физический предел, до которого оно может подняться – так называемый масштаб Планка – энергия, равная примерно 1018 ГэВ, при которой уже становится важной квантовая гравитация, и само понятие пространство-время утрачивает какой-либо определенный смысл.

Эта гигантская разница между ожидаемым значением поля Хиггса в пустом пространстве и его наблюдаемым значением называется «проблемой иерархии». Энергетический масштаб, характеризующий слабые взаимодействия (значение поля Хиггса – 246 ГэВ), и тот, который характеризует гравитацию (энергия Планка – 1018 ГэВ), очень сильно различаются (проблема иерархии, о которой мы уже кпоминали). Это уже достаточно странно, но мы должны помнить, что именно квантово-механические взаимодействия с виртуальными частицами стремятся поднять масштаб слабых взаимодействий до масштаба Планка. Почему же они все-таки настолько разные?

Энергия вакуума

Как бы ни была трудна проблема иерархии, проблема энергии вакуума еще хуже. В 1998 году астрономы, изучающие скорости далеких галактик, сделали удивительное открытие: Вселенная не просто расширяется, она расширяется ускоренно! Галактики не только удаляются от нас, они разбегаются все быстрее и быстрее. Существуют различные возможные объяснения этого явления, но есть простое, которое отлично подходит к имеющимся в настоящее время данным: расширяться Вселенную заставляет энергия вакуума, введенная в 1917 году Эйнштейном в виде «космологической постоянной».

Идея Эйнштейна состоит в том, что существует мировая постоянная, которая показывает, какая энергии содержится в определенном объеме совершенно пустого пространства. Если эта величина не равна нулю – а никаких причин ей быть нулевой нет, – эта энергия расталкивает разные части Вселенной, что приводит к космическому ускорению. Открытие этого ускорения привело в 2010 году Сола Перлмуттера, Адама Рисса и Брайана Шмидта к Нобелевской премии.

Мы с Брайаном Шмидтом, будучи аспирантами, сидели в одном офисе. В моей последней книге «Из вечности в сегодня» (From Eternity to Here) я рассказал историю о пари, которое мы с Брайаном заключили еще в те старые добрые времена: он считал, что мы не найдем полную плотность материи во Вселенной в ближайшие двадцать лет, а я утверждал, что найдем. Отчасти благодаря именно его усилиям мы сейчас уверены, что знаем плотность Вселенной, и в 2005 году я забрал свой приз – маленькую бутылку старого портвейна, причем для этого мы устроили забавную церемонию на крыше Куинси Хауса в Гарварде. С тех пор Брайан стал астрономом мирового класса, но остался неисправимым пессимистом – не так давно поспорил со мной о том, что невозможно обнаружить бозон Хиггса с помощью БАКа, и проиграл и это пари. Мы оба за это время подросли, соответственно, выросли и ставки. На сей раз проигравший Брайан должен будет на свои мили, собранные при частых перелетах, оплатить билеты для меня и моей жены Дженнифер в Австралию, куда мы собираемся прилететь к нему в гости.

Чтобы объяснить наблюдения астрономов, нам не нужна очень большая энергия вакуума – хватит и примерно одной десятитысячной электронвольта на кубический сантиметр. Точно тем же способом, что и при оценке поля Хиггса, мы можем грубо оценить энергию вакуума. Ответ получается впечатляющим: 10116 электронвольт на кубический сантиметр. Это больше, чем наблюдаемая величина, в 10120 раз – разница столь большая, что мы даже не пытаемся придумать для нее определение.

Расхождение между теоретическим и экспериментальным значениями энергии вакуума принадлежит к числу главных нерешенных проблем современной физики. Один из многих вкладов, которые делают расчетную энергию вакуума такой большой, вносит поле Хиггса, поскольку ненулевое поле в пустом пространстве должно обладать большой энергией (положительной или отрицательной). Именно поэтому Фил Андерсон и сомневался в правильности того механизма, который мы теперь называем механизмом Хиггса: такую большую плотность энергии ненулевого поля в пустом пространстве совместить с относительно небольшой плотностью энергии, на самом деле наблюдаемой в пустом пространстве, кажется невозможным. Сегодня мы не считаем, что эта проблема закроет механизм Хиггса, – есть много других, еще больших вкладов в энергию вакуума, все гораздо сложнее…

Возможно также, что энергия вакуума в точности равна нулю, а части Вселенной отталкиваются друг от друга за счет другой энергии, которая медленно убывает, а не строго постоянна. Эта энергия носит название «темной энергии», и астрономы делают все от них зависящее, чтобы проверить, может ли она быть причиной ускорения Вселенной. Самой популярной моделью носителя темной энергии является некое новое скалярное поле, похожее на поле Хиггса, но с гораздо меньшей энергией (массой). Это поле должно постепенно стремиться к нулевой энергии, но это будет медленный процесс, и он может занять миллиарды лет. А сейчас энергия должна бы вести себя более или менее как темная энергия – плавно меняться в пространстве и медленно убывать со временем.

Бозон Хиггса, обнаруженный на БАКе, к энергии вакуума не имеет прямого отношения, но есть косвенная связь. Узнав о нем больше, мы бы поняли, почему энергия вакуума столь мала или как может возникнуть медленно меняющаяся составляющая темной энергии. На этом пути у нас не очень большие шансы на успех, но в решении такой трудной задачи нужно использовать любые шансы.

Суперсимметрия

Главный урок, который мы должны извлечь из успеха электрослабой теории, состоит в том, что симметрия – наш союзник. Физики озаботились тем, чтобы найти как можно больше симметрий. Пожалуй, наиболее амбициозная попытка в этом направлении связана с названием, которое, хотя и соответствует сути, звучит не слишком оригинально. Это теория суперсимметрии.

Все симметрии, лежащие в основе сил Стандартной модели, устанавливают связь между частицами, по виду очень похожими друг на друга. Симметрия сильных взаимодействий устанавливает связь между кварками разных цветов, в то время как симметрия слабого взаимодействия устанавливает связь между верхними и нижними кварками, электронами и электронными нейтрино и похожим образом – между другими парами фермионов. Суперсимметрия, напротив, предпринимает амбициозную попытку установить связь между фермионами и бозонами. Если симметрия между электронами и электронными нейтрино похожа на установление родства яблок с апельсинами, то симметрия между фермионами и бозонами напоминает сравнение бананов с орангутанами.

На первый взгляд такой подход кажется не очень перспективным. Сказать, что есть симметрия – значит сказать, что какие-то различия не имеют значения. Мы называем кварки «красными», «зелеными» и «синими», но какой у кого цвет – не имеет значения. Электроны и электронные нейтрино, конечно, отличаются друг от друга, но только потому, что симметрия слабых взаимодействий нарушается полем Хиггса, скрывающимся в пустом пространстве. Если бы поля Хиггса там не было, электроны (только те, которые левши) и электронные нейтрино были бы вообще неразличимы.

Но когда мы смотрим на фермионы и бозоны Стандартной модели, они кажутся нам совершенно разными: массы различны, заряды различны, отличаются они и отношением к слабым и сильным взаимодействиям: одни в них участвуют, а другие – нет, даже общее число частиц совершенно разное. Никакой очевидной симметрии между этими частицами не заметно.

Однако физики упорно продолжают искать симметрии, и в конечном итоге они пришли к идее, что каждая частица Стандартной модели имеет совершенно неизвестного «суперпартнера», с которым устанавливает отношения суперсимметрии. Считается, что все эти суперпартнеры должны быть очень тяжелыми, потому мы еще и не обнаружили ни одного из них. Чтобы отметить эту блестящую идею, физики придумали остроумное правило поименования этих суперчастиц: если у вас есть фермион, название его суперпартнера-бозона образуется добавлением буквы «с» в начале названия соответствующего фермиона, а если у вас есть бозон, для названия его суперпартнера-фермиона к его названию добавляется окончание «ино».

Поэтому в теории суперсимметрии у нас есть набор новых бозонов с названиями «сэлектрон», «скварки» и так далее, а также набор новых фермионов под названием «фотино», «глюино» и «хиггсино». (Как любит поговаривать Дейв Барри[14]: «Клянусь, я не шучу!») Основные характеристики суперпартнеров – те же, что и у оригинальных частиц, за исключением того, что их масса намного больше, а бозоны и фермионы стали взаимозаменяемыми. Таким образом, «стоп» – это бозонный партнер топ-кварка (истинный кварк иногда называют топ-кварком), он чувствует как сильные, так и слабые взаимодействия и имеет заряд +2/3. Интересно, что в некоторых моделях суперсимметрии стоп – зачастую самый легкий бозонный суперпартнер, хотя сам топ-кварк является самым тяжелым фермионом. Бозонные суперпартнеры-фермионы, как правило, смешиваются, так что суперпартнеры W-бозонов и заряженных бозонов Хиггса соединяются, чтобы образовать «чарджино» (заряженный), в то же время партнеры Z-бозона, фотона и нейтральных бозонов Хиггса смешиваются, чтобы образовать «нейтралино».

Суперсимметрия на сегодня является чисто спекулятивной идеей. Она очень хорошо объясняет некоторые свойства, но пока нет никаких прямых доказательств ее истинности. Тем не менее она достаточно интересна и потому стала самой популярной теорией физики элементарных частиц за пределами Стандартной модели. К сожалению, в то время как основная идея очень проста и элегантна, ясно, что в реальном мире суперсимметрия должна нарушиться, в противном случае и частицы, и их суперпартнеры имели бы равные массы. А после того, как мы нарушим суперсимметрию, она перестает быть простой и элегантной и становится жутко запутанной.

Частицы Стандартной модели и их суперпартнеры (выше). Бозоны изображены кружками, фермионы – квадратиками. Три копии каждого кварка и скварка и восемь копий глюонов и глюино представляют разные цвета. В суперсимметричной Стандартной модели имеется пять бозонов Хиггса вместо одного обычного. Суперпартнеры W-бозонов и заряженные бозоны Хиггса смешиваются и превращаются в чарджино, а суперпартнеры Z-бозона, фотон и нейтральный бозон Хиггса смешиваются и образуют нейтралино.

Существует некая версия теории суперсимметрии, так называемая «минимальная суперсимметричная стандартная модель», которая, возможно, является самым простым способом встроить суперсимметрию в реальную картину мира: она содержит всего 120 новых параметров, которые должны быть заданы вручную. Это означает, что существует огромная свобода в построении конкретных суперсимметричных моделей. Часто, чтобы сделать задачу решаемой, физики полагают многие параметры равными нулю или, по крайней мере, равными между собой. На практике вся эта свобода означает, что очень трудно понять, что именно утверждает теория суперсимметрии. Для любых заданных экспериментальных условий обычно можно найти набор параметров, при которых теория еще применима.

Поиск суперсимметрии – важнейшее (после поисков бозона Хиггса) направление в работе на БАКе. Учитывая сложность этой теории, даже если мы найдем что-то, будет очень сложно выяснить, действительно ли то, что мы нашли, – проявление суперсимметрии. Интересно, что одно из следствий суперсимметрии – существование более одного бозона Хиггса. Вспомним, как в главе 11 мы говорили, что исходное поле Хиггса в Стандартной модели состоит из четырех скалярных полей равной массы, а после нарушения симметрии три поля из этих четырех съедаются W– и Z-бозонами, оставив нам только один бозон Хиггса. В суперсимметричных версиях Стандартной модели оказывается, что по техническим причинам следует удвоить количество скалярных полей, и мы начинаем не с четырех, а с восьми полей. (Здесь мы говорим только о бозонных полях, их фермионные суперпартнеры – хиггсино – не учитываются.) Одна из этих двух групп по четыре поля дает массу кваркам верхнего типа, а другая – кваркам нижнего типа. У нас есть еще два W-бозона и один Z-бозон, и когда поле Хиггса становится ненулевым и нарушает электрослабую симметрию, три скалярных поля съедаются, и остается пять различных свободных бозонов Хиггса. Итак, прямым следствием теории суперсимметрии является то, что мы получаем не один, а целых пять бозонов Хиггса: один с положительным электрическим зарядом, один – с отрицательным, а остальные три нейтральные.

Безусловно, пять бозонов Хиггса для экспериментаторов – возможность порезвиться. Еще и поэтому физики БАКа были так осторожны, объявляя об открытии новой частицы с массой 125 ГэВ – ведь это мог быть не единственный бозон Хиггса, а один из пятерки. В суперсимметричных моделях теоретикам легко сделать так, чтобы один бозон Хиггса был легче других, и возможно, что мы обнаружили как раз этот – легкий. Однако обычно в этих моделях значение массы такого легкого бозона составляет не больше 115 ГэВ. Можно, конечно, дотянуть его массу до 125 ГэВ, но это потребует некоторых неестественных допущений. Нам просто необходимо собрать больше данных – как для того, чтобы лучше разобраться с уже обнаруженной частицей, так и для того, чтобы попытаться найти новые.

Физики радуются, когда им нужно искать новые частицы, но это не значит, что из-за этого у суперсимметрии есть реальные преимущества перед другими теориями. Однако у нее есть один действительно важный плюс: она помогает решить проблему иерархии.

Эта проблема возникает из-за виртуальных частиц, которые, как мы считаем, должны поднять значение поля Хиггса до масштаба Планка. Однако при более внимательном рассмотрении становится очевидным, что виртуальные бозоны обычно подталкивают значение поля Хиггса в одну сторону, а виртуальные фермионы – в противоположную. В общем случае нет никаких оснований ожидать, что эти эффекты уравновесят друг друга – как правило, вычитание большого случайного числа из другого большого случайного числа приводит к третьему – совсем не маленькому, а большому числу (положительному или отрицательному). Но если есть суперсимметрия, все меняется, поскольку есть точно соответствующие друг другу фермионные и бозонные поля, и их виртуальные флуктуации могут в точности скомпенсироваться, что убирает проблему иерархии. Это свойство суперсимметрии – одна из основных причин, по которой физики принимают эту теорию всерьез.

Другая причина связана с идеей вимпов – частиц темной материи. В лучших суперсимметричных моделях самый легкий суперпартнер – это совершенно стабильная частица, имеющая массу и взаимодействие, сравнимые по масштабу с частицами слабых взаимодействий. Если у частицы нет электрического заряда, то есть если это нейтралино, она – идеальный кандидат в частицы темной материи. Много усилий теоретиков ушло на то, чтобы рассчитать избыток реликтовых нейтралино в различных суперсимметричных моделях. Но из-за того, что в них появляется очень много новых частиц и взаимодействий, избыток их может варьироваться в широких пределах, хотя получить правильную плотность темной материи не очень трудно. Если суперпартнеры существуют при энергиях, доступных для БАКа, нам, возможно удастся достичь долгожданного объединения физики элементарных частиц и космологии. Приятно ставить перед собой высокие цели.

Струны и дополнительные измерения

Теория струн – одна из самых простых теорий в сегодняшней физике. Просто представьте, что элементарные блоки вещества – не точечные частицы, а маленькие колеблющиеся струны. Концепция восходит к первым работам Йоитиро Намбу, Хольгера Нильсена и Леонарда Сасскинда 1968–1969 годов. Намбу, Нильсен и Сасскинд, независимо друг от друга, предположили, что некоторые математические отношения, описывающие рассеяние частиц, можно просто объяснить, заменив частицы струнами. Пока петли или сегменты струн достаточно малы, они будут выглядеть как частицы. Не стоит спрашивать, «из чего сделаны эти струны», так же как и «из чего сделан электрон». Материал струны является фундаментальной субстанцией, из которой сделано все остальное.

Первые теории струн описывали только бозоны и страдали, видимо, неустранимым недостатком: в теории пустое пространство оказывалось нестабильным и должно быстро испариться в облаке энергии. Чтобы исправить этот недостаток, ученые, первыми сформулировавшие теорию струн – Пьер Рамон, Андре Невё и Джон Шварц, – придумали, как добавить в теорию фермионы. В процессе работы у них в конце концов возник один из первых примеров суперсимметрии. Так родилась «теория суперструн». Уточняем для ясности: жизнеспособные модели теории струн, видимо, обязательно должны быть суперсимметричными, но суперсимметричные модели не обязательно как-либо связаны с теорией струн. Если бы мы нашли суперсимметричные частицы на БАКе, это увеличило бы шансы теории струн стать серьезной теорией, но и это не станет прямым доказательств существования струн.

Суперструны решили проблему устойчивости первых струнных моделей, но одновременно с ними в теории оказались безмассовые частицы, которые взаимодействовали со всеми энергиями. Это раздражало, поскольку основной целью первых теорий струн было объяснение сильного взаимодействия, а в ядерных взаимодействиях, как известно, нет никаких безмассовых частиц. Но в 1974 году Джоэл Шерк и Шварц показали, что существует одна известная безмассовая частица, которая как раз взаимодействует со всеми энергиями – гравитон. Они предположили, что, возможно, теория струн является не теорией сильных взаимодействий, а теорией квантовой гравитации и всех других известных взаимодействий – то есть теорией всего.

Эта идея сначала ошеломила всех, поскольку теоретики, в 1970-х годах занимающиеся теорией элементарных частиц, не слишком озадачивались гравитацией. Однако к 1984 году стало ясно, что Стандартная модель хорошо объясняет поведение элементарных частиц, и теоретики занялись поиском новых задач. В том же году Майкл Грин и Джон Шварц показали, что в теории суперструн можно избежать проблем с математической противоречивостью, которые, как многие думали, могли сделать теорию нерелевантной. Подобно тому, как теория электрослабых взаимодействий стала страшно популярной, как только Хоофт показал, что она перенормируема, теория струн начала свое победное шествие после выхода статьи Грина и Шварца и в последующие годы стала одной из основных составляющих теории элементарных частиц.

Существует еще одна проблема, которую теории струн необходимо решить: размерность пространства-времени. Квантовая теория поля более гибкая, чем теория струн, и есть разумные теории поля для самых разных размерностей пространства-времени. Но теория суперструн жестче – ранние исследования показали, что естественное количест во размерностей пространства-времени, при которых теория чувствует себя комфортно, равно десяти: девять измерений для пространства и одно для времени (в нашем обычном мире три пространственные размерности и одна временная). С этого места слабонервных просим остановиться и пропустить следующие несколько идей. Теоретики, занимающиеся теорией струн, давно хотели включить гравитацию в теории известных взаимодействий. И вот они позаимствовали старую идею, выдвинутую еще в 1920 году Теодором Калуцей и Оскаром Клейном, состоящую в следующем: возможно, некоторые измерения пространства скрываются от нашего взгляда, свернувшись в крошечный шарик – настолько крошечный, что его трудно рассмотреть или даже исследовать в ускорителях частиц высоких энергий. Цилиндр, например соломинка или резиновый шланг, имеют два измерения – положение каждой точки на поверхности цилиндра вы можете определить, указав две координаты. Но если вы посмотрите на них издалека, они покажутся вам просто отрезком прямой. С этой точки зрения, издалека цилиндр представляет собой линию, в каждой точке которой имеется крошечный компактный круг. Вспомним, что короткие волны соответствуют высоким энергиям, и если компактное пространство достаточно мало, только частицы с чрезвычайно высокими энергиями могут его почувствовать.

Три разные модели компактификации. То, что выглядит для макроскопического наблюдателя точкой, при ближайшем рассмотрении оказывается пространством большего числа измерений. Слева направо: тор (поверхность бублика), сфера (поверхность мячика), деформированное пространство между двумя бранами. Реальные компактификации будут включать большее количество дополнительных измерений, но это трудно изобразить на рисунке.

Идея «компактификации» дополнительных измерений, с помощью которой теоретики пытаются связать теорию струн с наблюдаемыми явлениями, стала важной частью этой теории. Для создания различных ее версий на фундаментальном уровне существует очень мало свободных параметров. Как было показано в 1980 году, на самом деле есть только пять струнных теорий, в каждой из них вводится десять измерений пространства-времени, и когда шесть из них мы скрываем, то обнаруживаем, что компактификацию можно выполнить многими различными способами. Хотя непосредственное изучение компактного многообразия требует очень высоких энергий (предположительно порядка планковской энергии квантовой гравитации – 1018 ГэВ), способ конкретной компактификации непосредственно влияет на физические процессы, которые мы наблюдаем и при низких энергиях. Под «характеристиками компактификации» мы имеем в виду ее объем, форму, и топологию. Компактификация на тор (поверхность бублика) будет сильно отличаться от компактификации на сферу (поверхность шара). А под «физическими процессами, которые мы наблюдаем при низких энергиях», мы понимаем разнообразие существующих фермионов и сил, а также конкретные значения различных масс и взаимодействий.

Таким образом, в то время как сама теория струн очень интересна, сравнение ее с экспериментами оказалось делом крайне сложным. Не зная того, как дополнительные размерности компактифицированы, из теории струн невозможно сделать определенные выводы о том, что мы должны наблюдать. Это довольно общая проблема, а не только проблема теории струн, возникающая при любой попытке применить квантовую механику к гравитации: прямые экспериментальные исследования требуют энергий масштаба планковской, а ни один физически осуществимый ускоритель частиц не способен достичь этих значений. Неправильно было бы говорить, что мы никогда не получим данные, которые помогут нам в проверке моделей квантовой гравитации, но эта проверка определенно потребует не грубой силы, а тонкого инструментария.

Браны и множественная вселенная

В 1990-е годы произошло два события, радикально изменившие способ, которым люди пытались связать теорию струн с реальностью. Первым было открытие Джозефом Полчински: оказалось, теория струн не ограничивается только теорией одномерных струн, есть и многомерные объекты, они-то и играют решающую роль.

Двумерная поверхность называется «мембрана», но теоретики, занимающиеся теорией струн (струнные теоретики), должны уметь описывать и трехмерные, и многомерные объекты, и они придумали терминологию обозначения многомерных объектов – «2-брана», «3-брана» и так далее. Частица – это нулевая брана, а струна – 1-брана. Используя эти многомерные браны, струнные теоретики показали, что их теория еще более уникальна, чем они думали: все пять десятимерных теорий суперструн, как и 11-мерная теории «супергравитации», в которой вообще нет струн, – просто разные версии одной базовой «М-теории». (И по сей день никто не знает, что обозначает «М» в названии «М-теория».)

Плохая новость заключается в том, что это многообразие бран натолкнуло струнных теоретиков на мысль о том, что существует еще больше способов для компактифакции дополнительных измерений. Отчасти это было вызвано попытками найти компактификации, при которых энергия вакуума оказалась бы положительной. Большую роль тут сыграло и открытое в 1998 году ускоренное расширение Вселенной. Это один из тех редких случаев, когда продвижение в теории струн было спровоцировано экспериментальным результатом. Лиза Рэндалл и Раман Сундрум использовали теорию бран и создали совершенно новый вид компактификации, в которой пространство между двумя бранами «деформируется». Их работа привела к появлению большого разнообразия новых подходов в физике элементарных частиц, в том числе к новым способам решения проблемы иерархии.

Этот результат, к сожалению, вероятнее всего похоронил последние надежды на то, что, найдя «правильную» компактификацию, можно каким-то образом связать теорию струн со Стандартной моделью. Количество компактификаций, о которых мы говорим, трудно оценить, хотя предполагаемый ответ крутится вокруг цифры цифра 10500. Это большое число, особенно когда перед нами стоит задача найти среди них одну-единственную компактификацию, согласующуюся со Стандартной моделью.

Чтобы устранить это препятствие, некоторые сторонники теории струн использовали другой подход: вместо того, чтобы искать одну истинную компактификацию, они допускают, что разные части пространства-времени имеют различные компактификации, и каждая компактификация где-то реализуется. Поскольку компактификации определяют частицы и силы, существующие при низких энергиях, из этого следует, что в разных областях пространства должны работать различные законы физики. И тогда мы можем назвать каждую такую часть отдельной «вселенной», а все их множество – «множественной вселенной».

На первый взгляд, при таком подходе любые попытки сделать проверяемые предсказания в принципе невозможны. Однако сторонники концепции множественной вселенной утверждают, что надежда еще не потеряна. Во многих частях множественной вселенной, мультивселенной, – утверждают они – условия совершенно не подходят для разумной жизни, и она не может возникнуть либо потому, что нет соответствующие сил, либо потому, что энергия вакуума настолько велика, что из-за быстрого расширения этой вселенной отдельные атомы разорвутся на части. Проблема в том, что мы не очень хорошо понимаем условия, при которых может появиться жизнь. Однако оптимисты продолжают надеяться на то, что если мы преодолеем такие нашу земную зашоренность, то сможем представить, что в действительности типичные наблюдатели в множественной вселенной должны были бы наблюдать. Другими словами, даже если мы не видим другие «вселенные» непосредственно, мы могли бы использовать идею множественной вселенной, чтобы делать проверяемые предсказания. Один из основных принципов космологии – «антропный принцип»[15] – говорит о том, что на нас действует сильный эффект отбора, ограничивающий условия, которые мы можем наблюдать, только теми, которые соответствуют нашему существованию.

Это амбициозная гипотеза, и, возможно, проверить ее не удастся. Но ученые пытаются продвинуться в этом направлении, и, в частности, они применили антропный принцип к определению свойств бозона Хиггса. Это коварная область: еще в 1990 году Михаил Шапошников и Игорь Ткачев, пытаясь предсказать значение массы бозона Хиггса при некоторых антропных предположениях, пришли к выводу, что масса частицы должна быть равна 45 ГэВ. Как мы теперь понимаем, это значение явно не согласуется с экспериментальными данными, так что в тех предположениях что-то было неправильным. В 2006 году другая группа уже при других предположениях предсказала значение 106 ГэВ, что ближе к правильному значению, но все еще далеко. Теперь, когда нашли бозон Хиггса при 125 ГэВ, маловероятно, что многие другие прогнозы, в которых по той или иной причине не удавалось получить это значение, будут опубликованы.

Ради справедливости мы должны упомянуть самый впечатляющий успех антропного принципа – предсказание величины энергии вакуума. В 1987 году – более чем за десять лет до открытия ускорения Вселенной – Стивен Вайнберг заметил, что очень высокая (или большая и отрицательная) энергия вакуума будет мешать образованию галактик. Таким образом, большинство наблюдателей в мультивселенной должно увидеть небольшое, но отличное от нуля значение энергии вакуума. (Ноль допускается, но ненулевых чисел больше чем чисел, равных нулю.) Значение, которое мы видим (или думаем, что видим), вполне согласуется с предсказанием Вайнберга. Конечно, Вайнберг неявно представлял такую мультивселенную, в которой только значение энергии вакуума меняется от места к месту, а если мы позволим и другим параметрам изменяться, согласие становится гораздо менее впечатляющим.

Несмотря на пессимистичный и даже ворчливый тон, в котором написан этот раздел, я считаю сценарий мультивселенной на самом деле довольно правдоподобным. (В книге «Из вечности в сегодня», я предположил, что эта концепция может быть использована для объяснения малого значения энтропии в ранней Вселенной.) Если теория струн или какая-либо другая теория квантовой гравитации допускает различные проявления локальных законов физики в различных областях пространства-времени, множественная вселенная может быть реальной, независимо от того, способны ли мы наблюдать ее или нет. Я всегда серьезно отношусь к разным правдоподобным теориям, однако на данном уровне развития мы очень далеки от того, чтобы превратить концепцию мультивселенной в предсказательную теорию физики элементарных частиц. Мы не можем позволить нашим личным антипатиям повлиять на оценку космологических сценариев, но мы также не можем позволить своему излишнему энтузиазму помешать их критическому осмыслению.

Двигаемся дальше

В микромире еще многое предстоит изучить, и еще много проблем физики элементарных частиц остается за пределами Стандартной модели. Почему во Вселенной оказалось больше материи, чем антиматерии? В нескольких сценариях происхождения такой асимметрии используется гипотеза о космологической эволюции поля Хиггса, так что более глубокое понимание его свойств, возможно, приведет к новому пониманию проблемы материи и антиматерии. Есть также интересные модели типа «техницвета», в соответствии с которой бозон Хиггса является составной частицей, как и протон, а не чем-то фундаментальным.

Открытие бозона Хиггса – это не конец физики элементарных частиц. Бозон Хиггса оставался последним элементом Стандартной модели, но он открыл ворота в физику за рамками этой модели. В ближайшие годы мы будем использовать бозон Хиггса для поисков (и, надеюсь, изучения) темной материи, суперсимметрии, дополнительных измерений и всех других явлений, необходимых для объяснения поступающих в изобилии новых данных. Открытие бозона Хиггса – это конец одной эпохи и начало другой.

Глава 13 Ради чего стоит защищать родину

Почему стоит заниматься физикой элементарных частиц и что будет с ней дальше

В 1969 году Роберта Уилсона, руководившего строительством Фермилаба, вызвали на заседание Объединенного комитета по атомной энергии при Конгрессе США, чтобы помочь сенаторам и представителям нижней палаты понять, для решения каких задач предназначен этот многомиллионный проект. Тот день стал поворотным в истории физики элементарных частиц в США. Манхэттенский проект по разработке атомной бомбы создал у физиков ощущение своего могущества и легкости получения денег на свои проекты. Но сейчас политики задумались, даст ли поиск новых элементарных частиц стране к что-то столь же ценное, как, например, новый вид мощного вооружения. Сенатор Джон Пасторе от штата Род-Айленд прямо спросил Уилсона: «Сможет ли этот ускоритель каким-то образом усилить безопасность страны?», на что Уилсон искренне ответил: «Нет, сэр, не думаю».

Можно представить, как озадачили сенатора слова Уилсона – скорее всего, он ожидал услышать ритуальные заявления о том, что конечно же, лаборатория Ферми сыграет решающую роль в поддержании баланса сил с Советским Союзом. Этот аргумент в те годы срабатывал для обоснования любых капиталовложений, и сенатор переспросил, действительно ли нет вообще никаких надежд на это, и опять Уилсон просто ответил: «Вообще никаких». Но нельзя стать сенатором, не обладая определенным упрямством, и Пасторе предпринял третью попытку получить нужный ответ, и чтобы удостовериться точно, что он правильно понял ответ Уилсона, переспросил еще раз: «Действительно ли ускоритель не представляет никакой ценности в этом отношении?»

Уилсон был достаточно умен, чтобы услышать намек: если он хочет, чтобы Конгресс финансировал его амбициозный, хотя и непонятный многим проект, он должен сказать что-то более весомое. Но Уилсон не отступил от своей первоначальной позиции, и этот его ответ стал одним из самых ярких в долгой истории многочисленных попыток ученых объяснить, почему они делают то, что делают: «Он [ускоритель] имеет отношение только к уважению, с которым мы относимся друг к другу, к достоинству человека, к нашей любви к культуре. Он имеет отношение к тому, насколько мы хорошие художники, хорошие скульпторы, великие поэты. Я имею в виду все, что мы действительно ценим в нашей стране и что делает нас патриотами, и хотя он не имеет ничего общего с защитой нашей страны напрямую, он имеет отношение к тому, ради чего ее стоит защищать».

Большая наука не дешева. БАК стоил около девяти миллиардов долларов, почти все из которых были взяты в конечном счете из налогов, собранных в разных странах по всему миру. Люди, заплатившие эти деньги, имеют право знать, что за них получат, и ученые обязаны быть максимально честными, говоря о пользе фундаментальных исследований. Иногда она, эта польза, проявляется в виде важных технологических открытий. Но в конечном счете самое главное – познание природы, которое становится возможным именно благодаря подобным чрезвычайно амбициозным проектам.

Не все с этим согласны. Стивен Вайнберг, неутомимый сторонник инвестиций в фундаментальную науку, вспоминает показательную историю: «В ходе дискуссии по поводу Сверхпроводящего суперколлайдера (ССК) я был приглашен на радио-шоу Ларри Кинга вместе с конгрессменом, который выступал против строительства ускорителя. Конгрессмен сказал, что он не против расходов на науку, но мы должны установить приоритеты. Я объяснил, что ССК поможет нам узнать законы природы, и спросил, не заслуживает ли эта цель, по мнению конгрессмена, высокого приоритета. Я помню каждое слово в его ответе. Он сказал: “Нет”».

Многие люди придерживаются этой точки зрения, проявляя определенную близорукость: таким образом они упускают более далекую перспективу. Фундаментальная наука не может немедленно усилить национальную оборону или изобрести лекарство от рака, но она обогащает нашу жизнь, открывая нам что-то новое во Вселенной, частью которой мы являемся. И эта цель обладает высочайшим приоритетом.

Когда я получу свой реактивный летательный аппарат?

Никто не скажет, что мы не хотим найти полезные технологические применения результатам, получаемым современной физикой элементарных частиц. Ученые любят поговорить о том, что фундаментальные исследования – это научные исследования, осуществляемые только ради чистой науки, а не в погоне за немедленной выгодой. Но очень часто именно фундаментальные исследования приводят к чрезвычайно важным в практическом отношении последствиям, даже если о них вначале и не подозревали. История науки – от изобретения электричества до создания квантовой механики – полна идей, когда-то казавшимимся совершенно абстрактными и непрактичными, а позже определивших технический прогресс.

Можем ли мы представить, что произойдет что-то подобное с исследованиями на БАКе? Как заметил однажды Нильс Бор, точные прогнозы делать очень трудно, особенно по поводу будущего. Тем не менее нужно признать: то, что мы ищем и находим на БАКе, может быть совсем не похоже на фундаментальные открытия физики прошлых веков. Очень вероятно, что из частиц, которые мы обнаружим на БАКе, никогда нельзя будет извлечь пользу для практической жизни.

Это предположение – не просто проявление пессимизма, оно следует из особой природы объектов, которые мы надеемся обнаружить. Когда Бенджамин Франклин изучал электричество или Генрих Герц – радиоволны, они не создавали сущностей, не существующих в природе. Электричество и радиоволны присутствуют везде вокруг нас, даже если выкинуть все искусственные их источники. Ученые в ту эпоху научились лишь манипулировать таинственными явлениями природы, и не удивительно, что обнаруженные ими закономерности позже привели к технологическому прогрессу. На БАКе, напротив, мы заняты в буквальном смысле изготовлением частиц, которых нет в окружающей нас природе, и по понятным причинам. Эти частицы, как правило, очень массивные, и поэтому для их рождения требуется огромные энергии. Они либо столь слабо взаимодействуют с веществом, так что их трудно зарегистрировать и на них трудно влиять (например, нейтрино), или же живут очень недолго и распадутся прежде, чем из них удастся извлечь пользу.

Возьмем в качестве примера бозон Хиггса. Создать его нелегко – как мы знаем, это можно сделать, только построив ускоритель частиц длиной в несколько десятков километров. Возможно, благодаря разным технологическим усовершенствованиям когда-нибудь ученые и создадут карманное устройство, способное достичь таких высоких энергий. Пока никто не имеет ни малейшего представления, как это сделать, но это во всяком случае не нарушило бы законы физики. Но даже если у вас в руках будет карманный – типа iPad – источник бозонов Хиггса, для чего его можно было бы использовать? Каждый произведенный бозон Хиггса распадается меньше чем за цептосекунду. Трудно себе представить какие-либо приложения этих бозонов, в которых не разумнее использовать какие-то другие – более стабильные – частицы.

Этот аргумент, конечно, легко опровергнуть. Мюоны – тоже нестабильные частицы, но им нашлись важные технологические применения: от катализа ядерного синтеза до поиска потайных камер в египетских пирамидах. Но все-таки время жизни мюона составляет около одной миллионной доли секунды – гораздо больше, чем у хиггсовского бозона. Нейтрино – стабильные, но слабо взаимодействующие частицы, и некоторые дальновидные люди думают, что их когда-нибудь будут использовать для коммуникаций. Если бы мы обладали богатым воображением, мы смогли бы сказать, что обнаружим частицы темной материи и найдем им похожее применение. Однако это не тот бизнес, в который я рекомендовал бы вкладывать много денег.

Сверхсветовые корабли и левитация

Поскольку бозон Хиггса отвечает за придание частицам массы, люди часто спрашивают: сможем ли мы заставить предметы стать легче или тяжелее, изучив его свойства? Или еще круче. На следующий день после оглашения открытия бозона 4 июля, канадский National Journal напечатал статью с броским заголовком: «Ученые говорят, что открытие бозона Хиггса сделает возможным движение кораблей со скоростью света». Никто из ученых, цитируемых в статье, не сказал ничего подобного, но очень вероятно, что какие-то ученые где-то когда-то и ляпнули такое.

Использование бозона Хиггса для того, чтобы сделать предметы легкими или даже невесомыми – идея абсолютно бессмысленная по нескольким причинам. Наиболее очевидная из них – то, что подавляющая часть массы обычных объектов определяется не бозоном Хиггса, а энергией сильных взаимодействий внутри протонов и нейтронов. Но что еще более важно, массу кваркам и заряженным лептонам на самом деле дает не сам бозон Хиггса, а поле Хиггса, скрывающееся в пустом пространстве. Желая, например, изменить массу электрона, вы должны были бы не шарахнуть по нему хиггсовским бозоном, а изменить значение фонового поля Хиггса.

Легче это сказать, чем сделать. Хотя мы и можем представить себе вероятность изменения поля Хиггса, у нас нет ни малейшего представления о том, как на самом деле это устроить. Кроме того, тут потребуется невообразимая энергия. Предположим, мы нашли способ уменьшить поле Хиггса внутри некоторого небольшого, но макроскопического объема пространства с его обычного значения (246 ГэВ) до нуля. При обычном значении поля Хиггса у него минимальная энергия, и заставить его принять нулевое значение – значит, увеличить энергию в нашем небольшом объеме. Из соотношения E = тc² следует, что этот объем теперь имеет и массу. Быстрый расчет показывает, что область размером с мяч для гольфа, внутри которого поле Хиггса обращено в ноль, будет иметь приблизительно массу Земли! Если бы мы хотели сделать это поле намного больше его обычного значения, небольшой объем сосредоточил бы в себе такую громадную массу, что он весь бы сжался и образовалась бы черная дыра.

Наконец, даже если нам каким-то образом удалось бы выключить поле Хиггса, скажем, внутри нашего тела, это не означало бы, что мы вдруг стали бы легче. Некоторые элементарные частицы станут легче – например, электроны и кварки – и нарушенная симметрия слабого взаимодействия могла бы восстановиться. Но в результате атомы и молекулы в вашем организме образуют совершенно другие конфигурации, скорее всего, просто все распадутся и испустят огромное количество энергии. Уменьшить поле Хиггса – это вам не сесть на диету: не похудеете, а взорветесь.

Так что в ближайшее время не стоит с нетерпением ждать появления устройств для левитации, управляемых с помощью поля Хиггса, однако вполне возможно, что новые открытия на БАКе заложат основу для таких будущих применений, которые мы сегодня не можем себе и представить…

«Побочные продукты»

Но иногда исследования в области физики элементарных частиц действительно приносят весьма ощутимую пользу. Эта польза обычно выражается не в виде непосредственного применения только что найденных новых частиц, а в виде побочных продуктов – новых технологий, разрабатываемых для усовершенствования самих экспериментальных установок.

Наиболее известным примером является Всемирная паутина. Тим Бернерс-Ли, работая в ЦЕРНе, изобрел Всемирную паутину, когда искал способы упростить обмен информацией между физиками элементарных частиц. Теперь наш мир просто нельзя представить без Интернета. Но никто никогда не предлагал финансировать ЦЕРН, потому что когда-нибудь в нем будет изобретен Интернет – это произошло, потому что много умных людей собрались вместе и создали мощную интеллектуальную среду. Перед ними стояли сложные технологические задачи, и результатов долго ждать не пришлось.

Есть много других подобных примеров. Потребность ускорителей частиц в уникальных мощных сверхпроводящих магнитах привела к важным достижениям в сверхпроводящих технологиях. Навыки в управлении частицами нашли применение в медицине и других областях науки, например, химии и биологии, а также стерилизации и тестировании пищевых продуктов. Развитие прочных и высокочувствительных детекторов, впервые изготовленных в экспериментах физики элементарных частиц, нашли применение в медицине, измерении уровня радиации и технике безопасности. Невероятно высокие требования к вычислительной мощности и скорости передачи информации привели к важным открытиям в области компьютерных технологий. Список можно продолжать еще долго, но отсюда следует ясный вывод: деньги, ушедшие на поиск частиц, смысл которых понятен лишь высоколобым ученым, потрачены не зря.

Точно оценить эффективность инвестиций в фундаментальные исследования очень трудно. Экономист Эдвин Мэнсфилд показал, что для общества в целом эти инвестиции в действительности весьма прибыльны. Мэнсфилд утверждает, что государственные расходы на фундаментальную науку дают в среднем прибыль 28 %, а такой доход каждый был бы рад получить от своего инвестиционного портфеля. Конечно, эти цифры в лучшем случае предоставляют информацию к размышлению, поскольку детали в значительной степени зависят от того, какие отрасли промышленности учитываются и что понимается под «фундаментальной наукой». Но они укрепляют парадоксальный на первый взгляд вывод: в фундаментальной науке исследования, которые никак не назовешь прикладными, приносят довольно впечатляющие дивиденды.

Но самый важный побочный эффект фундаментальных исследований вообще не связан с технологиями – это вдохновение, которым знание заражает людей всех возрастов. Кто знает, вдруг какой-то ребенок, услышав о бозоне Хиггса, заинтересуется наукой, начнет ее изучать, и в конечном итоге станет врачом или инженером мирового класса? Когда общество инвестирует небольшую часть своего богатства в то, чтобы задавать природе важные вопросы и отвечать на них, оно удовлетворяет неизбывное любопытство, присущее людям, ведь всем нам так хочется узнать, как устроена Вселенная, в которой мы живем!

Будущее физики элементарных частиц

Если не считать скупого конгрессмена – оппонента Вайнберга, – большинство людей готовы признать, что изучение законов природы – стоящий проект. Однако возникает разумный вопрос: сколько именно по-вашему он стоит? И в этом смысле судьба Сверхпроводящего суперколлайдера довлеет над всеми, кто думает о будущем физики элементарных частиц. Мы живем в эпоху, когда деньги жестко диктуют, какие проекты жизнеспособны, а какие – нет, и дорогие проекты должны оправдывать себя. БАК является потрясающим достижением, и мы надеемся, что он будет активно функционировать еще в течение многих лет, но в какой-то момент все, чему он может научить нас, мы узнаем. И что тогда?

Проблема в том, что хотя подавляющее большинство достойных научных проектов намного дешевле, чем ускоритель частиц высоких энергий, есть определенные вопросы, которые не решаются без такой машины. БАК стоит примерно 9 миллиардов долларов, и он уже подарил нам бозон Хиггса, а в будущем, надеюсь, даст гораздо больше. Не нужно думать, что если бы на этот проект дали всего лишь 4,5 миллиардов долларов, мы бы обнаружили половину бозона Хиггса или нам бы потребовалось в два раза больше времени, чтобы найти его. Мы просто ничего бы не нашли. Создание новых частиц требует высоких энергий и светимостей, а для этого нужно большое количества высококлассного оборудования и опыта, а все это стоит денег. И сегодня существует вполне реальная угроза того, что прекрасный БАК станет последним ускорителем высоких энергий, построенным при нашей жизни.

Если деньги найдутся, недостатка в соображениях по поводу возможных следующих шагов нет. Энергию самого БАКа можно повысить до больших значений, но это уже будет некоторым паллиативом. Основное внимание направлено на создание нового линейного коллайдера (прямолинейного, а не кольцевого), который бы сталкивал электроны и позитроны. Одно из предложений уже окрестили Международным линейным коллайдером (ILC), его длина должна превышать 32 км, а рабочие энергии – либо 500 ГэВ, либо 1 ТэВ.

Поскольку запланированные значения энергии меньше, чем на БАКе, может показаться, что строительство ILC – шаг назад, но принцип работы электрон-позитронных коллайдеров отличается от принципа действия адронных коллайдеров. Вместо того чтобы разгонять частицы до максимально больших энергий, сталкивать их и смотреть на то, что получится, электрон-позитронные коллайдеры настраиваются именно на ту энергию, которая необходима для получения определенной новой частицы, то есть они идеально подходят для прецизионных измерений. Теперь, когда мы знаем, что масса бозона Хиггса равна 125 ГэВ, весьма заманчиво его исследовать на линейном коллайдере.

Смета расходов на строительство ILC варьировалась от 7 миллиардов до 25 миллиардов долларов, а среди возможных мест его дислокации называлась Европа, США и Япония. Ясно, что проект потребует теснейшего международного сотрудничества, политической хитрости и новейших разработок в области экспериментальной физики. Альтернативный проект – Компактный линейный коллайдер (CLIC) – разработан в ЦЕРНе. Он должен быть короче, но работать при более высоких энергиях из-за применения инновационных (и, следовательно, более рискованных) технологий. В 2012 году два конкурирующих проекта были объединены в один. Возглавлять совместный проект будет Лин Эванс, который после ухода с поста руководителя команды БАКа так и не сумел научиться получать удовольствие от пребывания на пенсии. Задачей Эванса будет принятие решение о наиболее перспективной технологии, а также модерирование конкурирующих интересов различных стран, соревнующихся за право построить у себя новый коллайдер (но не рвущихся платить за это).

Когда вы разговариваете с кем-либо из тех, кто был связан с БАКом, почти всегда одной из первых поднимается тема вдохновляющей роли международного сотрудничества, сложившегося на коллайдере. Ученые и техники разных национальностей, возрастов и профессий собрались вместе, чтобы построить нечто грандиозное. Будущее физики элементарных частиц представляется радужным при условии, что наше богатеющее общество сможет мобилизовать силы и вложить значительные ресурсы в новые научные объекты. А какова будет величина этих инвестиций – решать всему человечеству.

Изумление

Интервьюируя своих коллег-физиков в ходе работы над книгой, я был поражен: оказалось, что многие из них, прежде чем окончательно посвятить себя науке, увлекались искусством. Фабиола Джанотти, Джо Инкандела и Сау Лан Ву, – все в молодости изучали изобразительное искусство или музыку. Дэвид Каплан был не последним человеком в киноиндустрии.

И это не случайно. Наше стремление понять, как работает природа, часто дает практические результаты, но не это соображние решающее в привлечении людей к науке. Страсть к науке не носит утилитарного характера, она вырастает из эстетического чувства. Мы открываем для себя что-то новое о мире, и это позволяет нам лучше оценить его красоту. На первый взгляд слабые взаимодействия – сплошной хаос: бозоны – переносчики взаимодействий – имеют разные массы и заряды, и для различных частиц силы взаимодействий разные. Но если копнуть глубже, обнаруживается элегантный механизм: нарушенная симметрия, скрытая от наших глаз полем, пронизывающим все пространство. Это можно сравнить с удовольствием от чтения стихов на языке оригинала после того, как долго довольствовался посредственным их переводом.

Я недавно помогал делать телешоу, в котором авторы пытались объяснить, что такое бозон Хиггса. Когда вы делаете что-то для телевидения, слов всегда недостаточно, нужны убедительные образы. Если вы пытаетесь объяснить что-то про субатомные объекты, единственный способ найти такие запоминающиеся образы – придумать хорошую аналогию. Итак, вот что я придумал: представьте себе маленьких роботов, которые носятся по дну вакуумной камеры. На каждый робот нацеплен парус, но размер парусов у них самый разный – от достаточно большого до совсем маленького. Сначала мы снимаем роботов в откаченной камере, и тогда все они движутся с одинаковой скоростью: если нет воздуха, паруса совершенно бесполезны. А потом мы впускаем в камеру воздух. Теперь роботы с крошечными парусами двигаются быстро, а те, у которых большие паруса, тормозятся и кажутся более вялыми. Надеюсь, аналогия понятна. Роботы представляют собой частицы, а паруса – сила их взаимодействия с полем Хиггса, аналогом которого здесь является воздух. В вакууме, когда нет воздуха, роботы все симметричны и движутся с одинаковой скоростью. Заполнение камеры воздухом нарушает симметрию, как и поле Хиггса. Можно даже продолжить аналогию и сказать, что звуковые волны в воздухе – аналог бозонов Хиггса.

Так как я сам – абсолютный теоретик, никто не хотел мне доверить командование роботами, поэтому я консультировался с некоторыми из моих коллег по Калифорнийскому технологическому институту из отдела техники и воздухоплавания, как все это показать. И они отвечали мне примерно одинаково: «Понятия не имею, что такое бозон Хиггса и хорошая ли это аналогия, но выглядит потрясающе!»

В глубине души наука как раз и является поиском потрясающего – буквального потрясения, которое мы чувствуем, когда впервые понимаем что-то важное. С этим чувством мы все рождаемся, хотя часто теряем его взрослея, когда в нашей жизни начинают доминировать более приземленные проблемы. Однако это спящее в каждом из нас детское любопытство вновь выходит на первый план, когда происходит некое большое событие вроде открытия бозона Хиггса на БАКе. Тысячи людей строили БАК и его детекторы, тысячи людей анализировали данные, которые привели к этому открытию, но принадлежит оно всем, кто интересуется устройством Вселенной.

Мохаммед Яхья ведет блог журнала Nature под названием «Дом Мудрости» – этот блог посвящен науке на Ближнем Востоке. После того как 4 июля состоялся семинар, где объявили об открытии бозона Хиггса, Яхья сделал восторженную запись, подчеркнув интернациональный характер современной наукой: «В то время как люди в арабском мире заняты политикой, революциями, вопросами прав человека и восстаниями, наука говорит с нами всеми на одном языке, и мы становимся единым целым. Только искусству и науке не подвластны никакие границы».

Всего через несколько часов после семинаров 4 июля 2012 года, на которых было объявлено о долгожданном открытии бозона Хиггса, Лина Эванса спросили, что, по его мнению, молодые люди могли бы извлечь из этой новости. Он ответил не задумываясь: «Вдохновение. Такие грандиозные пректы должны всех вдохновлять. Когда мы были молоды, происходило много потрясающих вещей – например, человек достиг Луны. Самое главное – возбудить в юных душах интерес к науке». И создатели БАКа сумели это сделать.

Смысл и истина

Физика элементарных частиц может найти свои корни аж в учениях атомистов Древней Греции и Рима. Для таких философов, как Левкипп, Демокрит, Эпикур и Лукреций, представление о природе было основано на том, что материя и энергия – различные формы, которые принимают комбинации небольшого числа фундаментальных начал, атомов. Мыслители Античности не были учеными в современном смысле этого слова, но некоторые их идеи очень хорошо согласуются с нашим сегодняшним пониманием Вселенной.

Древний мир не знал придуманных нами строгих границ между разными академическими дисциплинами, которые преподаются в современных университетах. Ученые прошлого были философами, и наряду с материальной реальностью интересовались и этикой, смыслом жизни. Что касается их представлений об атомах, с нашей сегодняшней точки зрения не все их выводы правильны (например, неделимость атомов), но многие по-прежнему остаются актуальными. Они пытались руководствоваться логическими выводами из своего атомистического подхода к устройству мира. Если реальность есть просто взаимодействие атомов, где мы должны искать цель и смысл жизни? Эпикур, в частности, отвечая на эти вопросы, говорил, что ценность имеет именно та жизнь, которую мы проживаем здесь, на Земле, и призывал своих последователей оставаться спокойными перед лицом смерти, высоко ценить дружбу и находить удовольствие в умеренности.

Наука в конечном счете – описательный род деятельности, а не рекомендательный. Она рассказывает о том, что происходит в мире, а не то, что должно произойти или как относиться к тому, что происходит. Знание массы бозона Хиггса не делает нас лучше и не указывает, каким видом благотворительности заняться. Но наука может нам преподать два важных жизненных урока.

Первый урок состоит в том, что мы являемся частью Вселенной. Все в организме человека успешно описывается Стандартной моделью физики элементарных частиц. Более тяжелые элементы, которые имеют столь важное значение для нашей биохимии, были сформированы внутри звезд в процессе ядерного синтеза. Карл Саган это прекрасно сформулировал: «Мы все сделаны из звездного вещества». Мы знаем, что наши атомы подчиняются Стандартной модели, но это не очень помогает, когда речь идет о проблемах реального мира – политике, психологии, экономике или любви, однако все идеи, которые возникают в этой связи, должны по крайней мере, не противоречить тому, что мы знаем о поведении элементарных частиц.

Мы являемся особенной частью Вселенной, у которой выработалась замечательная способность: мы имеем возможность отображать Вселенную в своей голове. Мы – материя, которая рассматривает себя. Как это получается? Физика элементарных частиц тут не дает нам ответа, но она – основной компонент главной теории, в которой этот ответ появится. С открытием бозона Хиггса наше понимание физики, лежащей в основе повседневной реальности, стало более полным. И это огромное достижение в интеллектуальной истории человечества.

Другой урок, который преподносит нам наука, состоит в том, что природа не позволяет нам обманывать себя. Наука начинается с предположений, которые для солидности называют «гипотезами», а затем эти предположения проверяются путем сравнения с экспериментальными данными. Процесс может занять несколько десятилетий и даже больше, и всем известно, что выбрать то, что является «лучшим объяснением экспериментальных данных», – всегда сложно. Но в конечном счете за экспериментами остается последнее слово. Не имеет значения, насколько красива ваша идея, сколько наград вы получили или каков ваш IQ, но если ваша теория противоречит экспериментальным данным – она неверна.

В этой ситуации есть одна плохая новость и одна хорошая. Плохая новость заключается в том, что наука – вещь очень сложная. Природа беспощадна, и большинство создаваемых учеными теорий оказываются неверными. А вот хорошая новость: природа, как строгий пастух, постепенно подталкивает нас к идеям, которые никогда бы не пришли нам в голову путем лишь умозрительных рассуждений. Перефразируя Сидни Коулмана, можно сказать, что тысяча философов, думая хоть тысячу лет, никогда бы не изобрели квантовую механику. И только потому, что результаты экспериментов порой загоняют нас в угол, мы решаемся изобретать столь странные и противоречащие здравому смыслу схемы, которые и формируют современную физику.

Трудно себе представить, что человек, живший тысячелетия до нас, однажды посмотрев на Солнце и задумавшись, отчего оно светит, после некоторых размышлений сказал: «Даю голову на отсечение, что большая часть массы Солнца образована частицами, которые могут врезаться друг в друга и слипаться, при этом одни из них – частицы первого типа – преобразуются в частицы другого типа и испускают частицы третьего типа, которые были бы безмассовыми, если бы не было поля, заполняющего пространство и нарушающего симметрию, отвечающую за соответствующие силы. А при слиянии пары частиц первых двух типов высвобождается энергия, которую мы в конечном счете и воспринимаем как солнечный свет». Но именно это и происходит на Солнце! Прошло не одно десятилетие, прежде чем процессы, идущие на нашей звезде, стали ясны, и этого никогда бы не произошло, если бы люди постоянно не искали объяснения самых различных опытов и наблюдений.

Бывает так, что экспериментальные данные направляют нас на правильный путь, и наука вдруг совершает невероятный прыжок в будущее. В 1960-х годах физики построили единую теорию электромагнитных и слабых взаимодействий, основанную на некоторых общих принципах, подтвержденных предыдущими экспериментами, и конкретных наблюдениях – таких как отсутствие безмассовых бозонов-переносчиков слабого взаимодействия. В рамках этой теории было сделано предсказание: должна существовать новая массивная частица, бозон Хиггса, который определенным образом взаимодействует с уже известными частицами. В 2012 году – через целых сорок пять лет после выхода в 1967 году статьи Стивена Вайнберга, в которой были собраны вместе все ингредиенты этой теории – это предсказание сбылось. Человеческий интеллект, руководствуясь подсказками природы, смог понять глубинный механизм работы Вселенной. И мы надеемся, что в ближайшие годы этот прорыв позволит нам узнать еще больше.

Когда я беседовал с Джоан Хьюэтт о том, какие качества обеспечивают успех в науке, она все время повторяла одно слово: настойчивость. От отдельных ученых требуется настойчивость, чтобы доводить трудные задачи до конца, а общество в целом должно быть готово поддержать дорогостоящие долгосрочные проекты, призванные решать тяжелейшие научные задачи. В работе по расшифровке структуры реальности сливки уже сняты. Легкая жизнь закончилась.

Вопросы, с которыми мы сталкиваемся, нелегки, но если недавняя история чему-то учит, к победе нас должно привести сочетание упорной работы со случайными вспышками озарения. Построение Стандартной модели, может быть, и закончено, но перед нами по-прежнему стоит задача понять остальную часть реальности. И будь это не столь трудно, наша жизнь не была бы так увлекательна.

Приложение 1 Масса и спин

Первое, что мы всегда слышим о поле Хиггса, – это то, что оно наделяет массой другие частицы. В этом Приложении мы собираемся несколько более подробно, чем в основном тексте, объяснить, что это значит. Все эти пояснения ни в коей мере не являются необходимыми, но кое-что могут прояснить.

Итак: зачем нам нужно поле, чья функция заключается в том, чтобы дать массу другим частицам? Почему частицы не могут получить массу без него?

Конечно, легко представить, что частицы становятся массивными, вообще не вводя поля Хиггса. Но частицы Стандартной модели – частицы особого типа, и из-за этого такое с ними произойти не может. Есть два различных набора частиц, которые получают массу с помощью поля Хиггса: W– и Z-бозоны – переносчики слабых взаимодействий, и электрически заряженные фермионы (электрон, мюон, тау-частица, и все кварки). Бозоны получают массу немного иначе, чем фермионы, но основной механизм в обоих случаях один и тот же: имеется симметрия, которая, как нам представляется, запрещает вообще иметь какую-любую массу, а поле Хиггса нарушает эту симметрию. Чтобы понять, как это происходит, мы должны поговорить о спине элементарных частиц.

Спин – одна из фундаментальных характеристик частиц в квантовой механике. Термин «квантовая механика», хотя сам по себе и не очень точный, связан с тем, что некоторые величины передаются только определенными, дискретными порциями. Например, энергию электрона, связаного с атомным ядром, можно менять только строго определенными порциями. То же самое верно и для величины, известной как «угловой момент» – он показывает, насколько быстро один объект вращается или двигается вокруг другого объекта. Правила квантовой механики говорят, что угловой момент квантуется, другими словами он может изменяться только на величину, пропорциональную некоторому фундаментальному, строго установленному значению. Минимальная неделимая единица углового момента задается постоянной Планка h – фундаментальной константой природы, деленной на 2π. Эта константа столь важна, что получила собственное название – «приведенная постоянная Планка» и причудливое обозначение h. Постоянную h Планк придумал, когда квантовая механика только нарождалась, но оказалось, что h используется гораздо чаще, так что мы именно ее теперь называем постоянной Планка. Численно h равна примерно 6,58 × 10-16 электронвольт умноженных на секунду.

Представьте, что у вас есть волчок, вращением которого вы можете очень точно управлять. Вы вращаете его все медленнее и медленнее и измеряете его скорость настолько точно, насколько хотите. Вы обнаружите, что, когда вращение сильно замедлится, будут разрешены только дискретные скорости вращения – скорость вращения волчка будет скачком изменяться от одной к другой подобно тому, как секундная стрелка кварцевых часов перепрыгивает с одной секунды на следующую. В конце концов вы дойдете до самого медленного из возможных вращений, при котором полный момент количества движения волчка будет равен h. Причина, по которой вы не замечаете такого скачкообразного изменения скорости вращения олимпийских фигуристов, вращающихся на льду, в том, что минимальное вращение чрезвычайно медленно: чтобы завершить полный оборот, игрушечному волчку с угловым моментом h потребовалось бы время, в сто триллионов раз превышающее возраст Вселенной.

Вращающийся волчок имеет угловой момент, потому что атомы в волчке в буквальном смысле слова вращаются вокруг некоторой центральной оси. Одним из следствий квантовой механики является то, что отдельные частицы также могут иметь «спин», даже если они на самом деле не вращаются вокруг чего-либо. Мы приходим к такому заключению исходя из того, что полный угловой момент должен оставаться постоянным во времени, а мы видим процессы, в которых вращающиеся частицы при взаимодействии превращаются в частицы, которые вообще не вращаются. Поэтому мы делаем вывод, что угловой момент должен перейти в спин частицы. Говоря «спин», мы всегда имеем в виду внутреннее квантовомеханическое «вращение» элементарных частиц, а говоря «угловой момент», мы подразумеваем классическое явление вращения одного объекта вокруг другого (его еще называют «орбитальный» угловой момент).

Как устроен спин

Есть несколько важнейших фактов, которые нужно знать о спине частицы. Каждый вид частиц имеет фиксированное значение спина, данное ему раз и навсегда, частицы никогда не начинают крутиться быстрее или медленнее. Если выражать спин в единицах ħ, то спин каждого фотона во Вселенной равен единице, а спин каждого бозона Хиггса – нулю. Спин – неотъемлемая особенность частицы, он не изменяется в процессе ее существования (если только она не превращается в частицу другого вида).

В отличие от обычного орбитального углового момента наименьшая величина спина составляет половину ħ, а не целое ħ. Электрон, так же как и верхний кварк, имеет спин ħ/2. (Для объяснений нужно глубже закопаться в квантовую теорию поля, поэтому просто посчитаем это причудой квантовой теории поля.)

Существует простая связь между спином частицы и ее природой, то есть бозон она или фермион. Каждый бозон имеет спин, который выражается целым числом: 0, 1, 2, и т. д. (здесь и далее мы выражаем спин в единицах ħ). Каждый фермион имеет спин, выражаемый целым числом плюс половина: 1/2, 3/2,5/2, и т. д. Эта связь такая жесткая, что мы часто определяем бозоны как «частицы с целым спином», а фермионы – как «частицы с полуцелым спином». Это не совсем верно – по определению, которое мы дали раньше, бозоны могут «садиться» друг на друга, а фермионам необходимо пространство, и именно в этом истинное различие между этими двумя классами частиц. А знаменитая теорема в физике – «теорема о связи спина со статистикой» (теорема Паули) уже доказывает, что частицы, способные жить друг на друге, должны иметь целочисленные спины, а частицы, требующие места в пространстве, имеют полуцелые спины. По крайней мере это так в четырехмерном пространстве-времени, но мы здесь ни о чем другом говорить не будем.

Все частицы Стандартной модели обладают весьма определенными спинами. Спин всех известных элементарных фермионов – кварков, заряженных лептонов и нейтрино – равен 1/2. Гравитино – гипотетический суперсимметричный партнер гравитона – имел бы спин 3/2, но гравитино пока не нашли. Сам гравитон имеет спин 2, и он в этом отношении не похож на все остальные элементарные частицы. Другие калибровочные бозоны – фотон, глюоны, а также W и Z – все имеют спин 1. (Разница между гравитоном и другими бозонами – переносчиками сил – в конечном счете определяется тем, что симметрия, лежащая в основе гравитации, – симметрия самого пространства – времени, в то время как другие силы живут в пространстве – времени.) Бозон Хиггса, который стоит в стороне от всех остальных, имеет спин 0. Частицы с нулевым спином называются скалярами, а поля, из колебаний которых они возникают, называют скалярными полями.

Важно различать «спин частиц» и «величину спина, измеряемую относительно некоторой оси (проекцию)». Предположим, что вектор углового момента Земли, вращающейся вокруг своей оси, направлен от Южного полюса к Северному и имеет некоторую (большую) величину. Мы можем спросить, каков этот угловой момент по отношению к оси, направленной в противоположном направлении – с севера на юг. Ответом была бы та же величина, но взятая со знаком минус. Сам угловой момент не изменился, мы просто измерили его по отношению к другой оси. Если мы смотрим на исходную ось сверху, то положительный спин означает, что мы видим объект, вращающийся против часовой стрелки, а отрицательный – что объект вращается по часовой стрелке. Земля вращается против часовой стрелки с точки зрения того, кто смотрит вниз с Северного полюса, поэтому она имеет положительный спин. (Это известное «правило правой руки» – если вы согнете пальцы правой руки в направлении вращения – то есть как бы охватите цилиндр, – то большой оттопыренный палец укажет направление, вдоль которого спин положителен).

Разрешенные значения при измерении спина частицы относительно некоторой оси. Безмассовым частицам разрешены только значения, соответствующие закрашенным кружкам, в то время как массивные частицы могут принимать значения, соответствующие как закрашенным, так и незакрашенным кружкам.

Можно даже рассмотреть измерение углового момента по отношению к перпендикулярной оси – скажем, оси, направленной по диаметру экватора. По отношению к этому направлению Земля вообще не «вращается» – Северный и Южный полюса остаются в одном и том же положении по отношению к воображаемой оси, направленной вдоль диаметра экватора. Поэтому мы сказали бы, что спин, измеренный относительно этой оси, равен нулю.

Так как полный спин частицы квантован и равен некоторому целому или полуцелому числу %, величина спина, которую можно измерить, также квантуется. Она должна быть равной либо полному спину со знаком плюс, либо полному спину со знаком минус, либо некоторым числам между этими значениями, отстоящими друг от друга на целое число. Для частиц с нулевым спином единственное возможное значение, которое мы можем получить при измерении спина, – это 0. Для частиц со спином 1/2 мы могли бы получить +1/2 или −1/2, и это все. Для частицы со спином 1 мы могли бы при измерении получить +1, −1 или 0. Если мы при измерении получаем 0, это не значит, что частица не вращается, это означает просто, что ось ее вращения перпендикулярна оси, относительно которой мы измеряем спин. Но ни одно измерение никогда не даст 7/13 или какое-нибудь другое столь же нелепое значение – квантовая механика этого не позволяет.

Степени свободы

Теперь мы должны провести различие между массивными частицами и безмассовыми (и посмотреть, как это будет связано с полем Хиггса). Оказывается, при измерении спина безмассовой частицы (с ненулевым спином), можно получить только два результата: плюс собственный спин или минус собственный спин. Другими словами, независимо от того, какую ось вы выбрали, при измерении спина безмассовой частицы со спином 1 (например, фотона), вы получите либо +1, либо −1, и никогда – ноль. Для частиц со спином 0 или 1/2 это ограничение не имеет значения, поскольку и так нет никаких промежуточных значений. Но для частиц с большими значениями спина оно важно. Когда мы измеряем спин фотона или гравитона, есть только два возможных значения, но когда мы измеряем спин W– или Z-бозона, существуют три различных значения, так как появляется еще одна возможность – получить при измерении 0. На рисунке выше темные (закрашенные) кружки представляют результаты измерений спина безмассовой частицы, в то время как спин массивной частицы дает нам любой из результатов, изображенных как темными, так и светлыми кружками.

Причина, почему этот факт столь важен, в том, что каждое из разрешенных спиновых измерений представляет собой новую «степень свободы». Если перейти с физического языка на обыденный, это означает, что «это событие может произойдет независимо от других происходящих событий». Поскольку мы на самом деле здесь говорим о квантовых полях, каждая степень свободы представляет собой определенный способ, в соответствии с которым поле может колебаться. Для поля со спином 0 – такого, как поле Хиггса – есть только один вид колебаний. Для поля со спином ½ – такого как поле электрона – может быть два вида колебаний, включающих в себя вращение по часовой стрелке или против часовой стрелки, какую бы ось ни выбрали. Безмассовая частица со спином 1 – такая как фотон – также имеет только два вида колебаний. А вот массивная частица со спином 1 – такая как Z-бозон – имеет уже три вида колебаний: по отношению к некоторой оси она может вращаться по часовой стрелке, против часовой стрелки или не вращаться вообще.

Все это похоже на полный бардак, но, вернувшись к обсуждению механизма Хиггса (глава 11), мы поймем, что происходит, когда спонтанно нарушается локальная симметрия. Помните, что в Стандартной модели мы начинаем (до нарушения симметрии) с трех безмассовых калибровочных бозонов и четырех скалярных бозонов Хиггса. Подсчитайте количество степеней свободы: по два для трех безмассовых калибровочных бозонов, по одному для скаляров, что даст 2 × 3 + 4 = 10. После нарушения симметрии три скалярных бозона «съедаются» калибровочными бозонами, которые становятся массивными, оставляя один массивный скаляр, который мы и считаем физическим бозоном Хиггса. Теперь подсчитаем число степеней свободы в этом случае: по три для каждого массивного калибровочного бозона, плюс один для оставшегося скалярного, что в сумме дает 3 × 3 + 1 = 10. Количество степеней свободы до нарушения симметрии и после совпадает. Спонтанное нарушение симметрии не создает новых и не уничтожает старые степени свободы, оно просто перемешивает их.

Подсчет степеней свободы помогает объяснить, почему калибровочные бозоны не имеют массы без поля Хиггса. Они существуют в первую очередь потому, что существует локальная симметрия – что-то делается независимо в каждой точке пространства, и мы должны определить поля, связывающие операции симметрии в различных точках. Можно показать, что для определения этого вида поля необходимы именно две степени свободы. (Поверьте мне на слово, трудно придумать разумное объяснение, не используя сложнейшую математику.) Когда у вас есть частица со спином 1 или 2 и всего лишь две степени свободы – эта частица обязательно безмассовая. Поле Хиггса – это совершенно независимая степень свободы. Когда она «поедается» калибровочными бозонами, те становятся массивными. Не будь поблизости никаких дополнительных степеней свободы, калибровочные бозоны неизбежно остались бы безмассовыми, и другие известные силы не помогли бы.

Надеюсь, вышеизложенное помогло вам понять, почему задолго до обнаружения поля Хиггса физики были так уверены, что нечто ему подобное обязательно должно существовать. В некотором смысле это нечто уже было обнаружено раньше – три из четырех скалярных бозонов: массивные W– и Z-бозоны с нулевым спином. Все, что оставалось сделать – найти четвертый.

Почему без поля Хиггса фермионы не обладают массой

Давайте посмотрим, почему в первую очередь требуется объяснить наличие массы у фермионов. Аргумент со степенями свободы, который мы использовали для калибровочных бозонов, тут не годится – у фермиона со спином 1/2 два возможных значения спина вне зависимости от того, есть у него масса или нет.

Начнем с размышлений о массивной частице со спином 1/2, такой как электрон. Представим себе, что он движется прямо от нас, и мы измерили его спин, который оказался равным +1/2 вдоль направления его движения. А теперь мы увеличим свою собственную скорость до такой степени, что начнем догонять электрон – теперь он как бы движется на нас. Ничего в самом электроне мы не изменили, в том числе и его спин, но скорость его по отношению к нам изменилась. Определим величину, называемую спиральностью частицы – это проекция спина на ось, определяемую направлением ее движения. В нашем примере спиральность электрона изменилась с +1/2 на −1/2, при этом все, что мы сделали – изменили свое собственное движение, электрона мы не касались вообще. Очевидно, что спиральность не является внутренней характеристикой частицы и зависит от того, как мы на нее смотрим.

Теперь рассмотрим безмассовый фермион со спином 1/2 (например, электрон, до спонтанного нарушения симметрии). Пусть он летит от нас, мы измеряем его спин, и этот спин равен +1/2 вдоль оси, совпадающей с направлением его движения, так что его спиральность тоже равна +1/2. Такой фермион должен двигаться со скоростью света (все безмассовые частицы так делают). Поэтому мы не будем даже пытаться догнать его и изменить его кажущееся направление движения только за счет своего ускорения. Для каждого наблюдателя во Вселенной эта безмассовая частица будет имеет одно и то же значение своей спиральности. Другими словами, в отличие от массивных частиц, для безмассовых частиц спиральность является хорошо определенной величиной, не зависящей от того, кто ее измеряет. Частица с положительной спиральностью называется «правшой» (вращается против часовой стрелки при движении к нам), а частица с отрицательной спиральностью – «левшой» (вращается по часовой стрелке при движении к нам).

Почему все это имеет значение? Причина в том, что в слабых взаимодействиях участвуют фермионы только одной спиральности. В частности, перед тем, как появляется поле Хиггса и нарушает симметрию, безмассовые калибровочные бозоны слабых взаимодействий чувствуют левозакрученные фермионы и не чувствуют правозакрученных, кроме того они взаимодействуют с правозакрученными антифермионами и не чувствуют левозакрученных. Не спрашивайте почему – природа устроена так, а не иначе. Сильное взаимодействие, гравитация, и электромагнетизм – все они одинаково хорошо относятся и к лево– и правозакрученным частицам. А в слабом взаимодействии участвуют частицы только одной спиральности, а другие отдыхают. Это объясняет, почему слабые взаимодействия нарушают четность: если смотреть на мир в зеркало, правое меняется на левое.

Предположение о наличии воздействий на частицы одной спиральности и отсутствии воздействий на другую, очевидно, не имеет смысла, если спиральности различны для наблюдателей, движущихся с разными скоростями. Либо «слабая» сила действует на некоторую частицу, либо нет. Если слабое взаимодействие оказывает влияние только на левозакрученные частицы и правозакрученные античастицы, то такие частицы должны иметь определенную спиральность раз и навсегда. А это может произойти, только если они движутся со скоростью света. Из чего, наконец, следует, что они должны иметь нулевую массу.

Это помогает понять (если, конечно, вы сумели «переварить» сказанное), смысл некоторых отступлений и аналогий, которые мы делали, когда впервые формулировали основы Стандартной модели. Мы сказали, что известные нам фермионы рождаются парами, которые были бы симметричны, если бы в пустом пространстве не пряталось поле Хиггса. Пары образуют верхний и нижний кварки, электрон и электронное нейтрино и другие. Но в действительности только левозакрученные верхний и нижний кварки образуют симметричную пару. Нет локальной симметрии, связывающей правозакрученные верхние кварки с правозакрученными нижними кварками, то же самое относится к электрону и его нейтрино. (В первоначальной версии Стандартной модели нейтрино считались безмассовыми, а правозакрученные нейтрино вовсе не существовали. Сейчас мы знаем, что нейтрино имеют небольшую массу, но существование правозакрученных нейтрино по-прежнему под вопросом.) Если поле Хиггса заполняет пространство, то слабая симметрия нарушается, и наблюдаемые кварки и заряженные лептоны становятся массивными, и после этого правая и левая спиральности уже разрешены.

Теперь мы видим, почему для того, чтобы фермионы Стандартной модели имели массу, нужно поле Хиггса. Если бы симметрия слабого взаимодействия не нарушалась, спиральность была бы фиксированным свойством каждого фермиона, а это значит, что все они были бы безмассовыми частицами, движущимися со скоростью света. И все это потому, что слабые взаимодействия различают левое и правое. Если бы было равноправие, фермионы беспрепятственно получили бы массу, с полем Хиггса или без него. В действительности, поле Хиггса само по себе – скалярное поле, обладающее массой, но оно не дает массу самому себе – поле Хиггса имеет массу, поскольку у него нет никаких причин ее не иметь.

Приложение 2 Частицы Стандартной модели

На протяжении всей книги мы говорили о различных частицах Стандартной модели, а сейчас мы их систематизируем и кратко опишем их свойства.

Есть два типа элементарных частиц: фермионы и бозоны. Фермионы занимают место в пространстве, то есть вы не можете усадить два одинаковых фермиона в одинаковых конфигурациях в одно и то же место. Фермионы служат в качестве основы для построения твердых предметов – от нейтронных звезд до столов. Бозоны можно усаживать один на другой сколько угодно. Они создают поля макроскопических сил, например электромагнитное и гравитационное поле.

Фермионы

В первую очередь рассмотрим фермионы. В Стандартной модели есть двенадцать фермионов, разбитые на несколько групп. Фермионы, чувствующие сильное ядерное взаимодействие, – это кварки, а те, которые не чувствуют, – лептоны. Существует шесть типов кварков и столько же лептонов, построенных попарно в три пары, а каждая пара формирует поколение. Существует правило: спин фермиона равен целому числу плюс половина, и все известные элементарные фермионы имеют спин 1/2.

Существуют три кварка верхнего типа с электрическим зарядом +2/3 у каждого. В порядке увеличения массы, они образуют последовательность: верхний кварк, очарованный кварк и истинный кварк. Имеется также три кварка нижнего типа с зарядом −1/3 каждый: нижний кварк, странный кварк и прелестный кварк.

Существуют кварки трех цветов. Совершенно логично было бы считать кварки каждого цвета самостоятельным видом частиц (в этом случае было бы не шесть, а восемнадцать типов кварков), но поскольку все цвета связаны ненарушенной симметрией сильных взаимодействий, мы обычно этого не делаем. Все цветные частицы собираются в бесцветные комбинации, называемые адронами. Есть два простых типа адронов: мезоны, состоящие из кварка и антикварка, и барионы, состоящие из трех кварков, по одному каждого из трех цветов: красного, зеленого и синего. Барионы – это протоны (два верхних и один нижний кварк) и нейтроны (два нижних и один верхний кварк). Пример мезона – пион, который существует в трех видах: один с положительным зарядом (верхний кварк плюс нижний антикварк), другой – с отрицательным зарядом (нижний кварк плюс верхний антикварк), и третий – нейтральный (комбинация верхних кварка-антикварка и нижних кварка-антикварка).

Элементарные фермионы, их электрические заряды и приблизительные значения масс. Массы нейтрино еще точно не измерены, но все они меньше массы электрона. Приведенные значения масс кварков также приблизительны – их трудно измерить, поскольку кварки заперты внутри адронов.

В отличие от кварков лептоны никто не удерживает, и каждый из них может двигаться сам по себе в пространстве. Шесть лептонов также представлены в трех поколениях, в каждом есть одна нейтральная частица и одна частица с зарядом −1. Заряженные лептоны – это электрон, мюон и тау-частица. Нейтральные лептоны – нейтрино (электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино). Массы нейтрино недостаточно хорошо измерены, и способ их получения иной, чем у других фермионов Стандартной модели, поэтому мы их почти не касаемся в этой книге. Известно, что они небольшие (менее одного электронвольта), но не равны нулю.

12 различных фермионов должны рассматриваться как 6 различных связанных между собой пар частиц. Каждый заряженный лептон рождается в паре с соответствующим ему нейтрино, пары также образуют верхний и нижний кварки, очарованный и странный кварки и истинный и прелестный кварки. Вот пример этой парности: когда W−-бозон распадается на электрон и антинейтрино, это всегда – электронное антинейтрино. А когда W−-бозон превращается в мюон, этот распад всегда сопровождается испусканием мюонного антинейтрино, и так далее. (Хотелось бы сказать то же самое и о кварках, но они на самом деле группируются более сложными способами.) Частицы внутри каждой пары обладали бы совсем одинаковыми свойствами, если бы не один немаловажный фактор – маскирующееся под фон вездесущее поле Хиггса. В реальном мире мы видим, что частицы внутри каждой пары имеют разные массы и различные электрические заряды, но это только потому, что поле Хиггса скрывает присущую им симметричную природу.

Возможно ли, чтобы кварки и лептоны в действительности не являлись элементарными частицами, а были составлены из еще меньших частиц? Конечно, да. У физиков нет никакого корыстного интереса считать известные частицы по-настоящему элементарными. Наоборот, они хотели бы, чтобы те скрывали как можно больше тайн, и потому тратят массу времени, изобретая теоретические модели, основанные на предположении о неэлементарности элементарных частиц, а также проверяя модели экспериментально. Гипотетические частицы, из которых могли бы состоять кварки и лептоны, даже имеют название – «преоны». Однако сегодня мы не имеем ни экспериментального доказательства их существования, ни какой-либо убедительной теории на их счет. Все более или менее сходятся на том, что гораздо вероятнее, что кварки и лептоны элементарны, чем то, что они состоят из каких-либо других частиц. Хотя всегда можно ожидать появления новых данных, которые заставят нас пересмотреть наши взгляды.

Бозоны

Теперь обратимся к бозонам, всегда имеющим целые спины. Стандартная модель включает в себя четыре типа калибровочных бозонов, каждый из которых порождается локальной симметрией природы и соответствует определенному взаимодействию.

Фотоны – переносчики электромагнитного взаимодействия – безмассовые, нейтральные и имеют спин, равный 1. Глюоны – переносчики сильного ядерного взаимодействия – также безмассовые, нейтральные, и имеют спин единицу. Основное различие в том, что глюоны обладают цветом и заперты внутри адронов, как кварки. Из-за этих цветов реально есть восемь различных видов глюонов, но в очередной раз подчеркиваем, что они связаны отношениями ненарушенной симметрией, так что нам не нужно даже присваивать им отдельные имена.

Бозоны – переносчики взаимодействий.

Массы выражены в гигаэлектронвольтах (ГэВ).

Сводная таблица, показывающая, какие частицы (бозоны и фермионы) с какими силами взаимодействуют. Фотоны – переносчики электромагнитного взаимодействия, но они не взаимодействуют непосредственно с друг с другом, поскольку они электрически нейтральны. Происхождение массы нейтрино по-прежнему загадочно, так что взаимодействуют ли они с бозоном Хиггса, неизвестно.

Гравитоны – переносчики гравитации – также безмассовы и нейтральны, но имеют спин, равный двум. Гравитоны сами взаимодействуют с гравитацией, поскольку все взаимодействует с гравитацией, но гравитация, как правило, столь слаба, что вы ее можете не заметить. (Конечно, все меняется, когда в одном месте собирается большая масса, которая создает сильное гравитационное поле.) Поэтому слабость гравитации означает, что гравитон почти не имеет значения для физики элементарных частиц, по крайней мере в рамках Стандартной модели. Поскольку полная теория квантовой гравитации еще не построена, а отдельные гравитоны практически невозможно обнаружить, его нередко не считают частицей, хотя есть все основания полагать, что гравитон вполне реален.

Слабое взаимодействие переносится заряженными W– и нейтральными Z-бозонами. Все три частицы имеют единичный спин, ненулевую массу и распадаются сразу после рождения. За то, что эти бозоны – переносчики слабого взаимодействия – приобретают массу и становятся непохожими друг на друга, ответственно именно поле Хиггса, нарушающее симметрию. Если бы поля Хиггса не было, W– и Z-бозоны больше бы напоминали глюоны с той лишь разницей, что их было бы только три, а не восемь.

В отличие от ранее упомянутых трех сил слабое взаимодействие настолько слабо, что не в состоянии само по себе удержать две какие-либо частицы вместе. По существу есть только два способа частицам провзаимодействовать через слабое взаимодействие: они могут либо рассеяться друг на друге путем обмена W– или Z-бозонами, или один массивный фермион может распасться и превратиться в более легкий фермион, испустив при этом W-бозон, который затем сам распадается на другие частицы. Эти процессы играют ключевую роль в поисках новых частиц на БАКе.

Необходимо отметить, что сам бозон Хиггса – скалярный бозон, то есть его спин равен нулю. В отличие от калибровочных бозонов он не порождается симметрией, и нет никаких оснований ожидать, что его масса равна нулю (или даже небольшая). Мы можем говорить о хиггсовской «силе», возможно, имеющей отношение к темной материи, которую ищут в экспериментах, проводимых глубоко под землей. Но основной интерес к бозону Хиггса вызван тем, что порождающее его поле отлично от нуля в пустом пространстве и влияет на другие частицы, наделяя их массой.

Если вы дочитали до этого места, считайте, что уже довольно хорошо знакомы с бозоном Хиггса.

Приложение 3 Частицы и их взаимодействия

В этом довольно специальном приложении мы поговорим о диаграммах Фейнмана. Если читать трудно, не бойтесь пропустить его, или же просто посмотрите на рисунки. Сам Ричард Фейнман, изобретя эти диаграммы, думал, что было бы забавно, если бы когда-нибудь эти маленькие закорючки появились в солидных физических журналах. И это действительно произошло, и это было забавно.

Диаграммы Фейнмана – это простой способ выяснить, что может произойти, когда элементарные частицы соберутся провзаимодействовать. Допустим, вы хотите спросить, способен ли бозон Хиггса распасться на два фотона. Вы знаете, что фотоны не имеют массы и что бозон Хиггса взаимодействует только с частицами, имеющими массу, так что в первый момент вы, вероятнее всего, скажете, что такой распад невозможен. Но, объединяя разные диаграммы Фейнмана, мы найдем процессы, в которых виртуальные частицы свяжут бозон Хиггса с фотонам. Профессиональный физик с помощью этих диаграмм рассчитает вероятность, с которой будет происходить такое событие: каждая диаграмма ассоциируется с конкретным числом, и мы должны сложить все различные диаграммы, чтобы получить окончательный ответ. Мы не выступаем в роли профессиональных физиков, однако все же попытаемся найти различные разрешенные взаимодействия, изображаемые на языке диаграмм Фейнмана. Есть куча правил, которым надо следовать при их построении, и мы попытаемся понять только самые важные. Если же вы захотите копнуть глубже, вам придется проштудировать учебники по физике элементарных частиц или квантовой теории поля.

Вот некоторые базовые принципы: каждая диаграмма является графическим изображением того, как частицы взаимодействуют друг с другом и превращаются друг в друга, причем время на рисунках течет слева направо. Входящие частицы, изображенные в левой части диаграммы, и исходящие частицы, изображенные в правой части – «реальные», у них те самые массы, которые мы привели в таблицах зоопарка частиц Приложения 2. Те частицы, которые изображены в центре диаграммы, – «виртуальные», их массы могут быть какими угодно, они просто демонстрируют, как в ходе взаимодействия частиц колеблются квантовые поля. Это стоит подчеркнуть: виртуальные частицы – не реальные частицы, они просто элементы внутренней кухни.

Условимся изображать фермионы сплошными линиями, калибровочные бозоны – волнистыми, а скалярные бозоны (такие как бозон Хиггса) – пунктирными. Фермионные линии никогда не заканчиваются – они либо образуют замкнутые петли, либо тянутся в начало и/или в конец диаграммы. Линии бозонов, наоборот, могут легко оборваться – либо на фермионных линиях, либо на линиях других бозонов. Место, где линии сходятся, называется «вершинами». В каждой вершине электрический заряд сохраняется, так что если электрон излучает какой-то W-бозон и превращается в нейтрино, мы знаем, это был W--бозон. Общее число кварков и общее число лептонов (где античастице соответствует число −1) тоже в каждой вершине сохраняется. Если мы заменим частицы на античастицы, мы можем любую линию перенаправить в обратном направлении. Так что если верхний кварк преобразуется в нижний кварк, излучив W+-бозон, то нижний антикварк преобразуется в верхний антикварк тем же способом.

Начнем с того, что нарисуем основные диаграммы Стандартной модели. Более сложные диаграммы можно построить, объединяя эти фундаментальные диаграммы самыми разными способами. Мы не собираемся объять необъятное, но, надеюсь, сможем достаточно ясно продемонстрировать основные принципы.

Во-первых, давайте посмотрим, что может произойти с отдельным фермионом, входящим в диаграмму слева. Фермионные линии не могут оборваться, поэтому какой-то фермион должен выйти из диаграммы с другой стороны. Но из него может «выплюнуться» и бозон. Существенно, что если фермион чувствует определенное взаимодействие, он может излучить бозон, который является переносчиком этого взаимодействия. Вот несколько примеров.

Каждая частица чувствует гравитацию, поэтому каждая частица может испустить гравитон. (Или поглотить гравитон, если мы пойдем по диаграмме в обратную сторону. Как и фотон и бозон Хиггс, гравитон сам себе античастица.) Даже если мы рисуем прямую линию, как будто частица – фермион, подобные диаграммы можно нарисовать и для всех бозонов.

Обратите внимание, что эта диаграмма, и несколько следующих, описывают частицу, которая излучает другую частицу, а сама при этом остается неизмененной. Такое никогда не может произойти само по себе, потому что при этом не сохранялась бы энергия. Все диаграммы такого рода должны быть встроены в качестве промежуточных в какие-то более сложные диаграммы.

Электромагнитное взаимодействие, в отличие от гравитации, непосредственно ощущается только заряженными частицами. Электрон может испустить фотон, но не нейтрино или бозон Хиггса; с помощью простой вершины сделать такой трюк не получится. Однако, это можно сделать опосредованно, через более сложные диаграммы.

Аналогично, любые сильно взаимодействующие частицы (кварки и глюоны) могут испускать глюоны. Обратите внимание, что глюоны – сильно взаимодействующие частицы, а фотоны электрически нейтральны, поэтому трехглюонная вершина существует, а трехфотонная – нет.

Теперь мы подошли к слабым взаимодействиям, где все немного сложнее. Z-бозон в действительности довольно прост: любая частица, которая чувствует слабые взаимодействия может излучать его и продолжить жить своей жизнью. (Опять же, в составе большей диаграммы).

Как только мы переходим к W-бозонам, все слегка усложняется. В отличие от других бозонов, которые мы только что рассмотрели, W-бозоны электрически заряжены. Это означает, что они не могут быть испущены без изменения типа частицы, которая их излучила; если бы это произошло, заряд бы не сохранился. Поэтому W-бозоны служат для преобразования кварков верхнего типа (верхний, очарованный, истинный) в кварки нижнего типа (нижний, странный, прелестный), а также заряженных лептонов (электрон, мюон, тау) в соответствующие им нейтрино.

Бозон Хиггса очень похож на Z-бозон: любая частица, которая чувствует слабое взаимодействие, может его излучить.

Теперь займемся бозонами, входящими в диаграмму. Они могут излучить другой бозон или расщепиться на два фермиона. Однако, так как фермионная линия никогда не заканчивается, бозон должен распадаться на один фермион и один антифермион, и общее число фермионов в конце должно равняться нулю, так же, как это было в начале. Здесь у нас есть множество примеров. Обратите внимание, что это те же диаграммы, которые мы уже рисовали, просто они поворачиваются, и частицы там, где надо, заменяются на античастицы. Если входящий бозон не имеет массы, мы в очередной раз убеждаемся, что данную диаграмму можно использовать только как часть большей диаграммы, так как безмассовые частицы никогда не превратятся в массивные – по закону сохранения энергии. (Это следует еще и из того, что система двух массивных частиц должна иметь «покоящуюся систему отсчета», в которой суммарный импульс равен нулю, в то время как одна безмассовая частица не имеет состояния покоя.)

Единственная оставшаяся фундаментальная диаграмма – это взаимодействие бозона Хиггса с самим собой. Он может расщепиться на две или три копии. Очевидно, что невключение данной диаграммы в большую диаграмму нарушило бы закон сохранения энергии.

Самое интересное происходит, когда мы начинаем комбинировать эти фундаментальные диаграммы и составлять более сложные. Все, что нам нужно сделать, это соединить линии, описывающие одинаковые частицы, например электрон с электроном, и так далее. Мы стартуем с описанных выше диаграмм, но чтобы заработала полная диаграмма, нам, возможно, придется повернуть несколько линий справа налево и превратить некоторые частицы в античастицы.

Предположим, что мы захотели узнать, как может распасться мюон. Мы видим, что существует диаграмма, где мюон испускает W−-бозон и превращается в мюонное нейтрино, но это не может произойти само по себе, так как W−-бозон тяжелее мюона. Не бойтесь, все в порядке, пока W−-бозон остается виртуальным и распадается на что-то более легкое, чем мюон, например, электрон и его нейтрино. Все, что нам нужно сделать, это склеить линии, соответствующие W−-бозонам, из двух предыдущих диаграмм правильным способом.

А еще мы можем замыкать линии – образовывать петли. Вот диаграмма, которая участвовала в настоящих поисках бозонов Хиггса на БАКе: бозон Хиггса, распадающийся на два фотона. Петля виртуальных частиц в середине может содержать любую частицу, которая взаимодействует и с бозоном Хиггса (так, чтобы существовала вершина слева) и с фотонами (так, чтобы существовали вершины справа). Частицы, которые взаимодействуют сильнее, будут сильнее влиять на конечный результат. В данном случае это будет истинный кварк, он является наиболее массивной частицей Стандартной модели, и, следовательно, сильнее всех взаимодействует с бозоном Хиггса.

Наконец, вот некоторые из важнейших процессов, в которых бозоны Хиггса в реальности создавались на БАКе (а затем сразу распадались). Существует канал, называемый «слиянием глюонов», когда два глюона сливаются, чтобы образовать бозон Хиггса. Из-за того что глюоны безмассовые, в процессе должна участвовать виртуальная массивная частица, которая чувствует сильное взаимодействие, а именно кварк.

Существует также процесс, который называется «слияние векторных бозонов», при этом имеется в виду, что W– и Z-бозоны иногда называют «векторными бозонами». Так как они массивны, они могут непосредственно объединяться и превращаться в бозон Хиггса.

Наконец есть два различных вида «ассоциированного рождения», когда бозон Хиггса появляется вместе с чем-либо еще: либо вместе с W– или Z-бозоном, либо с парой кварк-антикварк.

Главный урок из того, что мы рассказали здесь, состоит не в определении входящих и выходящих частиц во всех различных процессах, участвующих в появлении бозона Хиггса и его распаде. Главное, что мы поняли: оба процесса сложные и могут осуществляться самыми разными способами, но у нас есть четкие правила, позволяющие нам разобраться в том, что происходит. Трудно было даже себе вообразить, что эти маленькие комиксы позволяют уловить самую глубокую сущность поведения нашего микромира.

Для дальнейшего чтения

Aczel A. Present at the Creation: The Story of CERN and the Large Hadron Collider. Crown Publishers, 2010.

CERN. CERN faq: LHC, the guide. -gallery.web. cern.ch/multimediagallery/Brochures.aspx, 2009.

Close F. The Infinity Puzzle: Quantum Field Theory and the Hunt for an Orderly Universe. Basic Books, 2011.

Crease R. P., Mann C. C. The Second Creation: Makers of the Revolution in Twentieth-Century Physics. Collier Books, 1986.

Halpern P. Collider: The Search for the World’s Smallest Particles. Wiley, 2009.

Kane G. The Particle Garden: The Universe as Understood by Particle Physicists. Perseus Books, 1995.

Lederman L., Teresi D. The God Particle: If the Universe is the Answer, What’s the Question? Houghton Mifflin, 2006.

Lincoln D. The Quantum Frontier: The Large Hadron Collider. Johns Hopkins, 2009.

Panek R. The 4 Percent Universe: Dark Matter, Dark Energy, and the Race to Discover the Rest of Reality. Mariner Books, 2011.

Randall L. Knocking on Heaven’s Door: How Physics and Scientific Thinking Illuminate the Universe and the Modern World. Ecco, 2011.

Sample I. Massive: The Missing Particle that Sparked the Greatest Hunt in Science. Basic Books, 2010.

Taubes G. Nobel Dreams: Power, Deceit, and the Ultimate Experiment. Random House, 1986.

Traweek Sh. Beamtimes and Lifetimes: The World of High Energy Physicists. Harvard University Press, 1988.

Weinberg S. Dreams of a Final Theory. Vintage, 1992.

Wilczek F. The Lightness of Being: Mass, Ether, and the Unification of Forces. Basic Books, 2008.

Литература

Пролог

-physicists/

-peter-higgs-boson-discovery-likebeing-hit-by-a-wave.html?full=true

Глава 1. Зачем нужна физика элементарных частиц

-boson-seminar-god-particle

Глава 2. Прикосновение к божественному

Lederman L., Teresi D. The God Particle: If the Universe is the Answer, What’s the Question? Houghton Mifflin, 2006, p. xi.

-higgs-in-thespotlight

Глава 4. История ускорителя

Jamieson V. «CERN Extends Search for Higgs», Physics World, October 2000.

Preface to the 1995 edition of The Physicists: The History of a Scientific Community in Modern America.

Anderson P. W. Letter to the Editor, New York Times, May 21, 1987.

Глава 5. Величайшая машина всех времен

-hadron-collider/6514155/LargeHadron-Collider-broken-by-bread-dropped-by-passing-bird.html

-science.co.uk/2011/11/the-man-who-built-the-lhc/

Глава 6. Что нам открывают столкновения

Cowan E. «The Picture that Was Not Reversed», Engineering and Science, 46 (2). pp. 6-28 (1982).

CERN press release:

Computing tiers: Brumfield,

Greek Security Team: Roger Highfield, -hadroncollider/3351697/Hackers-infiltrate-Large-Hadron-Collider-systems-and-mock-ITsecurity.html

Глава 8. Разбитое зеркало

Close F. The Infinity Puzzle: Quantum Field Theory and the Hunt for an Orderly Universe. Basic Books, 2011, p. 88.

Глава 9. Бурные аплодисменты

-hadron-collider/8928575/Search-forGod-Particle-is-nearly-over-as-CERN-prepares-to-announce-findings.html

-watch-higgs-special/

CERN update: = 150980

-weigh-up-higgssignals

Ellis, Gaillard and Nanopoulos, Nuclear Physics, B 106, 292 (1976).

-09/07/david-britton

-results-from-higgs-search.html

Taubes G. Nobel Dreams: Power, Deceit, and the Ultimate Experiment. Random House, 1986.

-peter-higgs-boson-discovery-likebeing-hit-by-a-wave.html?full=true

Глава 10. Как мир узнает о научных событиях

Daily Show: -april-30-2009/ large-hadron-collider

The Daily Mail: -1052354/Are-going-dieWednesday.html

-collidercourt-case-finally-closed?lite

-huntingpart-1/

-huningpart-2/

-huntingpart-3/

/~woit/wordpress/?p=3632&cpage=1#comment-88817

-data-on-higgs-boson-isshrouded-in-secrecy-at-cern.html?_r=1&pagewanted=all

-you-like-to-spread-rumors/

-has-it-120620.html

Глава 11. Мечты о Нобеле

Freund, A Passion for Discovery, World Scientific (2007).

Anderson P. W. «More is Different». Science 177 (4047): 393–396 (1972).

Rodgers P. «Peter Higgs: The Man Behind the Boson», Physics World 17, 10 (2004).

Lederman L., Teresi D. The God Particle: If the Universe is the Answer, What’s the Question? Houghton Mifflin, 2006.

Symmetry,

Nature,

Воспоминания

Higgs P. W. «Prehistory of the Higgs boson», Comptes Rendus Physique 8, 970 (2007).

Higgs P. W. «My Life as a Boson»,  (2010).

Guralnik G. S. «The History of the Guralnik, Hagen and Kibble development of the Theory of Spontaneous Symmetry Breaking and Gauge Particles», International Journal of Modern Physics A24, 2601, arXiv:0907.3466 (2009).

Kibble T. W. B. «The Englert-Brout-Higgs-Guralnik-Hagen-Kibble Mechanism (history)», Scholarpedia, -Brout-Higgs-Guralnik-HagenKibble_mechanism_(history)

Brout R., Englert F. «Spontaneous Symmetry Breaking in Gauge Theories: a Historical Survey», arXiv: hep-th/9802142 (1998).

Научные статьи

Ginzburg V. L., Landau L. D. “On the theory of superconductivity», J. Exper. Theor. Phys. (USSR) 20, 1064 (1950).

Anderson P. W. «An Approximate Quantum Theory of the Antiferromagnetic Ground State», Physical Review 86, 694 (1952).

Yang C. N., Mills R. L. «Conservation of Isotopic Spin and Isotopic Gauge Invariance», Physical Review 96, 191 (1954).

Cooper L. N. «Bound Electron Pairs in a Degenerate Fermi Gas», Physical Review 104, 1189 (1956).

Bardeen J., Cooper L. N., Schrieffer J. R. «Microscopic Theory of Superconductivity», Physical Review 106, 162 (1957).

Bardeen J., Cooper L. N., Schrieffer J. R. «Theory of Superconduc-tivity», Physical Review 108, 1175 (1957).

Schwinger J. «A Theory of the Fundamental Interactions», Annals of Physics 2, 407 (1957).

Bogoliubov N. N. «A new method in the theory of superconductivity», J. Exper. Theor. Phys. (USSR) 34, 58 [Soviet Physics-JETP 7, 41] (1958).

Anderson P. W. «Coherent Excited States in the Theory of Superconductivity: Gauge Invariance and the Meissner Effect», Physical Review 110, 827 (1958).

Anderson P. W. «Random-Phase Approximation in the Theory of Superconductivity», Phys. Rev. 112, 1900 (1958).

Nambu Y. «Quasiparticles and Gauge Invariance in the Theory of Superconductivity». Physical Review 117, 648 (1960).

Nambu Y., Jona-Lasinio G. «Dynamical Model of Elementary Particles Based on an Analogy with Superconductivity, I», Physical Review 124, 246 (1961).

Nambu Y., Jona-Lasinio G. «Dynamical Model of Elementary Particles Based on an Analogy with Superconductivity, II», Physical Review 122, 345 (1961).

Glashow S. L. «Partial Symmetries of the Weak Interactions», Nuclear Physics 22, 579 (1961).

Goldstone J. «Field Theories with Superconductor Solutions», Nuovo Cimento 19, 154 (1961).

Goldstone J., Salam A., Weinberg S. «Broken Symmetries», Physical Review 127, 965 (1962).

Schwinger J. «Gauge Invariance and Mass», Physical Review 125, 397 (1962).

Anderson P. W. «Plasmons, Gauge Invariance, and Mass», Physical Review 130, 439 (1963).

Klein A., Lee B. «Does Spontaneous Breakdown of Symmetry Imply Zero-Mass Particles?» Physical Review Letters 12, 266 (1964).

Gilbert W. «Broken Symmetries and Massless Particles», Physical Review Letters 12, 713 (1964).

Englert F., Brout R. «Broken Symmetry and the Mass of Gauge Vector Mesons», Physical Review Letters 13, 321 (1964).

Higgs P. W. «Broken Symmetries, Massless Particles, and Gauge Fields», Physics Letters 12, 134 (1964).

Higgs P. W. «Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons». Physical Review Letters 13, 508 (1964).

Salam A., Ward J. C. «Electromagnetic and Weak Interactions», Physics Letters 13, 168 (1964).

Guralnik G. S., Hagen C. R., Kibble T. W. B. «Global Conservation Laws and Massless Particles». Physical Review Letters 13, 585 (1964).

Higgs P. W. «Spontaneous Symmetry Breakdown Without Massless Bosons», Physical Review 145, 1156 (1966).

Migdal A., Polyakov A. «Spontaneous Breakdown of Strong Interaction Symmetry and the Absence of Massless Particles», J. Exper. Theor. Phys. (USSR) 51, 135 [Soviet Physics-JETP 24, 91] (1966).

Kibble T. W. B. «Symmetry Breaking in Non-Abelian Gauge Theories», Physical Review 155, 1554 (1967).

Weinberg S. «A Model of Leptons», Physical Review Letters 19, 1264 (1967).

Salam A. «Weak and Electromagnetic Interactions», Elementary Particle Theory: Proceedings of the Nobel Symposium held in 1968 at Lerum, Sweden, N. Svartholm, ed., p. 367. Almqvist and Wiksell (1968).

Hooft G. «Renormalizable Lagrangians for Massive Yang-Mills Fields», Nuclear Physics B 44, 189 (1971).

Hooft G., Veltman M. «Regularization and Renormalization of Gauge Fields». Nuclear Physics B 44, 189 (1972).

Глава 12. Что скрывается за горизонтом

Croswell K. The Universe at Midnight: Observations Illuminating the Cosmos. New York, Free Press (2001).

Patt B., Wilczek F. «Higgs-field Portal into Hidden Sectors», -ph/0605188

Freese K., Savage C. «Dark Matter Collisions with the Human Body», :1204.1339

Jackson C. B. et al. «Higgs in Space», Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 4, 4 (2010).

Shaposhnikov M., Tkachev I. «Higgs Boson Mass and the Anthropic Principle», Modern Physics Letters A 5, 1659 (1990).

Feldstein B., Hall L., Watari T. «Landscape Predictions for Higgs Boson and Top Quark Masses», Physical Review D 74, 095011 (2006).

Weinberg S. Physical Review Letters 59, 2607 (1987).

Глава 13. Ради чего стоит защищать родину

-party-physics/2011/09/23/protonsand-pistols-remembering-robert-wilson/

-big-science/National Journal: / 2012/07/05/higgs-boson-find-could-makelight-speed-travel-possible-scientists-hope/

Mansfield E. «Academic Research and Industrial Innovation», Research Policy 20, 1 (1991).

Mansfield E. «Academic Research and Industrial Innovation: An Update of Empirical Findings», Research Policy 26, 773 (1998).

Weiner Z. Saturday Morning Breakfast Cereal, -comics.com/index.php?db=comics&id=2088

Yahia: -social-aspect-of-the-higgs-boson.html

The Particle at the End of the Universe???

Evans: interview, July 4, 2012.

Приложения

Tanedo F. «Helicity, Chirality, Mass, and the Higgs», http://www. quantumdiaries.org/2011/06/19/helicity-chirality-mass-and-the-higgs/

Вклейка

Джоан Хьюэтт рассказывает о темной материи на конференции по физике. Юджин, штат Орегон, США, 2011 г.

© JACK LIU

4 июля 2012 года, ЦЕРН. Фабиола Джанотти, Рольф Хойер и Джо Инкандела готовятся сделать важнейшее объявление.

© CERN

Леон Ледерман на фоне Фермилаба.

© FERMILAB NATIONAL ACCELERATOR LABORATORY

Профессор Сау Лан Ву из Университета Висконсина. Участвовала в поисках бозона Хиггса и на LEP и на БАКе.

© JEFF MILLER/UNIVERSITY OF VISCONSIN

Карло Руббиа – открыватель W– и Z-бозонов и ярый защитник проекта БАКа.

CREATIVE COMMONS

Фабиола Джанотти – представитель коллаборации ATLAS в 2011–2012 гг.

© CERN

Лин Эванс – человек, который построил БАК.

© CERN

Фотография ЦЕРНа и БАКа с высоты птичьего полета. Отмечено положение основных детекторов. В действительности кольцо находится под землей и сверху не просматривается.

© CERN

Сфера науки и инноваций, ставшая символом ЦЕРНа. Войдя в здание, можно увидеть открытую для всех выставку, посвященную физике элементарных частиц и ЦЕРНу.

© CERN

Внутри туннеля БАКа. Дипольные магниты готовы к включению.

© CERN

Искореженные магниты после аварии 19 сентября.

© CERN

Все протоны в пучок БАКа поступают из маленькой канистры с водородом. Она содержит достаточно протонов, чтобы обеспечить БАК в течение миллиарда лет.

© CERN

Модель поперечного сечения дипольного магнита БАКа. Две пучковые трубы предназначены для движения протонов в противоположных направлениях.

© CERN

Один из «мячиков для пинг-понга», внутрь которого вставлен передатчик. Мячик был запущен в пучковую трубу для того, чтобы проверить, нет ли там засоров.

LYN EVANS

Джо Инкандела, представитель коллаборации CMS, 2012 г.

© CERN

Событие-кандидат на рождение бозона Хиггса на детекторе ATLAS. Две длинные голубые линии – это мюоны, а короткие голубые линии – электроны, так что это может быть распадом бозона Хиггса на два Z-бозона.

© CERN

Детектор ATLAS.

Не пропустите фигуру человека, стоящего внутри конструкции. Восемь гигантских труб – это магниты, используемые, чтобы отклонить мюоны и измерить их энергию.

© CERN

Детектор CMS в процессе сборки.

© CERN

Йочиро Намбу, которому принадлежит открытие явления нарушения симметрии, глюонов и теории струн.

CREATIVE COMMONS/BESTYTHEDEVINE

Филип Андерсон, гуру в физике конденсированных состояний и по совместительству – «думающий ворчун».

CREATIVE COMMONS/PHILIP WARREN

Слева направо: Том Киббл, Джеральд Гуральник, Карл Рихард Хаген, Франсуа Энглер и Роберт Браут на церемонии вручения премии Сакураи. 2010 г. Питер Хиггс тоже был награжден, но в церемонии не участвовал.

Питер Хиггс во время посещения детектора ATLAS.

© CERN

Слева направо: Шелдон Глэшоу, Абдус Салам и Стивен Вайнберг на церемонии вручения Нобелевской премии. 1979 г.

© BETTMANN/CORBIS

Данные, полученные на БАКе и проанализированные на детекторах ATLAS и CMS в 2011–2012 гг. Кривые показывают количество событий, в которых получаются высокоэнергетичные фотоны – их общая энергия варьируется от 100 до 160 ГэВ. Точки – результаты, которые были предсказаны без учета бозона Хиггса. Сплошная линия показывает результаты с бозоном Хиггса массой 126,5 ГэВ (ATLAS) и 125,3 ГэВ (CMS).

© CERN

© CERN

Почему мы занимаемся наукой.

ZACH WEINESMITH, SATURDAY MORNING BREAKFAST CEREAL

Блок-схема, иллюстрирующая элементарные частицы Стандартной модели. Это современная версия Периодической таблицы элементов. Кварки показаны синим, лептоны – фиолетовым, калибровочные бозоны – зеленым, а бозон Хиггса – красным.

SEAN CARROLL

Сноски

1

«Семейство Кардашьян» – американское реалити-шоу.

(обратно)

2

В 1978 году художник-иллюстратор Мартин Хэндфорд начал выпуск серии детских развивающих книг «Где же Уолдо?». На иллюстрациях были изображены толпы самых разных людей – в аэропорту, на пляже, в музее или еще где-нибудь. Задача ребенка – найти тщательно замаскированного, одетого в красно-белый свитер и шапочку Уолдо, прячущегося среди всех этих людей.

(обратно)

3

Лейтенант-коммандер Скотти – начальник инженерной службы, персонаж из американской телесаги «Звездный путь».

(обратно)

4

Вымышленный городок в Северной Каролине, фигурирующий в двух популярных американских ситкомах.

(обратно)

5

На сайте CMS приводится интересная история о том, как в подмосковной Дубне изготавливались эти торцевые поглощающие заглушки, для которых требовался достаточно прочный материал, способный выдержать сильное механическое напряжение в течение долгого времени. По набору характеристик подошла латунь, однако латунь высокого качества была в те времена (1990-е годы) слишком дорогой. Один из инженеров вспомнил, что ему в свое время приходилось сталкиваться с расчетами прочности латунных гильз для снарядов Балтийского флота. Оказалось, что на складах ВМФ сохранились неиспользованные запасы орудийных гильз из высококачественной латуни. Было получено разрешение на их переплавку, и в результате около миллиона гильз пошло на создание поглотителей для адронного калориметра CMS.

(обратно)

6

В изотопическом пространстве.

(обратно)

7

Статистическая значимость сигнала – размер «шишки», то, во сколько раз сигнал сильнее типичной случайной флуктуации (то есть больше σ). Поскольку статистическая значимость пропорциональна квадратному корню из числа измерений, для достижения сигнала 5σ требуется сделать достаточно много измерений, причем тем больше, чем выше фон.

(обратно)

8

Вышел в прокат в США 5 марта 2014 года.

(обратно)

9

Эта организация – Центробанк Швеции.

(обратно)

10

В результате Нобелевская премия по физике 2013 года была присуждена Питеру Хиггсу и Франсуа Энглеру за «теоретическое открытие механизма, который помогает нам понять происхождение масс субатомных частиц и который был недавно подтвержден благодаря открытию на Большом адронном коллайдере новой предсказанной частицы».

(обратно)

11

Курт Воннегут высказался так по поводу угасшего протестного движения в США в интервью 2003 года журналу The Progressive.

(обратно)

12

Первый из ассоциации женских колледжей «Семь сестер» на восточном побережье США. Ассоциация была создана в 1915 году.

(обратно)

13

Wimp (англ.) – зануда, слабак, трус.

(обратно)

14

Чрезвычайно популярный ведущий юмористической колонки во флоридской газете Miami Herald.

(обратно)

15

Мы видим Вселенную такой, потому что только в такой Вселенной мог возникнуть наблюдатель-человек.

(обратно)

Оглавление

Пролог

Глава 1 Зачем нужна физика элементарных частиц

  Большая вселенная, сделанная из маленьких кирпичиков

  Бозон Хиггса

  Почему это важно

  Большой адронный коллайдер

  На распутье

Глава 2 Прикосновение к божественному

  Божественный замысел

  Разговоры о боге

  И последнее

  Раскрываем секрет фокуса

  Фермионы и бозоны

  Ядерные силы

  Поля правят миром

  Уходим от нуля

  Промежуточные итоги

Глава 3 Атомы и частицы

  Изображения атомов

  Антиматерия

  Нейтрино

  Поколения лептонов

  Кварки и адроны

  «Неправильная» сила

Глава 4 История ускорителя

  Европа вырывается вперед

  Большой электрон-позитронный коллайдер

  Американские лаборатории: SLAC, Брукхейвен, Фермилаб

  Суперколлайдер

Глава 5 Величайшая машина всех времен

  Удвоение усилий

  Подготовка проекта

  Главный архитектор проекта

  Ускорение частиц

  Скорость и энергия

  Мощные магниты

  Передача факела

Глава 6 Что открывают нам столкновения

  Идентификация частиц

  Детекторы бака

  Сталкиваем протоны

  Частицы в детекторах

  Кварки

  Глюоны

  W-бозоны, Z-бозоны, тау-лептоны, бозоны Хиггса

  Электроны и фотоны

  Нейтрино и гравитоны

  Мюоны

  Многослойные детекторы

  Избыток информации

  Распределение данных

Глава 7 Частицы и волны

  Гравитационное поле

  Электромагнитное поле

  Гравитационные волны

  Появление частиц из полей

  Квантовомеханические следствия

  Фермионные поля

  Передача колебаний

  Законы сохранения

Глава 8 Разбитое зеркало

  Аналогия, получившая премию

  Перевернутый маятник

  Наделение частиц массой

  Мир без поля Хиггса

  Что такое симметрия

  Поля связи и силы

  Проблема с симметриями

  Нарушение симметрии

  Симметрии слабых взаимодействий

  Возвращение к большому взрыву

  Теория сложная, но успешная

Глава 9 Бурные аплодисменты

  Частицы на входе

  Частицы на выходе

  Добиваемся достоверности

  Сигнал и фон

  Медведь убит

  Что это было?

Глава 10 Как мир узнает о научных событиях

  Как это все делается

  Есть ошибки и ошибки

  Веб 2.0

  Физические папарацци

  Слухи

  Любители физики из Голливуда

Глава 11 Мечты о Нобеле

  Сверхпроводимость

  Спонтанное нарушение симметрии

  Объединение

  1964 год. Энглер и Браут

  1964 год. Хиггс

  1964 год. Гуральник, Хаген и Киббл

  Слабые взаимодействия

  Электрослабое объединение

  Собираем пазл

  Игры вокруг названия

  Приговор истории

Глава 12 Что скрывается за горизонтом

  Ранняя вселенная

  Вимпы

  Портал Хиггса

  Неестественная вселенная

  Энергия вакуума

  Суперсимметрия

  Струны и дополнительные измерения

  Браны и множественная вселенная

  Двигаемся дальше

Глава 13 Ради чего стоит защищать родину

  Когда я получу свой реактивный летательный аппарат?

  Сверхсветовые корабли и левитация

  «Побочные продукты»

  Будущее физики элементарных частиц

  Изумление

  Смысл и истина

Приложение 1 Масса и спин

  Как устроен спин

  Степени свободы

  Почему без поля Хиггса фермионы не обладают массой

Приложение 2 Частицы Стандартной модели

  Фермионы

  Бозоны

Приложение 3 Частицы и их взаимодействия

Для дальнейшего чтения

Литература

Вклейка Fueled by Johannes Gensfleisch zur Laden zum Gutenberg