Большой адронный коллайдерМы живём в поистине чудесное время, когда научные открытия сыплются на головы уставшего восхищаться этим потоком мирового сообщества словно из рога изобилия. Но всё-таки не каждый день узнаём мы из СМИ о таких весомых научных открытиях, как открытие бозона Хиггса. Весь мир почти полвека ждал этого триумфа физики.

Название важнейшего из всех известных науке бозонов (частиц, подчиняющихся статистике Эйнштейна-Бозе) было присвоено этой субатомной частице в честь английского физика, члена Лондонского королевского общества Питера Хиггса задолго до её реального открытия. В 1964 году этот тогда ещё молодой физик-теоретик предложил разработанный механизм «спонтанного нарушения электрослабой симметрии», что и открыло релятивистской физике возможность существования неизвестной науке фундаментальной частицы — бозона Хиггса. С тех пор эта загадочная, гипотетическая субатомная частица десятки лет была последним недостающим элементом стандартной модели, объединяющей все виды физических взаимодействий, кроме гравитационного.

Принято считать, что Питер Хиггс неожиданно «прозрел» в 60-е годы во время прогулки по горной местности в окрестностях Эдинбурга и по возвращении в лабораторию заявил, что ему пришла в голову грандиозная, сногсшибательная идея. Однако путь от теории к практике оказался тернистым и долгим. Причём ещё около двух десятилетий назад лауреат Нобелевской премии физик Леон Ледерман в шутку прозвал в своей книге неуловимый бозон Хиггса «частицей Бога», и с его лёгкой руки это «второе название» данного бозона прочно укоренилось в СМИ и научно-популярной литературе.

Надо отметить, что сама идея о существовании «вязкого поля», придающего массу элементарным частицам, приходила в голову не одному Питеру Хиггсу. Честно говоря, первым был американский физик Филипп Андерсон, параллельно с ним в начале 60-х схожую гипотезу высказывали бельгийские учёные Робер Бру и Франсуа Энглер, чуть позже — американцы Дик Хаген, Джеральд Гуральник и британец Том Киббл, независимо друг от друга разрабатывавшие теоретические основы механизма образования массы. Тем не менее особое поле, придающее массу всему на свете, так же как и обеспечивающий его существование бозон, были названы в честь Питера Хиггса, тогда ещё никому не известного преподавателя Эдинбургского университета, который изложил свою теорию в наиболее сжатом и вменяемом виде.

Питер Хиггс, предсказавший бозонМежду прочим, физике второй половины XX — начала XXI века гипотетический бозон Хиггса был необходим не столько как новая элементарная частица, сколько как та основа, на которой могло бы существовать сформированное этими бозонами особое хиггсовское поле. Ведь если бы этого загадочного поля, так же как и его квантов — бозонов Хиггса, не существовало, тогда бы вся материя ещё при рождении Вселенной разлетелась во все стороны со скоростью света. Жуткий импульс Большого взрыва никогда бы не угас, и наша Вселенная в том виде, как мы её знаем, просто не могла бы существовать. В ней царил бы истинный хаос: ни атомов, ни молекул, ни жизни, ни разума, ни привычных планет, звёзд и галактик. И даже если бы в этом ненормальном мире, лишённом бозонов Хиггса и связанного с ними хиггсовского поля, каким-то чудом появился на суперзвездолёте какой-нибудь шальной путешественник из «нормальной» Вселенной, то вокруг него со скоростью света носилась бы только разрозненная и бесформенная «материя», среди которой делать ему было бы абсолютно нечего.

Теоретически бозоны Хиггса придают массу всем элементарным частицам, кроме фотонов, и тем самым замедляют их движение (своего рода как бы «вязкая субстанция»), препятствуя им двигаться со скоростью света, но всё же не мешая к ней бесконечно приближаться, затрачивая колоссальную энергию. Предполагается, что бозоны Хиггса существуют в природе повсюду, а само поле Хиггса заполняет Вселенную. Однако чистая теория всё-таки не позволяет физикам точно вычислить массу бозона Хиггса. Сделать это можно только весьма трудным экспериментальным путём, затрачивая колоссальные научные усилия и чудовищную энергию. Поэтому, для того чтобы «поймать» бозон Хиггса, учёным разных стран необходимо было скооперироваться, объединив свои интеллектуальные возможности. А нескольким ведущим европейским державам пришлось вкладывать миллиарды долларов, чтобы вместе построить сверхмощные, уникальные ускорители элементарных частиц.

Причём с самого начала «охоты» за бозоном Хиггса физикам уже было ясно, что это очень «тяжёлая», но крайне неустойчивая частица, поскольку сразу же после рождения она должна немедленно распадаться на более лёгкие компоненты. Дело в том, что среди «населения» микромира полно таких частиц, которые хотя и живут ничтожные доли секунды, но всё же играют очень важную роль. Так ведёт себя и бозон Хиггса, который всё время рождается и тут же распадается, но при этом непрерывно играет роль кванта постоянного хиггсовского поля, пронизывающего Вселенную и сообщающего массу всем её составляющим частицам и частям. Поэтому чтобы поймать слишком неустойчивый бозон Хиггса в любом эксперименте, его следовало для начала «родить» в определённой точке пространства.

Первые удачные эксперименты по обнаружению бозона Хиггса были предприняты международной группой физиков на Большом электронно-позитронном коллайдере (Large Electron-Positron Collider, LEP) в Европейской организации ядерных исследований ЦЕРН ещё в конце XX — начале XXI века. К 2001 году им удалось «поймать» нижнее значение массы бозона Хиггса, равное 114,5 ГэВ. К осени 2011 года на американском коллайдере «Теватрон» (Tevatron), сообщавшем элементарным частицам огромную энергию и скорость, эти же физики установили, что верхняя граница массы бозона Хиггса — 135 ГэВ, а нижняя — 115 ГэВ.

Схема колец Большого адронного коллайдера с высоты птичьего полетаВ конце того же года международная группа учёных решила перенести свои эксперименты с бозоном Хиггса на более мощный Большой адронный коллайдер — БАК (Large Hadron Collider — LHC), построенный к концу XX века усилиями нескольких стран недалеко от Женевы (на границе Швейцарии и Франции) под землёй на глубине 100 метров. На сегодня это самый большой (диаметр кольца ускорителя 27 км) в мире ускоритель элементарных частиц. На его сооружение было затрачено не менее 10 млрд. долларов. Он способен использовать «океан электроэнергии», разгоняя протоны до предельных скоростей (99,999% скорости света — почти условия Большого взрыва) и достаточно часто порождать бозоны Хиггса при их столкновениях. Разгон протонов или других элементарных частиц в гигантском кольце БАК обеспечивают 120 мощнейших электромагнитов, а регистрацию их столкновений — миллионы датчиков. Есть там и самое современное компьютерное, аппаратное и программное обеспечение. Поиск бозона Хиггса на БАК вели две независимые группы физиков, у каждой из которых был свой детектор для отслеживания результатов столкновений протонов — ATLAS и CMS.

Чтобы «уловить» бозон Хиггса, учёным пришлось месяц за месяцем проводить бесконечные серии экспериментов, накапливая статистику при лобовых столкновениях околосветовых протонов в ожидании, пока БАК выйдет на полную мощность своей работы. И, наконец, терпеливо ожидаемое мировым сообществом «чудо» свершилось!

4 июля 2012 года физики группы ЦЕРН, работавшие на Большом адронном коллайдере в Женеве, сообщили в СМИ о вероятном завершении одного из самых долгих и дорогостоящих поисков в истории науки — об открытии новой субатомной частицы, которая весьма походит на описанный ранее теоретически бозон Хиггса. Учёные ЦЕРН заявили, что два детектора БАК наблюдали новую частицу с массой около 125-126 ГэВ. Возможно, эта частица и является «неуловимым» бозоном Хиггса.

Если же не принимать всерьёз осторожные оговорки профессиональных учёных — физиков, которые, в отличие от журналистов, не склонны сразу и без дополнительных проверок принимать решения об окончательном открытии новой субатомной частицы, то открытие бозона Хиггса можно считать состоявшимся.

В создании и разработке БАК активно участвовали около 700 российских физиков, инженеров и множество организаций. А в экспериментах ЦЕРН с бозоном Хиггса, проводимых на БАК, до сих пор задействовано около 100 представителей российской науки.

Фотография © Shutterstock

Похожие статьи:

Теги: , , ,