Что на самом деле нашли в ЦЕРН, открыв бозон Хиггса

Частицу, существование которой предсказали на листке бумаги в 1964 году, искали почти полвека и нашли в туннеле длиной 27 километров под границей Швейцарии и Франции. Ее прозвали «частицей Бога», хотя ни к религии, ни к мистике она отношения не имеет. На деле бозон Хиггса стал недостающим звеном в теории, объясняющей, почему у элементарных частиц вообще есть масса.

Фото: Bengt Nyman, CC BY 2.0, Wikimedia Commons (Питер Хиггс на пресс-конференции нобелевских лауреатов в Стокгольме). На снимке Питер Хиггс в 2013 году, а не в день объявления об открытии бозона в 2012 году

Проблема, с которой все началось

К началу 1960-х физики построили красивую теорию слабого взаимодействия, но в ней была трещина: математика требовала, чтобы частицы, переносящие это взаимодействие, были безмассовыми. Опыты же показывали обратное: слабые силы действуют на крошечных расстояниях, а это возможно только у очень тяжелых переносчиков. Позже их назвали W- и Z-бозонами, и они оказались тяжелее атома железа.

Решение предложили сразу несколько групп в 1964 году. Бельгийские физики Робер Браут и Франсуа Энглер опубликовали работу первыми, следом вышла статья британца Питера Хиггса, потом статья Джеральда Гуральника, Карла Хагена и Тома Киббла. Идея у всех была общая: пространство заполнено особым полем, которое «включается» везде и всегда, а частицы, взаимодействующие с ним, приобретают массу. Хиггс первым прямо указал, что у такого поля должна быть своя частица.

По рассказам самого Хиггса, его первую статью отклонил журнал «Физикс леттерс» как не имеющую очевидного отношения к физике. Он добавил в текст абзац о новой массивной частице и отправил работу в «Физикл ревью леттерс», где ее приняли. Эта деталь хорошо показывает, как неочевидна была идея даже для самих физиков того времени.

Как объяснить поле Хиггса без формул

В 1993 году британский министр науки Уильям Уолдгрейв предложил физикам объяснить, что такое поле Хиггса, на одном листе бумаги, и обещал за лучший ответ бутылку шампанского. Победил физик Дэвид Миллер с аналогией, которая стала классической. Представьте вечеринку, на которой собрались сотрудники одной партии. Если в зал входит незнакомец, он спокойно проходит к другому концу комнаты, а если появляется известный политик, вокруг него собирается толпа, и он еле двигается. Чем сильнее частица «притягивает толпу», тем она тяжелее.

Фотон не взаимодействует с этим полем и поэтому безмассовый, а W и Z взаимодействуют сильно и поэтому тяжелые. Электрон где-то посередине, а самый тяжелый из известных кварков, топ-кварк, весит почти как атом золота. Бозон Хиггса в этой картине выглядит как рябь на поле: если по полю ударить достаточно сильно, возникнет сгусток, который можно зарегистрировать.

У аналогии есть слабое место, о котором физики предупреждают сами. Масса не появляется «от трения», это более тонкий эффект, связанный со свойствами вакуума. Поле Хиггса, в отличие от других полей, имеет ненулевое значение даже в пустоте, и именно поэтому оно «работает» везде, а не только там, где есть частицы.

Охота длиной в полвека

Предсказание не указывало, насколько тяжелым должен быть бозон, поэтому поиск растянулся на десятилетия. Эксперименты на ускорителе LEP в ЦЕРН в 2000 году закрыли диапазон масс примерно до 114 ГэВ, американский «Тэватрон» сузил область еще сильнее. Но решающие данные должен был дать Большой адронный коллайдер, запущенный в 2008 году, кольцо которого расположено на глубине около 100 метров.

В коллайдере сталкиваются пучки протонов, и при каждом столкновении рождаются сотни частиц. Бозон Хиггса получается лишь в одном из миллиардов событий и тут же распадается, живя, по расчетам, около 10 в минус 22 степени секунды. Увидеть его напрямую невозможно, поэтому физики ищут продукты распада: пары фотонов или четыре лептона (электроны и мюоны), и сравнивают их число с ожидаемым фоном.

Для этого работали два независимых детектора размером с многоэтажный дом: АТЛАС и CMS, что расшифровывается как «Компактный мюонный соленоид». В каждом из них участвуют несколько тысяч ученых из десятков стран, в том числе специалисты российских институтов, включая Объединенный институт ядерных исследований в Дубне. Независимость детекторов принципиальна: если оба показывают один и тот же сигнал, ошибка прибора практически исключена.

4 июля 2012 года

В этот день в ЦЕРН представили результаты обоих экспериментов, и оба увидели новую частицу массой около 125 ГэВ. Это примерно в 133 раза тяжелее протона. Статистическая значимость в обоих случаях достигла пяти сигм, порога, принятого в физике элементарных частиц: он означает, что вероятность случайной флуктуации составляет примерно один шанс на три с половиной миллиона.

В зале сидел и Питер Хиггс, которому было 83 года. По сообщениям журналистов, он утер слезу, а позже говорил, что для него невероятно, что это случилось при его жизни. Позднее комбинированные измерения уточнили массу бозона до 125,09 ГэВ с неопределенностью около четверти ГэВ.

В 2013 году Нобелевскую премию по физике присудили Франсуа Энглеру и Питеру Хиггсу. Робер Браут, соавтор открытия, умер в 2011 году, а Нобелевскую премию посмертно не присуждают. Сам Хиггс скончался 8 апреля 2024 года в Эдинбурге в возрасте 94 лет.

Чем бозон Хиггса не является

Название «частица Бога» придумал не теоретик, а автор популярной книги. Нобелевский лауреат Леон Ледерман вынес его в заголовок книги 1993 года, хотя, по его собственным словам, сначала хотел написать «проклятая частица» из-за того, как трудно ее поймать. Многие физики, включая самого Хиггса, это прозвище не любили, потому что оно вводит в заблуждение.

• Бозон Хиггса не создает всю массу окружающего мира. Масса протона и нейтрона почти целиком, примерно на 99 процентов, происходит от энергии сильного взаимодействия внутри них, а три кварка вносят около процента.
• Он не объясняет гравитацию и не делает «тяжелыми» планеты: массу обычного вещества задают другие процессы.
• Он не дает ответа на вопрос о темной материи, это отдельная нерешенная задача.

Поле Хиггса отвечает за массу элементарных частиц, таких как электрон, W- и Z-бозоны и кварки. Без него электрон остался бы безмассовым, атомы не могли бы существовать, и химии в привычном смысле не было бы. В этом и состоит настоящее значение открытия.

Что дальше

В 2018 году АТЛАС и CMS сообщили о наблюдении распада бозона Хиггса на пару b-кварков, а также о его рождении вместе с топ-кварком. Это подтвердило, что частица взаимодействует с тяжелыми кварками третьего поколения так, как предсказывала теория. Измерения показывают, что открытая частица пока соответствует Стандартной модели, но физики продолжают искать отклонения, ведь именно они могли бы указать на новую физику.

Главный вопрос в том, почему масса бозона именно такая и почему поле Хиггса устроено так, а не иначе. Ответа пока нет, поэтому эксперименты на коллайдере продолжаются, и именно поэтому открытие 2012 года стало началом нового этапа, а не концом поиска.