Наука и Техника

Наука И Техника
27 ноября 2015

Физики отчаянно хотят, чтобы бозон Хиггса был ошибкой

Когда Пол Глейшер вот-вот должен был получить ученую степень в 2012 году, вокруг только и было разговоров, что о бозоне Хиггса. Сталкивая протоны вместе вот уже два года, Большой адронный коллайдер ЦЕРНа вот-вот должен был выхватить загадочную частицу — которая помогает объяснить, как у вселенной появилась масса — из царства теории. Студентам, которым довелось попасть в исследовательскую группу БАК, выпал шанс осуществить крупнейшее открытие в современной физике.

Глейшер был огорчен. За два месяца до того, как он стал аспирантом Эдинбургского университета в команде ЦЕРН, эксперименты БАК ATLAS и CMS сообщили об обнаружении бозона Хиггса.

«Было немного грустно, — говорит Глейшер. — Они ждали 50 лет, чтобы найти его, и не могли подождать еще пару месяцев, пока я не присоединюсь к ним».

Следующие три года протекали в похмелье, полном шампанского. Новые данные подтвердили находку Хиггса, а затем коллайдер закрыли на двухлетнюю модернизацию, чтобы потом сталкивать частицы с удвоенной силой.

Эти летом долгожданный перезапуск БАК состоялся с новой задачей: попытаться найти крупные частицы, которые раньше никогда не создавались в искусственных ускорителях частиц. Физики считают, что могли бы заметить частицы, из которых состоит темная материя — неизвестное вещество, составляющее почти четверть Вселенной — или даже наткнуться на другие измерения.

Несмотря на выпавший шанс поизучать экзотические новые частицы, спустя три с половиной года Глейшер обнаружил себя по-прежнему изучающим бозон Хиггса с эксперимента ATLAS. Вместо того чтобы провести всю жизнь, гоняясь за призраком, он изучает что-то совершенно реальное.

«Открытие — при всем своем великолепии и Нобелевской премии, за него присужденной, — это только первый шаг», — говорит Глейшер. Теоретики и другие ученые на коллайдере с ним согласны. Они думают, что бозон Хиггса поможет им найти новую физику.

Что теперь?
Бозон Хиггса (будем называть его просто Хиггсом, как наши старшие коллеги) стал в некотором смысле точкой. В основе физики элементарных частиц лежит так называемая Стандартная модель: группа из 17 элементарных частиц и правила их взаимодействия. До открытия Хиггса физики наблюдали 16 из этих частиц — и безуспешно пытались найти 17-ю, которая направила бы всю модель в новом направлении. Но Хиггс оказался совершенно ординарным. Он действовал в точности с предсказаниями модели, подчиняясь всем теоретическим правилам.

Можно сказать, что физики перестарались с прогнозами. «Получив Хиггса, мы подумали, что коснулись дна», — говорит Андре Давид, ведущий физик CMS, пытаясь охарактеризовать бозон.

Но с недавно модернизированным БАК, ученые ATLAS — наряду со своими коллегами с CMS и среди физиков-теоретиков — считают, что Хиггс все еще может навести нас на новые дорожки в природе мира. «Будто вы утыкаетесь в дно, а за ним должно быть новое дно, — говорит Давид. — Просто нужно продолжить копать».

Физики уже приготовили довольно сочные теории для Хиггса. Когда вы являетесь частью процесса, дающего Вселенной массу, вы наверняка замешаны и в других интересных делишках. Этот месяц ознаменовал завершение первого раунда наблюдения протонных столкновений на высоких энергиях в БАК, и полученные данные могут затронуть крупнейшие вопросы в физике.

Одна из величайших надежд, которую физики возлагают на новый БАК, это не перевернуть Стандартную модель новыми наблюдениями, а расширить ее — найти партнера для каждой из 17 частиц, подтвердив теорию суперсимметрии. Стандартная модель отлично объясняет слабое взаимодействие, позволяющее одной частице превращаться в другую. Но физики не знают, почему слабое взаимодействие превосходит гравитацию. Теории, которые объяснили бы эту странность, включают бозон Хиггса с большей массой, но обнаруженный в 2012 году бозон был относительно легким. Наблюдение суперсимметричных частиц, которые тоже будут легкими, могло бы объяснить расхождение.

Бозон Хиггса мог бы сыграть роль и в другой неизвестной пока частице: темной материи. Вполне возможно, что Хиггс может становиться темной материей или играть какую-нибудь другую роль в ее поведении. Огромные детекторы БАК измеряют, что происходит после столкновений, улавливая энергии полученных частиц — и если часть этой энергии исчезнет, это может быть намек на появление темной материи.

А есть еще материя и антиматерия. Хотя физики знают о существовании того и другого, они не уверены в том, что случилось сразу после Большого Взрыва, когда Вселенная состояла из равных частей вещества и антивещества. Они имеют склонность к уничтожению друг друга, превращаясь в чистую энергию при столкновении. Но что-то вызвало дисбаланс и привело к тому, что в современной Вселенной намного больше вещества, нежели антивещества. Ученые считают, что взаимодействия Хиггса с ним же самим могли бы внести вклад — поэтому планируют изучить, что происходит, когда два Хиггса встречаются в БАК.

Наконец, физики полагают, что могут найти еще больше хиггсовых частиц. Одна из хороших теорий постулирует, что вместо одного типа бозона Хиггса — их пять. Некоторые тяжелее того, что нашли в 2012 году, а значит, возможно, БАК не был достаточно мощным, чтобы создать их. До сих пор.

Известное неизвестное

Все эти возможности вызывают определенный ажиотаж в научных кругах. Но самые интригующие результаты БАК могут быть вследствие появления чего-то, что никто не ожидал. Хиггс, обнаруженный в 2012 году, обладает массой, которая подозрительно совместима с огромным количеством взаимодействий частиц. Это может быть совпадением. Или — надеются физики — это может привести к неким глубинным принципам, которые скрывались от физиков до сих пор. Конечная цель, как всегда, найти ниточку, за которую можно потянуть, активировав колокол, который приведет физиков к чему-то новому.

«Нет никаких гарантий, что мы подумали обо всем, о чем можно было подумать. Возможно, мы были недостаточно талантливыми и творческими, — говорит Давид. — Возможно, мы движемся в направлении, где можно уловить тонкую новую физику. Это не то, чтобы найти под носом новую частицу».

В очередной раз ученые запустили ходики туманного периода ожидания. Питер Хиггс предположил существование своего бозона в 1964 году — частицу не могли найти 50 лет. Ученые ЦЕРН пока не знают, достаточно ли мощный их коллайдер, чтобы предоставить искомые ответы, или же придется ждать следующего мощного апгрейда энергии спустя годы или даже десятилетия.

«У нас куча вопросов. У нас есть косвенные доказательства, что ответы на них можно найти, проводя эксперименты, которые мы и делаем, — говорит ученый ATLAS Эллиот Лайплес. — Мы можем остаться с пустыми руками или найти что-то шокирующее буквально в следующем месяце».

В целом это утомительная и неблагодарная работа. Группа Глейшера в Университете Эдинбурга проводит дни, анализируя распад Хиггса на несколько конкретных типов частиц. Чтобы раскрыть секреты Хиггса, физики должны провести тысячи часов, прочесывая непостижимое число столкновений частиц, которые каждый день происходят на БАК. И если Глейшеру повезет, именно его команда может обнаружить физику, которая покажет, что Хиггс ошибался.