Возвращение массы

Наше представление о мироздании основано на так называемой Стандартной модели. Однако она не лишена недостатков. Так, согласно ей, все субатомарные частицы – нейтрино, электроны, кварки – не должны иметь массы. Конечно, было бы полбеды, если бы все сводилось к тому, что в мире электронов и кварков нам никогда не потребуются весы – даже самые что ни на есть прецизионные. Плохо другое: частицы, масса которых равна нулю, должны двигаться со скоростью света – как и частицы света, фотоны, также не имеющие массы. Но это означает, что кварки и электроны просто не могут образовывать атомы. Они будут без удержу мчаться из одного конца Вселенной в другой, не встречая ничего на своем пути. А ведь все в мире должно состоять из атомов – люди, животные, звезды, планеты.

В 1964 году шотландский физик Питер Хиггс попробовал примирить противоречия, предположив, что в космосе существует неизвестное нам поле – его так и назвали впоследствии «полем Хиггса». Оно заполняет все мироздание; по гипотезе Хиггса, пространство между частицами словно заполнено тяжелой, вязкой субстанцией. Оно всегда, при самой низкой энергии, отлично от нуля. Любые элементарные частицы, движущиеся сквозь время и пространство, движутся также и сквозь поле Хиггса; оно тормозит их. Массивные частицы взаимодействуют с полем Хиггса сильнее, легкие – слабее. Можно сказать так: частицы, изначально лишенные массы, попав в поле Хиггса, приобретают некую массу.

Данное поле можно обнаружить лишь благодаря частицам, возникающим из него на доли секунды, – хиггс‑бозонам. «Облипая обычную частицу со всех сторон, – пишет на страницах журнала «Знание – сила» журналист Рафаил Нудельман, – эти бозоны наделяют ее способностью «сопротивляться» воздействию внешних сил – иными словами, наделяют ее инерцией, а масса, как известно, есть мера инерции».

По мнению некоторых ученых, имеется пять разновидностей хиггс‑бозонов: три нейтральные и две заряженные. Однако Стандартная модель физики не позволяет рассчитать массу этих загадочных частиц; она ничего не говорит о том, как возникает поле Хиггса и как быстро распадаются хиггс‑бозоны.

Как отмечает на страницах журнала «Scientific American» Гордон Кейн, масса хиггс‑бозона, полученная расчетным путем, «оказывается огромной, а значит, массы всех остальных частиц тоже должны быть очень велики. Являясь неизбежным следствием Стандартной модели, такой результат порождает серьезные принципиальные трудности».

Из одного научно‑популярного журнала в другой кочует пример, поясняющий, каким образом элементарные частицы приобретают массу. Перескажем его, слегка его подновив. Представьте себе окрестности футбольного стадиона. Сотни болельщиков рассеянно слоняются из стороны в сторону. Никто не обращает внимания друг на друга. Внезапно, как молния, распространяется новость: «Сычев идет, Сычев идет!» Все всматриваются в неприметного молодого человека, пересекающего площадь у стадиона. Новость эта, сказал бы физик, сродни хиггс‑бозону. Она наделяет такого же, как все, парня необычайным весом. Десятки, сотни болельщиков спешат к нему, тянут блокноты, прося об автографе, что‑то спрашивают, подбадривают, восхищаются. Его скорость падает почти до нуля, зато любой наблюдатель может сказать, какой вес обрел этот юноша – «элементарная частица большого города».

^{Теоретики полагают, что при столкновении протонов удастся обнаружить следы существования хиггс‑бозонов}

^{Эта компьютерная модель демонстрирует следы, которые мог бы оставить во время эксперимента хиггс‑бозон}

Сами физики предпочитают прибегать к другому образу. «Представьте себе, все мироздание до краев заполнено вязкой глиной. Все элементарные частицы – эти электроны, нейтрино, кварки, – дефилируют по космосу в каких‑нибудь болотных сапогах, и при каждом движении на их обуви остаются комья глины. Вот так же к ним пристает их масса, пока они пробираются сквозь поле Хиггса, а оно вездесуще».

Итак, предположим вслед за Хиггсом, что хиггс‑бозоны наделяют элементарные частицы определенной массой. Их роль в мироздании столь важна, что некоторые физики кто иронично, а кто велеречиво именуют их «частицами Бога», «святым Граалем», «провозвестницами земли обетованной».

«И увидел Бог, что это скучно» – такими словами начинает повествование об этих загадочных частицах американский физик и нобелевский лауреат Леон Ледерман. Ведь без изобретения Питера Хиггса уравнения Стандартной модели физики мертвы. Они описывают призрачный мир – мир духов и привидений, мир, в котором ни одна элементарная частица не имеет массы. Лишь Хиггс наполнил мироздание невидимым морем частиц, придающих вес всему, что ни есть на этом свете. Однако все поиски их были напрасны. Поле Хиггса не удалось зафиксировать ни в одном эксперименте.

Так, осенью 2000 года из лаборатории CERN пришло известие, взволновавшее научный мир: при столкновении позитронов и электронов, разогнанных до невероятной скорости, похоже, обнаруживались следы хиггс‑бозонов. Но подтвердить этот результат так и не удалось.

Понятно, с каким нетерпением ученые ждут завершения строительства Большого адронного коллайдера неподалеку от Женевы. Тысяча двести чрезвычайно мощных сверхпроводящих магнитов разгонят протоны и антипротоны почти до скорости света, сталкивая их друг с другом. Здесь каждую секунду будет происходить до миллиарда столкновений. Возможно, эти эксперименты и подтвердят существование хиггс‑бозонов.

^{Ученые могут обнаружить хиггс‑бозоны по продуктам их распада}

К опытам готовятся с оптимизмом. Если прежде ученые полагали, что масса хиггс‑бозона должна быть равна 96 гигаэлектронвольт, что соответствует десяти в минус двадцать первой степени грамма (10^‑21),то теперь, по данным уточненных расчетов, этот показатель должен быть равен 117 гигаэлектронвольт, то есть этот бозон можно обнаружить лишь после необычайно мощного столкновения частиц. В прежних экспериментах ученые почти подобрались к данному показателю – достигли 114 гигаэлектронвольт. Не хватило мощи ускорителя, чтобы обнаружить хиггс‑бозон. Многие специалисты уверены, что эксперимент на новом коллайдере приведет к открытию этой загадочной частицы, наделяющей все мироздание определенной массой. «Дни хиггс‑бозонов сочтены», – шутят физики.