Бозон Хиггса. От научной идеи до открытия «частицы Бога» - Джим Бэгготт

Помимо бозона Хиггса, еще оставалось открыть таунейтрино. О его открытии Фермилаб объявил через пять лет, 20 июля 2000 года. Тогда появилась возможность составить порядок слабых взаимодействий, меняющих один аромат кварка на другой (см. рис. 22).

Еще оставалась какая-то надежда, что Тэватрон или БЭП обнаружат бозон Хиггса, и потому они работали на пределе своих возможностей. Проблема была в том, что невозможно было точно предсказать массу бозона Хиггса. В отличие от частиц W и Z физики не очень понимали, где его искать.

В основном считалось, что бозон должен иметь массу порядка 100–250 ГэВ. Его можно было обнаружить по каналам распада, при котором, как полагали, образуются пары из прелестного кварка и антикварка в связи с истинным и прелестным кварками, двумя высокоэнергетическими фотонами, парами Z-частиц, которые бы, в свою очередь, распались на четыре лептона (электроны, мюоны и нейтрино), пары W-частиц и пары тау-лептонов.

БЭП был мощным и универсальным коллайдером, но его эксплуатационный срок подходил к концу, и его планировали остановить в сентябре 2000 года.

Рис. 22

Преобладают следующие пути распада слабого взаимодействия, меняющие аромат кварков: нижний→верхний, странный→верхний, очарованный→странный, нижний→очарованный и верх ний→нижний. Пунктиром также показаны два менее вероятных пути распада: очарованный→нижний и нижний→верхний. Верхние переходы происходят с испусканием частицы W—, которая распадается на лептон (например, электрон) и соответствующее антинейтрино. Нижние переходы происходят с испусканием частицы W+, которая распадается на антилептон (например, позитрон) и соответствующее нейтрино

В последней отчаянной попытке найти бозон Хиггса физики ЦЕРНа нагрузили коллайдер сверх его возможностей. Он достиг расчетной энергии пучка 45 ГэВ (что дает энергию электрон-позитронных столкновений 90 ГэВ) в августе 1989 года. Благодаря модернизации энергия столкновения возросла до 170 ГэВ, что дало возможность генерировать пары W-частиц. Летом 2000 года благодаря новым модификациям энергия столкновения превысила 200 ГэВ.

15 июня 2000 года физик ЦЕРНа Никос Константинидис изучал некое событие, зарегистрированное накануне детектором ALEPH[145]. Он показал четыре кварковых струи, две из которых возникли после распада Z-частицы. Другие две струи казались продуктом распада более тяжелой частицы с массой порядка 114 ГэВ.

В глазах всего мира она выглядела, как бозон Хиггса.

Конечно, одно событие еще не было открытием, но за ним вскоре последовало еще два события, зарегистрированные детектором ALEPH, и два события, зарегистрированные вторым детектором – DELPHI[146]. Этого по-прежнему не хватало, чтобы заявить об открытии, но хватило, чтобы убедить генерального директора ЦЕРНа Лучано Майани подождать с приговором БЭПу до 2 ноября. Когда L3, третий детектор, зарегистрировал событие иного рода, которое было похоже на распад бозона Хиггса на Z-частицу, распавшуюся затем на два нейтрино, казалось, что ЦЕРН стоит на пороге одного из величайших открытий физики высоких энергий с тех самых пор, как в 1964 году был предсказан бозон Хиггса.

Физики ЦЕРНа уговаривали дать БЭПу поработать еще полгода. Майани как будто склонялся выполнить их просьбу, но, встретившись несколько раз с главными исследователями и как следует все обдумав, он в конце концов решил, что данных недостаточно для того, чтобы оправдать возможную задержку строительства Большого адронного коллайдера. Невозможно было сделать плавный переход, легко переключиться с БЭПа на БАК, так как это требовало долгого времени. Чтобы построить БАК, туннель, где размещался БЭП, нужно было полностью опустошить. Майани считал, что у него нет иного выбора, кроме как закрыть БЭП. Сотрудники ЦЕРНа узнали о его решении из пресс-релиза.

Многие физики были убеждены, что они очень близки к эпохальному открытию, и то, как повел себя Майани в такой ситуации, у них оставило чувство горечи. Однако, когда они скрупулезно проанализировали события, вероятность, что они действительно свидетельствовали о бозоне Хиггса, стала еще меньше. «Я понимаю раздражение и печаль тех, кому казалось, что бозон Хиггса уже у них в руках, – писал Майани в феврале 2001 года, – и кто опасается, что пройдут годы, прежде чем их труд найдет подтверждение»[147].

Единственный вывод, который могли сделать физики, – это что масса бозона Хиггса должна быть больше 114,4 ГэВ, вероятно около 115,6 ГэВ.

После открытия истинного кварка и тау-нейтрино коллекция элементарных частиц, составляющих Стандартную модель, была собрана полностью. Физики оказались в беспрецедентной ситуации, когда у них не осталось экспериментальных данных, которые не укладывались бы в предсказания теорий. И тем не менее у теоретиков было еще много работы.

Большие недостатки Стандартной модели бросались в глаза с самого момента ее создания. Модель должна учитывать весьма настораживающее количество фундаментальных или элементарных частиц. Эти частицы соединяются в структуре, для которой требуются двадцать параметров, но их нельзя вывести из теории, а можно только измерять. Из этих двадцати параметров двенадцать должны точно указывать массы кварков и лептонов, а три – силу взаимодействия между ними.

Вдобавок есть проблема и с массой самого бозона Хиггса. Бозон приобретает массу через так называемые петлевые поправки, которые учитывают его взаимодействия с виртуальными частицами. Петлевые поправки с участием более тяжелых частиц, таких как виртуальный истинный кварк, означают, что бозон Хиггса гораздо массивнее, чем должен быть, чтобы нарушить электрослабую симметрию так, как от него требует теория. В итоге теория предсказывает гораздо более слабое взаимодействие, чем оно есть на самом деле. Это называют проблемой иерархии.

К тому же, несмотря на в общем успешное объединение слабого и электромагнитного взаимодействия, осуществленное Глэшоу, Вайнбергом и Саламом, теория структуры SU(3) × SU(2) × U(1) поля Янга – Миллса, составляющая Стандартную модель, отнюдь не является абсолютно единой теорией фундаментальных взаимодействий.

В отсутствие экспериментальных указаний у теоретиков не осталось выбора, кроме как руководствоваться красотой и следовать за своей интуицией в поиске теорий, которые бы вышли за рамки Стандартной модели и объяснили законы природы на еще более фундаментальном уровне.

Помимо теорий великого объединения типа теории Джорджи – Глэшоу, существует еще один подход к объединению, который в начале 1970-х предложили теоретики в Советском Союзе и независимо открыли в 1973 году физики ЦЕРНа Юлиус Весс и Бруно Зумино. Он называется суперсимметрией. Есть много разновидностей теорий суперсимметрии, но одна из самых простых, впервые предложенная в 1981 году и названная минимальной суперсимметричной Стандартной моделью (МССМ), включает в себя «супермультиплеты», соединяющие частицы материи (фермионы) с бозонами, частицами – переносчиками взаимодействия.