Цифровой журнал «Компьютерра» № 149

Валерий Тельнов (ИЯФ СО РАН) о бозоне Хиггса Алла Аршинова

Опубликовано 30 ноября 2012 года

- Что такое бозон Хиггса? Зачем его придумали и так долго искали?

- Все знают, что тела и элементарные частицы имеют массы. А как возникают массы? Казалось бы, что можно просто принять существование масс как факт и на этом успокоиться. Однако возникла проблема. Теоретики нашли очень плодотворный путь построения теории взаимодействия элементарных частиц. Достаточно найти симметрию в конкретном взаимодействии и потребовать инвариантности относительно поворотов в соответствующем пространстве, как автоматически получаются поля-переносчики данного взаимодействия. Такой подход лежит в основе Стандартной модели, описывающей электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия.

Переносчиками этих взаимодействий являются соответственно фотон, W- и Z- бозоны и глюоны. В этой теории обязательно требуется, чтобы частицы-переносчики взаимодействия были безмассовыми. Фотоны и глюоны действительно имеют нулевые массы, а вот массы W- и Z- бозонов оказались очень большими, примерно в сто раз больше массы протона.

Косвенные данные, полученные на коллайдере LEP в ЦЕРНе, сузили этот диапазон масс до 115-170 ГэВ. Дальнейший поиск проводился на протон-антипротонном коллайдере Tevatron в лаборатории Ферми в США, а затем в ЦЕРНе на Большом адронном коллайдере (LHC). В июле 2012 года физики, работающие на LHC, объявили об обнаружении частицы с массой 126 ГэВ, очень похожей на хиггсовский бозон.

-Учёные нашли бозон Хиггса. Почему они так уверены в том, что это именно он? Какова процедура подтверждения открытия новой частицы?

- Если масса хиггсовского бозона известна, то теория предсказывает, сколько их должно родиться и на что они должны распадаться. Так, например, вероятность распада на пару лептонов пропорциональна квадрату массы этих лептонов. Это следует прямо из того, что масса пропорциональна константе взаимодействия. Это и требуется проверить, чтобы окончательно удостовериться, что найденная частица является хиггсовским бозоном. Следует заметить, что есть простейшая модель, а есть её разновидности. Например, теория суперсимметрии предсказывается три нейтральных и два заряженных хиггсовских бозона. Какая модель реализуется в природе, покажет эксперимент. Данные, полученные на LHC, довольно близки к ожидаемым, но есть некоторые отличия. Для более уверенных выводов требуется большая статистика.

- При каких параметрах работы LHC рождается бозон Хиггса? Почему понадобилось так много времени на его обнаружение?

- Количество рождённых хиггсовских бозонов зависит от энергии пучков и интеграла светимости (пропорционального количеству столкновений протонов). За время работы до лета 2012 года на LHC произошло примерно 10¹⁵ столкновений протонов при энергии 2E=7-8 ГэВ, при этом родилось всего около 10³ хиггсовских бозонов, один на триллион столкновений. Выделение сигнала хиггсовского бозона при таком фоне является очень сложной задачей. Набранных до сих данных хватило только для того, чтобы заявить о статистически значимом обнаружении хиггсовского бозона (на уровне 5 сигм).

- Известны ли уже какие-то свойства бозона Хиггса? Какое у него время жизни, масса и так далее?

- Главное, что хиггсовский бозон обнаружен и наконец стала известна его масса. Время жизни ещё не измерено, но поскольку сечение рождения наблюдаемой частицы близко к ожидаемому, то можно предположить и время жизни такой частицы близко к ожидаемому. Ожидаемая ширина хиггсовского бозона при массе 126 ГэВ составляет около Г≈4 МэВ и соответствующее время жизни 1.5•10^-22 с. Электрический заряд равен нулю. Другие важнейшие характеристики, такие, как спин (ожидается ноль) и бранчинги (вероятности) распадов по различным каналам, ещё предстоит измерить. На этот счёт имеются предсказания для различных моделей. Очень важна точность измерения этих параметров, поскольку именно небольшие отличия позволят разобраться, какая модель соответствует реальности.

- Как будут измеряться его характеристики? Всё ли можно сделать на LHC, или нужны другие эксперименты?

- На LHC сталкиваются протоны, а хиггсовский бозон рождается, в основном, при взаимодействии глюонов, содержащихся в протонах. Затем хиггсовский бозон распадается на пары WW^*, ZZ^* бозонов, пары тяжёлых кварков-антикварков , пары лептонов, в пару фотонов и другие моды. Конечные частицы регистрируются в детекторе, и по их энергии и углам рассчитывается масса распавшейся частицы. Например, строится распределение по инвариантной массе двух фотонов. Их рождается очень много, и подавляющее большинство не имеет никакого отношения к хиггсовскому бозону, поэтому они дают некоторое плавное распределение по инвариантной массе.

Фотоны же от распада хиггсовского бозона дают пик в этом распределении при массе хиггсовского бозона. На LHC этот «пик» составляет всего пару процентов от подложки. Именно из-за наличия фоновых процессов так трудно выделить события хиггсовского бозона. Некоторые каналы распада вообще невозможно выделить из-за фоновых процессов. Это является большим недостатком протонных коллайдеров. На них легче, чем на электрон-позитронных коллайдерах, достичь высокой энергии (поскольку они мало излучают при движении в кольце), но труднее выделить редкий процесс, поскольку протоны имеют довольно большие размеры, часто сталкиваются, разваливаются, создавая фоны.

Для детального изучения нужен электрон-позитронный коллайдер. Для рождения хиггсовского бозона достаточно суммарной энергии 240 ГэВ. Хиггсовский бозон будет рождаться в процессе. Фоны будут очень незначительными, можно будет легко измерить вероятности распада Хиггса в различные состояния. Можно даже изменить вероятность распада в невидимые состояния, регистрируя Z бозон и вычисляя недостающую массу.

Сейчас рассматриваются два варианта электрон-позитронного коллайдера: линейный и кольцевой. Преимущество линейного коллайдера в том, что на нём можно достигнуть существенно более высокой энергии, примерно до 3000 ГэВ. На кольцевом же коллайдере продвинуться выше 300 ГэВ практически невозможно из-за больших потерь энергии на синхротронное излучение. На какую энергию строить электрон-позитронный коллайдер, зависит от того, что обнаружат на LHC. Для этого нужно подождать ещё несколько лет, пока на LHC наберут достаточно статистики на максимальной энергии 2E=14 ТэВ.

- Рассчитывают ли учёные на какую-то новую физику от изучения свойств бозона Хиггса? Совпадают ли свойства бозона Хиггса с теми, что прогнозировались Стандартной моделью?

- Набранных данных пока достаточно только для открытия этой частицы, что это не статистическая флуктуация. Тем не менее можно сказать, что количество обнаруженных частиц и вероятности распада по зарегистрированным каналам близки к предсказаниям самого простого варианта модели хиггсовского бозона, хотя есть некоторые отличия.

Требуется большая точность (больше данных), чтобы делать выводы о том, согласуются ли свойства Хиггса с предсказанными. Любые отклонения будут свидетельствовать о новой физике, будут подсказкой, в каком направлении двигаться дальше.

- Что будет, если все ожидания подтвердились и исследовать здесь больше нечего? Куда будет двигаться физика элементарных частиц? Как будут искать физику за пределами Стандартной модели?

- Вообще-то, хиггсовский бозон — это далеко не конец физики частиц. Это, конечно, хорошо, что нашли недостающее звено Стандартной модели. Однако есть задача ещё более захватывающая. Совсем недавно удалось определить среднюю плотность Вселенной и её состав.

Получилось, что все известные виды материи составляют только около 5 процентов плотности Вселенной. В основном, это барионы (протоны, нейтроны, ядра), а также электроны, фотоны, нейтрино. Около 25 процентов — это «тёмная материя», какие-то неизвестные частицы, которые так же, как и обычная материя, сконцентрированы в галактиках. Это весьма твёрдо установленный факт. Для того чтобы удержать звёзды во вращающихся галактиках (включая наш Млечный Путь), необходима примерно в 5-6 раз большая масса, чем та, что наблюдается в галактиках (звёзды и межзвёздный газ).

Оставшиеся 70 процентов плотности Вселенной составляет «тёмная энергия», некая равномерно распределённая по Вселенной субстанция (возможно, вакуум), вызывающая антигравитацию на больших масштабах и ускоренное расширение Вселенной. Так что и искать новую физику не надо, она есть налицо, а не какие-то малые отклонения от Стандартной модели. Можно считать, что природа просто бросила вызов физикам!

Есть предположения о природе тёмной материи. Сейчас ведутся несколько подземных экспериментов по регистрации частиц тёмной материи. Они пока не обнаружены, но есть надежды. Ещё более привлекательно рождать тёмную материю на ускорителях. Тогда можно будет увидеть не только нейтральные стабильные её частицы, но и другие нестабильные частицы из этого семейства, тогда возможно будет понять природу этих частиц. Были предсказания, что массы этих частиц как раз лежат в области энергий LHC, однако пока ничего не обнаружено, но некоторые шансы найти остаются.

Что дальше, после LHC? Действительно, стоимость LHC составила около 6 млрд. долларов. В будущем планируется увеличить энергию LHC вдвое (путем замены магнитов на более сильные). Дальше возможен будет линейный электрон-позитронный коллайдер на энергии до 3 ТэВ. Рассматривается вариант очень большого протон-протонного коллайдера на энергию до 100 ГэВ. Также разрабатывается мюонный коллайдер на энергии до 100 ТeV. Дальнейший подъём энергии практически невозможен ввиду запредельной стоимости и размеров. Этот путь тупиковый, так как характерный масштаб энергий в физике частиц — это масса Планка (масса, составленная из фундаментальных констант скорости света, постоянной Планка и гравитационной постоянной), составляющая 10¹⁹ ГэВ, что на 15 порядков больше энергии Большого адронного коллайдера.

Другой подход, который, возможно, позволит понять, что происходит даже при массах Планка, — это детальное изучение редких процессов при доступных энергиях. Очень обещающей является нейтринная физика. Недавно обнаружено, что массы нейтрино отличны от нуля и лежат в области 10^-3-10^-2 эВ. Есть предположения, что их масса связана с явлениями при планковских энергиях. Детальное изучение нейтрино может также пролить свет на вопрос о том, почему Вселенная состоит из материи, а антиматерия куда-то подевалась. Казалось бы, что всё должно быть симметрично.

Правда, если бы было симметрично, то нас бы не было: материя и антиматерия проаннигилировали бы, и остались бы одни фотоны.

- Что теперь изменится, когда мы нашли бозон Хиггса? Например, мы измерим его параметры, и это позволит нам предсказать или рассчитать какое-нибудь новое явление? Или просто убедились в том, что он есть, и всё?

- Стандартной модели требовался хиггсовский бозон, но не было предсказания его массы. В минимальном варианте хиггсовское поле описывается двумя параметрами, и только один был известен из масс W и Z бозонов. Теперь стала известной масса Хигсса, то есть найден второй параметр. Но вряд ли природа устроена так просто! Наверняка это только начало изучения того скалярного поля (а их может быть не одно), которое придает массы элементарным частицам. Вообще, это удивительно, что открыли хиггсовский бозон. Год с небольшим назад уже ожидали сигнала Хиггса, а его всё не было.

Дирекция ЦЕРНа уже отрабатывала с физиками вариант, что говорить налогоплательщикам, если хиггсовского бозона не будет обнаружено (или вообще ничего на LHC не откроют). Хиггсовский механизм — это только один из возможных вариантов, были и другие.

- Обнаружение бозона Хиггса — самый громкий результат. А какие ещё есть интересные события/наблюдения/открытия, сделанные на LHC?

Пока на LHC только один результат высшего класса — это хиггсовский бозон. Есть некоторые интересные предварительные результаты с детектора LHCb, касающиеся CP-несохранения. Надо ещё разбираться, возможно, это выльется в крупное открытие. Имеются интересные результаты в ион-ионных столкновениях. Там изучается кварк-глюонная плазма, из которой когда-то состояла Вселенная.

- На LHC ведь не кончается физика элементарных частиц. Есть ещё, например, коллайдер ILC. Какое Вы предложили для него решение по гамма-гамма-встречным пучкам?

- Да, я уже говорил о линейных коллайдерах. Быть или не быть и на какую энергию, зависит от того, что откроют на LHC. ILС — International Linear Collider — это сверхпроводящий линейный коллайдер на энергию до 500-1000 ГэВ. Ещё есть проект теплого линейного коллайдера CLIC (Compact Linear Collider) с более высоким темпом ускорения. На нём можно будет достичь энергии 3000 ГэВ.

Длина обоих коллайдеров около 50 км. Существенным отличием линейных коллайдеров от циклических (кольцевых) является однократное использование разогнанных пучков электронов и позитронов. Просто их невозможно развернуть из-за излучения при повороте. Эта особенность позволяет превратить линейный коллайдер в гамма-гамма (фотон-фотонный) коллайдер с примерно такими же энергией и светимостью. Эту идею я предложил тридцать лет назад, и сейчас фотонный коллайдер рассматривается как естественное дополнение к линейному коллайдеру. В фотонном коллайдере сначала разгоняются навстречу электроны, а затем на расстоянии порядка 1 мм от места встречи их облучают мощным лазером.

При комптоновском рассеяния отраженный лазерный фотон забирает почти всю энергию у электрона (оптимально 80 процентов). Число таких фотонов примерно равно числу электронов в исходном пучке, и движутся они в том же направлении, в место встречи, куда были сфокусированы электроны. Получаются встречные фотон-фотонные или фотон-электронные столкновения.

В фотон-фотонных столкновениях может рождаться всё то же, что и в электрон-позитронных столкновениях, но по-другому. Например, два фотона переходят в один хиггсовский бозон, притом количество рождённых хиггсовских бозонов будет примерно таким же, как и в e⁺e^- столкновениях.

- Так можно ли сказать, что с открытием хиггсовского бозона мы поняли, почему тела имеют массу?

- Этот заключительный вопрос очень важен. Всё не совсем так. Хиггсовский механизм придает массы элементарным частицам: кваркам, лептонам, бозонам. Однако масса обычной материи, состоящей, в основном, из протонов и нейтронов, только на 2 процента обусловлена хиггсовским скалярным полем. Дело в том, что масса кварков, находящихся в протоне, составляет всего 2 процента от массы протона. А откуда взялась остальная масса? Масса ядра, например, меньше, чем масса составляющих его протонов и нейтронов. Так называемый дефект массы является источником ядерной энергии.

А для протона всё наоборот. Как же так? Вопрос очень непростой. Сначала рассмотрим один пример. Фотоны, как известно, имеют нулевую массу. Однако если ими наполнить ящик, то ящик с фотонами будет иметь массу, равную энергии всех фотонов, делённую на скорость света в квадрате. В протоне, правда, всё не так и намного сложнее. Рискну сформулировать, оперируя не совсем понятными словами. Итак, вакуум совсем не пустой. В нём постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы, это следует из квантовой механики. Имеются флуктуации глюонного поля, рождаются и исчезают кварк-антикварковые пары.

Так вот, глюонное поле действует на кварки и антикварки, меняет направление их движения, приводя к их эффективному взаимодействию, за счет которого кварк-антикварковая пара становится одной частицей, бозоном, и образуют кварк-антикварковый конденсат. Это похоже на куперовские пары в сверхпроводнике.

Валентные кварки в протоне взаимодействуют с этим конденсатом, выбивают кварк из пары, занимая его места. В результате кварки в протоне приобретают динамическую массу около 300 МэВ (их голая масса меньше 10 МэВ). Поскольку в протоне три кварка, то отсюда и получается масса протона 930 МэВ. Данное явление очень сложно рассчитать. Оно следует из квантовой хромодинамики, описывающей взаимодействие кварков, но из-за сложности явления решить данную задачу удалось только совсем недавно с помощью суперкомпьютера.

Резюме: 2 процента массы вещества обусловлены хиггсовским полем, а 98 — квантовой хромодинамикой.

Ещё одно замечание. Массы электрона и мюона определяются хиггсовским полем, отношение их масс равно 200. Это есть отношение констант взаимодействия электрона и мюона с хиггсовским полем. Мы не знаем происхождение значений этих констант. Нужна более глубокая теория, которая смогла бы это объяснить. Так что обнаружение бозона Хиггса — это великое достижение, но с другой стороны, число вопросов не уменьшилось, а только возросло. Ещё очень далеко до того прекрасного времени, когда физики научатся выводить все законы природы, исходя из минимального набора трёх фундаментальных констант.

К оглавлению