ЭТОТ НЕУЛОВИМЫЙ БОЗОН
Жизнь замечательных идей
В среду утром четвертого июля 2012 года руководство Европейского центра ядерных исследований - ЦЕРНа - официально объявило об открытии бозона Хиггса.
За этой неуловимой частицей охотились, без преувеличения, всем миром. В проекте принимали участие десять тысяч ученых, инженеров и рабочих из ста разных стран. На поимку последнего недостающего элемента Стандартной модели было потрачено чуть больше десяти лет и десять миллиардов долларов.
Что же такое бозон Хиггса? Почему его так долго искали? И неужели он того стоил?
Частица Бога
Все, абсолютно все объекты во Вселенной - от гигантских звезд до самых крохотных частиц, составляющих атомы, - взаимодействуют друг с другом.
Люди обмениваются информацией, рукопожатиями или подарками, испытывают к кому-то влечение или ненависть, обзаводятся семьями, рожают детей, изо всех сил стараются удержать рядом с собой своих любимых… Примерно так же строят свои взаимоотношения субатомные и элементарные частицы микромира и космические объекты макромира.
Справка: Между частицами микромира существует три вида взаимодействия: электромагнитное, слабое ядерное и сильное ядерное. Модель, объединившая три типа взаимодействия элементарных частиц, называется квантовой теорией и представлена так называемой Стандартной моделью.
На космические тела и на все остальные макроскопические объекты нашего материально мира действуют в основном гравитационные силы. Макромир с его гравитационными силами описывает Общая теория относительности Эйнштейна.
Впрочем, на частицы микромира гравитация тоже действует, но слабо.
Однако для того, чтобы однажды частицы начали взаимодействовать между собой, чтобы субатомные частицы объединились в атомы, чтобы потом из этих микроскопических строительных кирпичей Вселенной образовались Галактики, и чтобы каждая Звезда обзавелась своими планетами, а на одной из этих планет выросли деревья, зацвели цветы и появились мы с вами, тем самым первым, возникшим из ничего, частицам нужно было, как минимум, обрести массу.
Вот здесь и начинается история бозона Хиггса. Неуловимой частицы. Которую нобелевский лауреат физик Леон Ледерман за значимость и за выдающийся вклад в рождение Вселенной в шутку назвал «частицей Бога».
За четырнадцать миллиардов лет до открытия. Где-то в пустоте.
Согласно современной общепринятой космологической теории тринадцать миллиардов восемьсот двадцать тысяч лет тому назад один крошечный пузырек кипящей пространственно-временной пены по каким-то причинам не схлопнулся, как это делали мириады его собратьев, а начал стремительно раздуваться. Начало фазы сверхскоростного расширения получило название «Большой взрыв». В результате Большого взрыва появилась вся наша Вселенная.
Комментарий С.Г Рубин: «Часто задаются вопросом, каким образом из маленького пузырька пространственно-временной пены могла появиться наша вселенная со всем многообразием различных объектов, которые в ней находятся, это звезды, массивные черные дыры, нейтронные звезды, газовые облака, на самом деле, в самый первый момент, в этом пузырьке быстро расширяющимся, существовали только поля, в частности хиггсковое поле и другие, которые не предсказываются Стандартной моделью элементарных частиц. Некоторое время это наше пространство расширялось, затем поля начали быстро меняться и при этом они порождали частицы интенсивно, именно те частицы, из которых теперь состоит мы и наша земля, солнце и галактики.
Когда рождались эти частицы за счет быстрых колебаний первичных полей, то они рождались очень энергично, они обладали очень высокими кинетическими энергиями, ну а мы знаем, что любой объект, любая система, в которой частицы двигаются очень быстро и имеют очень высокую энергию, мы их воспринимаем как сильно нагретые частицы, таким образом, наша Вселенная в этот момент, когда рождались эти частицы, на не только приобретала массу, но и приобрела очень высокую температуру, и в дальнейшем, когда частицы перестали рождаться, температура начала падать.
Надо сказать, что поле Хиггса при очень высокой температуре теряет свой замечательное свойство придавать массу частицам, поэтому масса у частиц появилась при достаточно низких температурах, порядка 200-300 гигаэлектронвольт, если мерить температуру в энергетических единицах»
Почему один из пузырьков начал раздуваться пока что еще не известно. Но зато известно, что Ранняя Вселенная была очень горячей и очень плотной. После окончания фазы сверхскоростного расширения, которая длилась такую мизерную долю секунды, которую даже невозможно себе представить, Вселенная, продолжая раздуваться, начала медленно остывать.
Этот процесс расширения Вселенной физики назвали «инфляцией».
В этот момент во Вселенной уже имелся весь строительный материал для создания всех космологических объектов: и звезд, и планет, и темной материи. Материал этот был однородным и представлял собой кварк-глюонную плазму.
Потом кварки и глюоны слепились в протоны и нейтроны.
Потом протоны и нейтроны, объединившись, образовали ядра дейтерия, гелия и некоторых других лёгких изотопов. А через триста восемьдесят тысяч лет после Большого взрыва, когда температура упала до двух целых и семи десятых градусов выше нуля, началось формирование атомов водорода.
Всё это время во Вселенной шло образование, как материи, так и антиматерии. Если их пути пересекались, они взаимоуничтожались, выделяя энергию в виде частиц света - фотонов.
«Если бы столкнулись два однограммовым кусочка вещества и антивещества, выделилось бы такое количество энергии, что можно было бы приготовить тридцать миллионов тонн кипятка в случае нужды»
С.Г.Рубин из книги «Устройство нашей Вселенной».
Зачарованный мир квантовой физики
Мир известных нам субатомных частиц состоит всего лишь из трех групп: лептонов, кварков и переносчиков взаимодействий. Лептоны и кварки - это строительный материал вещества. Переносчики взаимодействий - своего рода «клей», не позволяющий миру распадаться на части. Электромагнитное взаимодействие обеспечивает фотон. Переносчики сильного взаимодействия - глюоны. А W и Z бозоны переносят слабое взаимодействие
Теория Большого взрыва впервые прозвучала как предположение советского математика и геофизика Александра Фридмана. Затем в тридцатые годы была детально разработана бельгийским теоретиком Жоржем Леметром и существенно дополнена в конце сороковых годов американским астрофизиком, бывшим нашим соотечественником Георгием Гамовым.
К началу шестидесятых годов Теория Большого взрыва в целом удовлетворяла большинство физиков, но в ней всё ещё оставалось несколько существенных дыр. И одну из них - возникновение массы частиц - никак не удавалось залатать.
За сорок восемь лет до открытия. Эдинбург, 1964 год.
В начале августа 1964 года будущий профессор Эдинбургского университета, тридцатипятилетний английский физик Питер Хиггс, отправился на прогулку в горы. И там внезапно ему пришла в голову идея, которую Хиггс, по возвращении в лабораторию, назвал «грандиозной». Может быть, эту идею ему подсказал горный ландшафт. А может быть, он заметил, что чем тяжелее камень, тем быстрее он катится с горы. Или Хиггс вспомнил, как образуются снежные лавины.
Так или иначе, вернувшись в лабораторию, Питер Хиггс немедленно засел за расчёты. И уже в конце августа он опубликовал статью, в которой предложил механизм возникновения массы Вселенной.
По его гипотезе Ранняя Вселенная была пронизана незримым полем, состоящим из микрочастиц - бозонов. И если подобрать не вполне верную, но зато очень наглядную аналогию из нашего материального мира, это квантовое поле было… липким. Когда невесомые пока ещё частицы, летевшие из центра Большого взрыва, пересекали это поле, то бозоны приклеивались к ним, как мокрый снег на ботинки, заставляя обретать массу.
Профессор физики Мичиганского университета и специалист по теории элементарных частиц Гордон Кейн в своей статье «Загадка массы» так описал «механизм Хиггса»:
«Пустое» пространство, заполненное полем Хиггса, похоже на пляж, полный детей. Частица, пересекающая область пространства, похожа на продавца мороженого. Дети окружают тележку с мороженым и замедляют её движение. В результате она приобретает «массу».
Комментарий С.Г.Рубин: «Хиггс предложил гипотезу возникновения массы элементарных частиц, причем очень интересную гипотезу, предполагается, что существует поле, теперь оно называется поле Хиггса, взаимодействие с которым и придает остальным частицам массу. Можно предложить следующую аналогию для объяснения эффекта Хиггса. Предположим у вас есть упругая резиновая поверхность хорошо натянутая и на нее кладется тяжелый шарик, тяжелый шарик, конечно, имеет массу, если бы вы его катали по твердому столу, то могли бы определить его массу, теперь же он у нас лежит на упругой поверхности и при этом ее продавливает и создает некую, как говорят, потенциальную яму для себя, совершенно очевидно, что теперь его, чтобы придать ему импульс, чтобы он начал двигаться, нужно приложить несколько больше усилий, и обычно это интерпретируется нами, что частица приобретает дополнительную массу, ну вот этот, эта аналогия, пожалуй, наиболее близка к тому, что предполагал Хиггс и как это себе представляют физики».
О существовании квантового поля, которое оказало влияние на формирование массы Вселенной, ещё за два года до открытия Хиггса говорил американский физик Филипп Андерсон. А в 1964, практически одновременно с Хиггсом, механизм происхождение массы объяснили ещё две независимые группы ученых - из Бельгии и США. Но, тем не менее, и гипотетическая частица, и поле, и механизм получили имя Хиггса.
Охота на бозон Хиггса началась осенью 1964 года. Тогда ещё физики считали, что для поимки бозона достаточно просто иметь мощный ускоритель заряженных частиц. Но никто из них не предполагал: насколько мощный.
За 29 лет до открытия. Европейский центр ядерных исследований. 1983 год
Частицу, отвечающие за ядерное взаимодействие - глюон - учёные впервые наблюдали в августе 1979 года. Глюон поймали в лаборатории ДЭЗИ, в Гамбурге. Теоретики вычислили, что при слиянии глюонов образуется больше бозонов Хиггса, чем в любом другом процессе.
В 1983 году итальянский физик Карло Руббиа и голландский физик Ван дер Мер, проводившие эксперименты на протонном суперсинхротроне в Центре ядерных исследований поймали Wи Z-бозоны с предсказанной массой.
Это открытие уже через год было отмечено Нобелевской премией. Но бозон Хиггса оставался неуловимым.
К середине восьмидесятых годов во всем мире на разных ускорителях наловили такое количество новых частиц, что Нобелевский лауреат физик Роберт Оппенгеймер однажды сказал:
«Нобелевскую премию по физике следует отдать тому физику, который за год не откроет ни одной новой частицы».
А великий Энрико Ферми, основоположник квантовой физики, шутил: «Если бы я был в состоянии запомнить названия всех этих частиц, я стал бы ботаником».
Зачарованный мир квантовой физики
Элементарные частицы определяются набором своих квантовых чисел. Квантовые числа характеризуют разные состояния частицы. Одни числа связаны с движением частицы в пространстве - радиальное орбитальное, магнитное. Другие характеризуют внутреннее состояние частицы. Кварки, например, бывают очарованными прелестными, странными, истинными…
Кстати, квантовое число «странность» было введено для объяснения того, что некоторые элементарные частицы всегда рождаются парами.
Ещё в конце семидесятых годов два американских физика Стивен Вайнберг и Абдус Салам предложили теорию, объединившую два типа взаимодействия элементарных частиц - слабое и электромагнитное. Позже в теорию Вайнберга-Салама было включено и сильное взаимодействие.
Объединенная теория слабых, сильных и электромагнитных взаимодействий Вайнберга-Салама, увенчанная в 1979 году Нобелевской премией, легла в основу так называемой Стандартной модели.
Справка: Стандартная модель - это гипотеза о том, как устроена бОльшая часть Вселенной. Из каких частиц, формирующих атомы, молекулы и материю, она состоит. Какие силы приводят все это в движение. Для объяснения происхождения массы частиц в Стандартную модель был включен «механизм Хиггса».
Комментарий С.Г.Рубин: «Стандартная модель на современный данный момент является основным инструментом теоретиков, она действительно предсказывает различные элементарные частицы, свойства. Более того, Вайнберг и Салам указали путь, с помощью которого можно объединить все взаимодействия, кроме гравитационного. И кроме того они предсказали новые частицы, которые являются переносчиками слабого взаимодействия, так называемые w и z-бозоны, и они предсказали их массу, и когда экспериментаторы попытались в этой области найти частицы, в этой области массы, то эти частицы были обнаружены и они, конечно, вдохновили ученых, это было грандиозным успехом, предсказание, которое сбылось.
Но была также и еще одна частица, а именно частица Хиггса, свойства которой были не так ясны, например, было непонятно, какая ее масса, как она взаимодействует с другими частицами, точнее были непонятны сами числа, параметры взаимодействий, и попытки найти эти частицы до сих пор ни к чему не приводили, в стандартной модели не только этот недостаток, она, например, предполагала, что масса нейтрино должна равняться нулю в этой модели, на самом деле, оказалось, что это не так, масса нейтрино отлична от нуля, но является очень маленькой величиной.
Стандартная модель - была очень стройной теорией. Всё у неё было разложено по полочкам, все объяснено. Она отличалась очень точной настройкой и очень тонкой подгонкой всех параметров. То есть, одним словом, она была совершенна.
Точнее, могла бы быть. Если бы учёным удалось поймать последний недостающий элемент Стандартной модели - частицу Бога. Или, по крайней мере, подтвердить её существование.
Обнаружение бозона Хиггса и экспериментальное подтверждение теории «Стандарной модели взаимодействия элементарных частиц» стало одной из главных целей создания Большого адронного коллайдера.
За 11 лет до открытия. Швейцария, 2001 год
В 2001 году в пригороде Женевы, на границе Швейцарии и Франции, в ЦЕРНе - Европейском совете ядерных исследований началось строительство гигантского ускорителя заряженных частиц - Большого адронного коллайдера.
Большим его назвали потому, что это самая крупная экспериментальная установка в мире и самое большое сооружение, построенное руками человека на Земле. Длина кольцевого подземного тоннеля, в котором находится ускоритель, составляет почти двадцать семь километров.
Адронным - потому что он ускоряет адроны, то есть, тяжёлые частицы. В частности, протоны.
Коллайдером, что в переводе с английского означает «сталкиватель», потому что сталкивает пучки частиц, двигающихся в противоположных направлениях, в специальных точках столкновения.
Большой адронный коллайдер (сокращённо БАК)- это уникальное сооружение. Внутри коллайдера царит такая пустота, которую не встретишь нигде во Вселенной - давление там в десять раз меньше, чем давление воздуха на Луне, где, как известно воздуха почти нет. А ещё это самое горячее и одновременно самое холодное место во всей нашей Галактике.
Когда частицы сталкиваются, температура этих микровзрывов достигает сотен миллионов градусов и превышает температуру Солнца в сто тысяч раз!
В то же время детекторы коллайдера, которые регистрируют результаты этих микровзрывов, охлаждаются жидким азотом и жидким гелием до температуры минус двести семьдесят один и три десятых градуса по Цельсию. Такого холода нет даже в открытом космосе между звезд.
Для того чтобы частицы могли столкнуться с такой невообразимой силой, их разгоняют почти до скорости света.
Для обработки всего этого фантастического объема данных была построена уникальная Сеть, состоящая из нескольких десятков компьютерных центров по всему миру. Ее назвали GRID, то есть «решетка». По сути своей грид - это суперкомпьютер, способный обрабатывать информацию, ёмкостью пятнадцать миллионов гигабайт в год
Большой адронный коллайдер объединил усилия десяти тысяч учёных, инженеров и рабочих из ста стран мира. А стоил этот проект в общей сложности десять миллиардов долларов. Это если не считать стоимости альфа-магнитного спектрометра, находящегося на борту Международной Космической станции с ее ежегодным бюджетом в шесть миллиардов долларов.
Справка: Альфа-магнитный спектрометр - это космическая лаборатория весом около семи тонн, новейшие приборы которой регистрируют основные параметры космических лучей: скорость, энергию и направленность. Это международный проект. В его создании приняли участие пятьдесят шесть институтов и научных центров из шестнадцати стран мира. Стоимость АМС - два миллиарда долларов.
Кто-то из журналистов подсчитал, что налогоплательщикам Евросоюза и России поимка частицы Бога обошлась всего в четыреста рублей. Каждому. Не так уж и дорого.
Впрочем, говорить о том, что Большой адронный коллайдер был построен с одной целью - поймать бозона Хиггса, было бы неверно.
Побочным продуктом, если так можно выразиться, работы ЦЕРНа стала концепция Всемирной паутины. Здесь были разработаны и протокол http, и язык html, и идентификаторы URL.
А Сеть БАКа уже сейчас может моделировать самые скоростные и самые сложные процессы. И не только в физике, но и, например, в биохимии.
Комментарий С.Г.Рубин: "Когда люди занимаются научной деятельностью на пределе своих возможностей, а это при строительстве ускорителей и крупных детекторов именно так, то возникают все время побочные открытия, которые могут быть использованы в наших интересах, известно хорошо, что интернет возник как средство общения физиков в ЦЕРНе, и только потом он распространился по всему миру, кроме того, ускорители позволяют создавать пучки и частицы, с помощью которых можно разрушать раковые опухоли, об этом раньше не думали".
За 4 года до открытия. ЦЕРН, 2008 год
Первые пробные испытания на Большом адроном коллайдере начались ещё летом 2008 года. Но официальная церемония открытия - или инаугурация БАКа, как окрестили ее журналисты, - была назначена на 21 октября. По иронии судьбы в этот момент ускоритель уже месяц как был остановлен из-за аварии. Что дало повод некоторым СМИ поздравить руководство ЦЕРНА с открытием дыры в изоляции и пожелать как можно быстрее найти те шесть тысяч тонн гелия, которые утекли в тоннель.
Ремонт БАКа затянулся почти на год. И только летом 2009-го в ЦЕРНе, наконец, началась настоящая охота за бозоном Хиггса.
Эксперименты проводились двумя независимыми группами учёных на двух основных детекторах БАКа - Атлас и СМS. Коллаборацию Атлас возглавила Фабиола Джианотти. Во главе коллаборации СМS был Джо Инкандела.
Параллельно поисками бозона Хиггса на ускорителе Теватрон занимались американские физики из Фермилаба - Лаборатории имени Ферми в штате Иллинойс. Этой группой руководил Дмитрий Денисов.
«Желтая» пресса, да и новостные агентства с самого начала писали о работе этих трёх групп не иначе как о жесточайшем соревновании, гонке ускорителей. Физиков европейского БАКа и американского Теватрона называли соперничающими сторонами.
Кстати, Россия тоже участвовала в поимке частицы Бога. Во всех основных узлах ускорителя были использованы изделия, созданные российскими учёными и инженерами - датчики-кристаллы, калориметры, трекинг-детекторы, изделия точной механики, тяжёлые установки. Непосредственно в проекте участвовало семьсот наших специалистов. Это только в ЦЕРНе.
На Тевартроне, в американской коллаборации, получившей название D0 (Д-ноль), работало около ста представителей Объединенного института ядерных исследований в Дубне, Института физики высоких энергий в Протвино, МГУ имени Ломоносова, Института теоретической и экспериментальной физики и Петербургского института ядерной физики имени Константинова.
За 2 года до открытия. ЦЕРН, 2010 год.
Первые положительные результаты на БАКе появились в 2010 году. Детекторы зафиксировали рождение четырёх неустойчивых элементарных частиц с отрицательным электрическим зарядом - мюонов, которые образовались в результате столкновения протонов.
Физики предположили, что в цепочке превращений положительных протонов в отрицательные мюоны промежуточным звеном мог быть бозон Хиггса. Но повторить успешный эксперимент не удалось.
И скептики вновь заговорили о том, что Большой адронный коллайдер - самое бессмысленное вложение денег миллионов налогоплательщиков. И вновь зазвучали вопросы несведущих: доколе? Сколько ещё лет и денег нужно потратить на удовлетворение каких-то частных интересов и личных амбиций физиков.
Экспериментальная наука вообще и физика в частности - это не ударная стройка, где сменив прораба, согнав дополнительную рабочую силу и обеспечив бесперебойное снабжение материалами можно сдать объект раньше срока.
Для того чтобы поймать бозон Хиггса, точнее, чтобы убедиться в том, что пойман именно он, нужно было накопить достаточно много данных о столкновениях частиц в ускорителе. Физики, участвовавшие в проекте, подсчитали, что порог, за которым коллайдер начнет «чувствовать» бозон Хиггса - это примерно триста пятьдесят квадриллионов(!) столкновений протонов. И такое количество экспериментов нельзя провести ударными темпами в сжатые сроки с опережением графика. Даже с учетом того, что частицы летали на бешеной скорости - девяносто девять и девять десятых процента от скорости света.
За полгода до открытия. ЦЕРН, декабрь 2011 года.
В декабре 2011 года коллаборация Атлас, объявила, что видит признаки существования бозона Хиггса в интервале от ста шестнадцати до ста тридцати гигаэлектронвольт.
Зачарованный мир квантовой физики
Физики измеряют массу частиц в единицах энергии - электронвольтах. Один миллиард электронвольт - это один гигаэлектронвольт. Самая тяжелая частица - истинный кварк, его масса - сто семьдесят три гигаэлектронвольт. Самая легкая - нейтрино. Его масса - примерно три десятых электронвольта. Если не считать частицу света фотон, масса которого равна нулю.
Истинный кварк тяжелее нейтрино в шестьсот триллионов раз.
Истинный кварк и нейтрино - это как стадо слонов и один муравей.
Предположим теперь, что нам нужно поймать слона. Очевидно, мы не станем поджидать его в придорожной траве и ловить сачком для бабочек.
Точно также для поимки каких-либо частиц нужно хотя бы приблизительно представлять их массу. В противном случае, как в старом армейском анекдоте, придется копать от забора до обеда.
Теоретически было предсказано, что сразу же после рождения бозон Хиггса распадается на разные частицы: на два Z-бозона, два гамма-кванта и четыре лептона, электрона или мюона. Зная энергию и импульс этих частиц, можно было высчитать приблизительную массу бозона Хиггса. Ну, или, по крайней мере, нижнюю и верхние границы.
Нижний порог массы бозона Хиггса в сто четырнадцать гигаэлектронвольт был установлен в результате многочисленных экспериментов еще в 2001 году на церновском электронно-позитронном коллайдере, предшественнике Большого адронного.
Верхнюю границу массы бозона Хиггса - двести пятьдесят один гигаэлектронвольт - установили американские физики из Фермилаба - Лаборатории имени Ферми.
В 2008 году российский участник проекта сотрудник физического института имени Лебедева Андрей Барвинский, изучив особенности фонового микроволнового излучения космоса, в котором отпечатались следы событий первых мгновений жизни Вселенной, предложил сузить границы поиска.
Осенью 2011 года сразу четыре независимые исследовательские группы - российские учёные Физического института имени Лебедева и Института теоретической физики имена Ландау, а также группа немецких физиков из Кёльнского университета и коллаборация Д-ноль из Лаборатории имени Ферми скорректировали цифры, высказав предположение, что бозон Хиггса нужно искать в интервале от ста пятнадцати гигаэлектронвольт до ста тридцати шести.
Через два месяца - в декабре - коллаборация Атлас зафиксировала превышение сигнала над фоном в предсказанном интервале. Группа СМS также сообщила, что видит признаки существования бозона Хиггса в области между массами в сто пятнадцать и сто двадцать семь гигаэлектронвольт.
За 2 недели до открытия. ЦЕРН, июнь 2012 года.
В конце июня 2012 года количество столкновений и плотность потока частиц в Большом адроном коллайдере были доведены до такого уровня, при котором бозон Хиггса, если он существует, должен был бы рождаться раз в час.
В это время обе коллаборации - и Атлас, и CMS - прекратили общение со средствами массовой информации и установили запрет на распространение новых данных. Тем не менее, в прессу просачивались кое-какие слухи. Журналисты, ссылаясь на неназванные, но авторитетные источники, сообщали, что новая частица, очень похожая на бозон Хиггса, обнаружена. И ее масса составляет сто двадцать пять гигаэлектронвольт. То есть, она примерно в сто тридцать раз тяжелее протона.
Но главной интригой и главным секретом была не масса бозона Хиггса, а статистическая значимость полученных результатов.
Что такое статистическая значимость? Это когда количество отклонений или, проще говоря, случайностей практически сведены к нулю.
Справка: Статистическая значимость измеряется в единицах стандартных отклонений от среднего значения - сигма.
Комментарий С.Г.Рубин: «Представьте себе, что вам дают в руки монетку, и говорят, что она на одной стороне орел, на другой стороне не решка, а тоже орел, и просят это доказать не глядя, естественно, на монетку с двух сторон, как это можно сделать, подбрасываете монетку и смотрите, что она выпала орлом, можете ли вы утверждать, что обе стороны являются орлами, наверное нет, два раза выпало, ну тоже наверное нет, но если выпало сто раз орел, то вы можете сказать, что с высокой вероятностью две стороны являются орлами. Точно тоже самое происходит у физиков, если обнаружено событие похожее на частицу Хиггса, это может быть случайностью, ошибкой, если два события, уже ну тоже это ошибка, но если сто раз обнаружили частицу с одними и теми же свойствами, то вероятность того, что она обнаружена, приближается к ста процентам, ну на языке ученых, чем больше количество обнаруженные событий верных, тем больше они говорят сигм осуществлено».
Накануне официального объявления ЦЕРНа об открытии бозона Хиггса в интернете были опубликованы просочившиеся невесть откуда и неизвестно какими путями секретные данные: уровень статистической значимости последних результатов, полученных на Атласе и СМS, достиг пяти сигма!
Пять сигма - это всего лишь одно случайное отклонение на три с половиной миллиона событий
За сутки до открытия. ЦЕРН, 3 июля 2012 года.
3 июля - за сутки до объявления руководством ЦЕРНа результатов, полученных на Большом адроном коллайдере, - в СМИ и во всем интернет-пространстве страсти накалились настолько, что буквально кипели.
Физик Колумбийского университета в Нью-Йорке Питер Войт написал в своем блоге, что ЦЕРН выбрал неудачный день для такого события. В 1984 году объявление ЦЕРНа об открытии топ-кварка тоже выпало на среду четвертого июля. И тогда все прошло не так уж здорово. Открытие не подтвердилось.
Московское агентство РИА Новости сообщило, что физики ЦЕРНа завтра поставят точку в полувековых поисках бозона Хиггса. Но тут же оговорилось: «Пока, правда, не ясно, не придется ли "дорисовывать" эту точку до большого вопросительного знака».
Неназванный авторитетный собеседник агентства подлил масла в огонь:
«Является ли эта частица бозоном Хиггса, мы пока сказать не можем, для этого нужно измерить ее спин. Если спин будет равен нулю, это Хиггс Стандартной модели… а если спин будет равен двум, то тогда это будет какая-то экзотическая частица, и это интереснее, чем Хиггс».
Официальный представитель коллаборации СМS Джо Инкандела попытался снизить накал страстей, предложив средствам массовой информации и обществу обратить больше внимания не на очевидный «гамлетовский» вопрос: быть или не быть бозону Хиггса, а на другой, куда более важный: «Что дальше?»
«Может быть, мы нашли такой бозон Хиггса, какой искали. Может быть, мы нашли частицу, похожую на бозон Хиггса… Возможно, мы вообще нашли совершенно иную частицу. Исследование всех этих «комнат» может привести нас к «дверям» в новую физику за пределами Стандартной модели. Чем бы ни закончился поиск бозона Хиггса, открытия только начинаются».
Вечером известный американский физик Филипп Гиббс резюмировал в своем блоге: «Если нечто плавает в пруду и крякает как утка, наверное, небезосновательно считать это уткой, особенно когда ты ожидал обнаружить утку. Последующие наблюдения просто покажут нам, какого вида эта утка»
ЦЕРН, 4 июля 2012 года
В среду утром четвертого июля 2012 года руководство Европейского центра ядерных исследований - ЦЕРНа - официально объявило об открытии бозона Хиггса.
Журналисты сравнили это событие по значимости и масштабности с полетом человека не Луну. Физики - с началом новой физики. И все научное сообщество согласилось с тем, что подтверждение существования частицы Бога тянет на Нобелевскую премию.
Однако в общем ликующем хоре продолжали звучать вопросы: стоило ли тратить на поимку этой частицы десять лет, усилия десяти тысяч ученых и десять миллиардов долларов?
Комментарий С.Г.Рубин: «Почему же ученые так стремились открыть эту частицу? Казалось бы существует она или нет, может быть не так и важно, но на самом деле представьте себе картину, вы на корабле плывете в море и наступила ночь, у вас есть карта, у вас есть компас, но когда вы чувствуете, что вы приближаетесь к берегу, то существует на самом деле очень много путей как двигаться дальше, и вот если появляется маяк, то дальнейший путь для вас становится однозначным, тоже самое и произошло с частицей Хиггса - появился некий маяк, который показа общее генеральное направление и является правильным, множество теорий было закрыто, и теперь понятно, куда нам двигаться дальше».
Зачарованный мир квантовой физики
На самом деле, бозон Хиггса не самый последний недостающий элемент Стандартной модели. До сих пор не обнаружен гравитон. Предполагается, что гравитон должен переносить гравитационное взаимодействие.
Через год после открытия. ЦЕРН, 4 июля 2013 г.
Накануне первой годовщины со дня официального заявления руководством ЦЕРНА об открытии бозона Хиггса, дискуссии вокруг частицы Бога вновь оживились.
Журналисты обсуждают новую интригу: кому дадут Нобелевскую премию за поимку бозона: Питеру Хиггсу или учёным из коллаборации CMS.
Учёных занимают другие вопросы. Если бы бозон Хиггса не был найден, это могло бы привести к пересмотру Стандартной модели, а может быть даже к революции в науке. Но и подтверждение его существования всё ещё не решает проблему всех «белых пятен». Стандартная модель описывает привычную нам материю. Однако есть основания полагать, что материя составляет не более пяти процентов всей Вселенной. Ещё двадцать пять процентов, а может быть, и значительно больше - это тёмная материя и тёмная энергия. Объяснить их природу с помощью механизма Хиггса не удастся.
Только в одном мнения всех - и СМИ, и научного сообщества сходятся: экспериментальное подтверждение существования бозона, отвечающего за возникновение массы всех остальных частиц, является успешным завершением почти полувековых усилий физиков по созданию убедительной картины окружающего нас мира и открывает новые горизонты и направления исследований.
Комментарий С.Г.Рубин: «Дальнейшие планы ученых, после открытия частицы Хиггса, состоят в следующем, они конечно многообразны, но основным является такие вопросы, например, как дальнейшее изучение частицы Хиггса, неизвестно до сих пор являются ли они точно, обладают ли они точно теми же свойствами, какими предсказывает стандартная модель Вайберга-Салама, или у них все-таки свойства немножко отличаются.
Кроме этого направления, очень интересен вопрос о существовании многомерного пространства, эта тема является крайне актуальной для теоретиков и крайне подавляющее число теоретиков, занимающиеся фундаментальной физикой, используют это понятие в своих целях»
Постскриптум
Большой Адронный коллайдер проводит серию последних экспериментов и отправляется в заслуженный отпуск. Но в 2015 году после капитального ремонта и реконструкции, когда БАК будет работать на огромной энергии и когда повысится светимость прибора, учёные начнут детальное изучение бозона Хиггса. Это может привести к новому серьезному прорыву в физике элементарных частиц.
В среду утром четвертого июля 2012 года руководство Европейского центра ядерных исследований - ЦЕРНа - официально объявило об открытии бозона Хиггса.
За этой неуловимой частицей охотились, без преувеличения, всем миром. В проекте принимали участие десять тысяч ученых, инженеров и рабочих из ста разных стран. На поимку последнего недостающего элемента Стандартной модели было потрачено чуть больше десяти лет и десять миллиардов долларов.
Что же такое бозон Хиггса? Почему его так долго искали? И неужели он того стоил?
Частица Бога
Все, абсолютно все объекты во Вселенной - от гигантских звезд до самых крохотных частиц, составляющих атомы, - взаимодействуют друг с другом.
Люди обмениваются информацией, рукопожатиями или подарками, испытывают к кому-то влечение или ненависть, обзаводятся семьями, рожают детей, изо всех сил стараются удержать рядом с собой своих любимых… Примерно так же строят свои взаимоотношения субатомные и элементарные частицы микромира и космические объекты макромира.
Справка: Между частицами микромира существует три вида взаимодействия: электромагнитное, слабое ядерное и сильное ядерное. Модель, объединившая три типа взаимодействия элементарных частиц, называется квантовой теорией и представлена так называемой Стандартной моделью.
На космические тела и на все остальные макроскопические объекты нашего материально мира действуют в основном гравитационные силы. Макромир с его гравитационными силами описывает Общая теория относительности Эйнштейна.
Впрочем, на частицы микромира гравитация тоже действует, но слабо.
Однако для того, чтобы однажды частицы начали взаимодействовать между собой, чтобы субатомные частицы объединились в атомы, чтобы потом из этих микроскопических строительных кирпичей Вселенной образовались Галактики, и чтобы каждая Звезда обзавелась своими планетами, а на одной из этих планет выросли деревья, зацвели цветы и появились мы с вами, тем самым первым, возникшим из ничего, частицам нужно было, как минимум, обрести массу.
Вот здесь и начинается история бозона Хиггса. Неуловимой частицы. Которую нобелевский лауреат физик Леон Ледерман за значимость и за выдающийся вклад в рождение Вселенной в шутку назвал «частицей Бога».
За четырнадцать миллиардов лет до открытия. Где-то в пустоте.
Согласно современной общепринятой космологической теории тринадцать миллиардов восемьсот двадцать тысяч лет тому назад один крошечный пузырек кипящей пространственно-временной пены по каким-то причинам не схлопнулся, как это делали мириады его собратьев, а начал стремительно раздуваться. Начало фазы сверхскоростного расширения получило название «Большой взрыв». В результате Большого взрыва появилась вся наша Вселенная.
Комментарий С.Г Рубин: «Часто задаются вопросом, каким образом из маленького пузырька пространственно-временной пены могла появиться наша вселенная со всем многообразием различных объектов, которые в ней находятся, это звезды, массивные черные дыры, нейтронные звезды, газовые облака, на самом деле, в самый первый момент, в этом пузырьке быстро расширяющимся, существовали только поля, в частности хиггсковое поле и другие, которые не предсказываются Стандартной моделью элементарных частиц. Некоторое время это наше пространство расширялось, затем поля начали быстро меняться и при этом они порождали частицы интенсивно, именно те частицы, из которых теперь состоит мы и наша земля, солнце и галактики.
Когда рождались эти частицы за счет быстрых колебаний первичных полей, то они рождались очень энергично, они обладали очень высокими кинетическими энергиями, ну а мы знаем, что любой объект, любая система, в которой частицы двигаются очень быстро и имеют очень высокую энергию, мы их воспринимаем как сильно нагретые частицы, таким образом, наша Вселенная в этот момент, когда рождались эти частицы, на не только приобретала массу, но и приобрела очень высокую температуру, и в дальнейшем, когда частицы перестали рождаться, температура начала падать.
Надо сказать, что поле Хиггса при очень высокой температуре теряет свой замечательное свойство придавать массу частицам, поэтому масса у частиц появилась при достаточно низких температурах, порядка 200-300 гигаэлектронвольт, если мерить температуру в энергетических единицах»
Почему один из пузырьков начал раздуваться пока что еще не известно. Но зато известно, что Ранняя Вселенная была очень горячей и очень плотной. После окончания фазы сверхскоростного расширения, которая длилась такую мизерную долю секунды, которую даже невозможно себе представить, Вселенная, продолжая раздуваться, начала медленно остывать.
Этот процесс расширения Вселенной физики назвали «инфляцией».
В этот момент во Вселенной уже имелся весь строительный материал для создания всех космологических объектов: и звезд, и планет, и темной материи. Материал этот был однородным и представлял собой кварк-глюонную плазму.
Потом кварки и глюоны слепились в протоны и нейтроны.
Потом протоны и нейтроны, объединившись, образовали ядра дейтерия, гелия и некоторых других лёгких изотопов. А через триста восемьдесят тысяч лет после Большого взрыва, когда температура упала до двух целых и семи десятых градусов выше нуля, началось формирование атомов водорода.
Всё это время во Вселенной шло образование, как материи, так и антиматерии. Если их пути пересекались, они взаимоуничтожались, выделяя энергию в виде частиц света - фотонов.
«Если бы столкнулись два однограммовым кусочка вещества и антивещества, выделилось бы такое количество энергии, что можно было бы приготовить тридцать миллионов тонн кипятка в случае нужды»
С.Г.Рубин из книги «Устройство нашей Вселенной».
Зачарованный мир квантовой физики
Мир известных нам субатомных частиц состоит всего лишь из трех групп: лептонов, кварков и переносчиков взаимодействий. Лептоны и кварки - это строительный материал вещества. Переносчики взаимодействий - своего рода «клей», не позволяющий миру распадаться на части. Электромагнитное взаимодействие обеспечивает фотон. Переносчики сильного взаимодействия - глюоны. А W и Z бозоны переносят слабое взаимодействие
Теория Большого взрыва впервые прозвучала как предположение советского математика и геофизика Александра Фридмана. Затем в тридцатые годы была детально разработана бельгийским теоретиком Жоржем Леметром и существенно дополнена в конце сороковых годов американским астрофизиком, бывшим нашим соотечественником Георгием Гамовым.
К началу шестидесятых годов Теория Большого взрыва в целом удовлетворяла большинство физиков, но в ней всё ещё оставалось несколько существенных дыр. И одну из них - возникновение массы частиц - никак не удавалось залатать.
За сорок восемь лет до открытия. Эдинбург, 1964 год.
В начале августа 1964 года будущий профессор Эдинбургского университета, тридцатипятилетний английский физик Питер Хиггс, отправился на прогулку в горы. И там внезапно ему пришла в голову идея, которую Хиггс, по возвращении в лабораторию, назвал «грандиозной». Может быть, эту идею ему подсказал горный ландшафт. А может быть, он заметил, что чем тяжелее камень, тем быстрее он катится с горы. Или Хиггс вспомнил, как образуются снежные лавины.
Так или иначе, вернувшись в лабораторию, Питер Хиггс немедленно засел за расчёты. И уже в конце августа он опубликовал статью, в которой предложил механизм возникновения массы Вселенной.
По его гипотезе Ранняя Вселенная была пронизана незримым полем, состоящим из микрочастиц - бозонов. И если подобрать не вполне верную, но зато очень наглядную аналогию из нашего материального мира, это квантовое поле было… липким. Когда невесомые пока ещё частицы, летевшие из центра Большого взрыва, пересекали это поле, то бозоны приклеивались к ним, как мокрый снег на ботинки, заставляя обретать массу.
Профессор физики Мичиганского университета и специалист по теории элементарных частиц Гордон Кейн в своей статье «Загадка массы» так описал «механизм Хиггса»:
«Пустое» пространство, заполненное полем Хиггса, похоже на пляж, полный детей. Частица, пересекающая область пространства, похожа на продавца мороженого. Дети окружают тележку с мороженым и замедляют её движение. В результате она приобретает «массу».
Комментарий С.Г.Рубин: «Хиггс предложил гипотезу возникновения массы элементарных частиц, причем очень интересную гипотезу, предполагается, что существует поле, теперь оно называется поле Хиггса, взаимодействие с которым и придает остальным частицам массу. Можно предложить следующую аналогию для объяснения эффекта Хиггса. Предположим у вас есть упругая резиновая поверхность хорошо натянутая и на нее кладется тяжелый шарик, тяжелый шарик, конечно, имеет массу, если бы вы его катали по твердому столу, то могли бы определить его массу, теперь же он у нас лежит на упругой поверхности и при этом ее продавливает и создает некую, как говорят, потенциальную яму для себя, совершенно очевидно, что теперь его, чтобы придать ему импульс, чтобы он начал двигаться, нужно приложить несколько больше усилий, и обычно это интерпретируется нами, что частица приобретает дополнительную массу, ну вот этот, эта аналогия, пожалуй, наиболее близка к тому, что предполагал Хиггс и как это себе представляют физики».
О существовании квантового поля, которое оказало влияние на формирование массы Вселенной, ещё за два года до открытия Хиггса говорил американский физик Филипп Андерсон. А в 1964, практически одновременно с Хиггсом, механизм происхождение массы объяснили ещё две независимые группы ученых - из Бельгии и США. Но, тем не менее, и гипотетическая частица, и поле, и механизм получили имя Хиггса.
Охота на бозон Хиггса началась осенью 1964 года. Тогда ещё физики считали, что для поимки бозона достаточно просто иметь мощный ускоритель заряженных частиц. Но никто из них не предполагал: насколько мощный.
За 29 лет до открытия. Европейский центр ядерных исследований. 1983 год
Частицу, отвечающие за ядерное взаимодействие - глюон - учёные впервые наблюдали в августе 1979 года. Глюон поймали в лаборатории ДЭЗИ, в Гамбурге. Теоретики вычислили, что при слиянии глюонов образуется больше бозонов Хиггса, чем в любом другом процессе.
В 1983 году итальянский физик Карло Руббиа и голландский физик Ван дер Мер, проводившие эксперименты на протонном суперсинхротроне в Центре ядерных исследований поймали Wи Z-бозоны с предсказанной массой.
Это открытие уже через год было отмечено Нобелевской премией. Но бозон Хиггса оставался неуловимым.
К середине восьмидесятых годов во всем мире на разных ускорителях наловили такое количество новых частиц, что Нобелевский лауреат физик Роберт Оппенгеймер однажды сказал:
«Нобелевскую премию по физике следует отдать тому физику, который за год не откроет ни одной новой частицы».
А великий Энрико Ферми, основоположник квантовой физики, шутил: «Если бы я был в состоянии запомнить названия всех этих частиц, я стал бы ботаником».
Зачарованный мир квантовой физики
Элементарные частицы определяются набором своих квантовых чисел. Квантовые числа характеризуют разные состояния частицы. Одни числа связаны с движением частицы в пространстве - радиальное орбитальное, магнитное. Другие характеризуют внутреннее состояние частицы. Кварки, например, бывают очарованными прелестными, странными, истинными…
Кстати, квантовое число «странность» было введено для объяснения того, что некоторые элементарные частицы всегда рождаются парами.
Ещё в конце семидесятых годов два американских физика Стивен Вайнберг и Абдус Салам предложили теорию, объединившую два типа взаимодействия элементарных частиц - слабое и электромагнитное. Позже в теорию Вайнберга-Салама было включено и сильное взаимодействие.
Объединенная теория слабых, сильных и электромагнитных взаимодействий Вайнберга-Салама, увенчанная в 1979 году Нобелевской премией, легла в основу так называемой Стандартной модели.
Справка: Стандартная модель - это гипотеза о том, как устроена бОльшая часть Вселенной. Из каких частиц, формирующих атомы, молекулы и материю, она состоит. Какие силы приводят все это в движение. Для объяснения происхождения массы частиц в Стандартную модель был включен «механизм Хиггса».
Комментарий С.Г.Рубин: «Стандартная модель на современный данный момент является основным инструментом теоретиков, она действительно предсказывает различные элементарные частицы, свойства. Более того, Вайнберг и Салам указали путь, с помощью которого можно объединить все взаимодействия, кроме гравитационного. И кроме того они предсказали новые частицы, которые являются переносчиками слабого взаимодействия, так называемые w и z-бозоны, и они предсказали их массу, и когда экспериментаторы попытались в этой области найти частицы, в этой области массы, то эти частицы были обнаружены и они, конечно, вдохновили ученых, это было грандиозным успехом, предсказание, которое сбылось.
Но была также и еще одна частица, а именно частица Хиггса, свойства которой были не так ясны, например, было непонятно, какая ее масса, как она взаимодействует с другими частицами, точнее были непонятны сами числа, параметры взаимодействий, и попытки найти эти частицы до сих пор ни к чему не приводили, в стандартной модели не только этот недостаток, она, например, предполагала, что масса нейтрино должна равняться нулю в этой модели, на самом деле, оказалось, что это не так, масса нейтрино отлична от нуля, но является очень маленькой величиной.
Стандартная модель - была очень стройной теорией. Всё у неё было разложено по полочкам, все объяснено. Она отличалась очень точной настройкой и очень тонкой подгонкой всех параметров. То есть, одним словом, она была совершенна.
Точнее, могла бы быть. Если бы учёным удалось поймать последний недостающий элемент Стандартной модели - частицу Бога. Или, по крайней мере, подтвердить её существование.
Обнаружение бозона Хиггса и экспериментальное подтверждение теории «Стандарной модели взаимодействия элементарных частиц» стало одной из главных целей создания Большого адронного коллайдера.
За 11 лет до открытия. Швейцария, 2001 год
В 2001 году в пригороде Женевы, на границе Швейцарии и Франции, в ЦЕРНе - Европейском совете ядерных исследований началось строительство гигантского ускорителя заряженных частиц - Большого адронного коллайдера.
Большим его назвали потому, что это самая крупная экспериментальная установка в мире и самое большое сооружение, построенное руками человека на Земле. Длина кольцевого подземного тоннеля, в котором находится ускоритель, составляет почти двадцать семь километров.
Адронным - потому что он ускоряет адроны, то есть, тяжёлые частицы. В частности, протоны.
Коллайдером, что в переводе с английского означает «сталкиватель», потому что сталкивает пучки частиц, двигающихся в противоположных направлениях, в специальных точках столкновения.
Большой адронный коллайдер (сокращённо БАК)- это уникальное сооружение. Внутри коллайдера царит такая пустота, которую не встретишь нигде во Вселенной - давление там в десять раз меньше, чем давление воздуха на Луне, где, как известно воздуха почти нет. А ещё это самое горячее и одновременно самое холодное место во всей нашей Галактике.
Когда частицы сталкиваются, температура этих микровзрывов достигает сотен миллионов градусов и превышает температуру Солнца в сто тысяч раз!
В то же время детекторы коллайдера, которые регистрируют результаты этих микровзрывов, охлаждаются жидким азотом и жидким гелием до температуры минус двести семьдесят один и три десятых градуса по Цельсию. Такого холода нет даже в открытом космосе между звезд.
Для того чтобы частицы могли столкнуться с такой невообразимой силой, их разгоняют почти до скорости света.
Для обработки всего этого фантастического объема данных была построена уникальная Сеть, состоящая из нескольких десятков компьютерных центров по всему миру. Ее назвали GRID, то есть «решетка». По сути своей грид - это суперкомпьютер, способный обрабатывать информацию, ёмкостью пятнадцать миллионов гигабайт в год
Большой адронный коллайдер объединил усилия десяти тысяч учёных, инженеров и рабочих из ста стран мира. А стоил этот проект в общей сложности десять миллиардов долларов. Это если не считать стоимости альфа-магнитного спектрометра, находящегося на борту Международной Космической станции с ее ежегодным бюджетом в шесть миллиардов долларов.
Справка: Альфа-магнитный спектрометр - это космическая лаборатория весом около семи тонн, новейшие приборы которой регистрируют основные параметры космических лучей: скорость, энергию и направленность. Это международный проект. В его создании приняли участие пятьдесят шесть институтов и научных центров из шестнадцати стран мира. Стоимость АМС - два миллиарда долларов.
Кто-то из журналистов подсчитал, что налогоплательщикам Евросоюза и России поимка частицы Бога обошлась всего в четыреста рублей. Каждому. Не так уж и дорого.
Впрочем, говорить о том, что Большой адронный коллайдер был построен с одной целью - поймать бозона Хиггса, было бы неверно.
Побочным продуктом, если так можно выразиться, работы ЦЕРНа стала концепция Всемирной паутины. Здесь были разработаны и протокол http, и язык html, и идентификаторы URL.
А Сеть БАКа уже сейчас может моделировать самые скоростные и самые сложные процессы. И не только в физике, но и, например, в биохимии.
Комментарий С.Г.Рубин: "Когда люди занимаются научной деятельностью на пределе своих возможностей, а это при строительстве ускорителей и крупных детекторов именно так, то возникают все время побочные открытия, которые могут быть использованы в наших интересах, известно хорошо, что интернет возник как средство общения физиков в ЦЕРНе, и только потом он распространился по всему миру, кроме того, ускорители позволяют создавать пучки и частицы, с помощью которых можно разрушать раковые опухоли, об этом раньше не думали".
За 4 года до открытия. ЦЕРН, 2008 год
Первые пробные испытания на Большом адроном коллайдере начались ещё летом 2008 года. Но официальная церемония открытия - или инаугурация БАКа, как окрестили ее журналисты, - была назначена на 21 октября. По иронии судьбы в этот момент ускоритель уже месяц как был остановлен из-за аварии. Что дало повод некоторым СМИ поздравить руководство ЦЕРНА с открытием дыры в изоляции и пожелать как можно быстрее найти те шесть тысяч тонн гелия, которые утекли в тоннель.
Ремонт БАКа затянулся почти на год. И только летом 2009-го в ЦЕРНе, наконец, началась настоящая охота за бозоном Хиггса.
Эксперименты проводились двумя независимыми группами учёных на двух основных детекторах БАКа - Атлас и СМS. Коллаборацию Атлас возглавила Фабиола Джианотти. Во главе коллаборации СМS был Джо Инкандела.
Параллельно поисками бозона Хиггса на ускорителе Теватрон занимались американские физики из Фермилаба - Лаборатории имени Ферми в штате Иллинойс. Этой группой руководил Дмитрий Денисов.
«Желтая» пресса, да и новостные агентства с самого начала писали о работе этих трёх групп не иначе как о жесточайшем соревновании, гонке ускорителей. Физиков европейского БАКа и американского Теватрона называли соперничающими сторонами.
Кстати, Россия тоже участвовала в поимке частицы Бога. Во всех основных узлах ускорителя были использованы изделия, созданные российскими учёными и инженерами - датчики-кристаллы, калориметры, трекинг-детекторы, изделия точной механики, тяжёлые установки. Непосредственно в проекте участвовало семьсот наших специалистов. Это только в ЦЕРНе.
На Тевартроне, в американской коллаборации, получившей название D0 (Д-ноль), работало около ста представителей Объединенного института ядерных исследований в Дубне, Института физики высоких энергий в Протвино, МГУ имени Ломоносова, Института теоретической и экспериментальной физики и Петербургского института ядерной физики имени Константинова.
За 2 года до открытия. ЦЕРН, 2010 год.
Первые положительные результаты на БАКе появились в 2010 году. Детекторы зафиксировали рождение четырёх неустойчивых элементарных частиц с отрицательным электрическим зарядом - мюонов, которые образовались в результате столкновения протонов.
Физики предположили, что в цепочке превращений положительных протонов в отрицательные мюоны промежуточным звеном мог быть бозон Хиггса. Но повторить успешный эксперимент не удалось.
И скептики вновь заговорили о том, что Большой адронный коллайдер - самое бессмысленное вложение денег миллионов налогоплательщиков. И вновь зазвучали вопросы несведущих: доколе? Сколько ещё лет и денег нужно потратить на удовлетворение каких-то частных интересов и личных амбиций физиков.
Экспериментальная наука вообще и физика в частности - это не ударная стройка, где сменив прораба, согнав дополнительную рабочую силу и обеспечив бесперебойное снабжение материалами можно сдать объект раньше срока.
Для того чтобы поймать бозон Хиггса, точнее, чтобы убедиться в том, что пойман именно он, нужно было накопить достаточно много данных о столкновениях частиц в ускорителе. Физики, участвовавшие в проекте, подсчитали, что порог, за которым коллайдер начнет «чувствовать» бозон Хиггса - это примерно триста пятьдесят квадриллионов(!) столкновений протонов. И такое количество экспериментов нельзя провести ударными темпами в сжатые сроки с опережением графика. Даже с учетом того, что частицы летали на бешеной скорости - девяносто девять и девять десятых процента от скорости света.
За полгода до открытия. ЦЕРН, декабрь 2011 года.
В декабре 2011 года коллаборация Атлас, объявила, что видит признаки существования бозона Хиггса в интервале от ста шестнадцати до ста тридцати гигаэлектронвольт.
Зачарованный мир квантовой физики
Физики измеряют массу частиц в единицах энергии - электронвольтах. Один миллиард электронвольт - это один гигаэлектронвольт. Самая тяжелая частица - истинный кварк, его масса - сто семьдесят три гигаэлектронвольт. Самая легкая - нейтрино. Его масса - примерно три десятых электронвольта. Если не считать частицу света фотон, масса которого равна нулю.
Истинный кварк тяжелее нейтрино в шестьсот триллионов раз.
Истинный кварк и нейтрино - это как стадо слонов и один муравей.
Предположим теперь, что нам нужно поймать слона. Очевидно, мы не станем поджидать его в придорожной траве и ловить сачком для бабочек.
Точно также для поимки каких-либо частиц нужно хотя бы приблизительно представлять их массу. В противном случае, как в старом армейском анекдоте, придется копать от забора до обеда.
Теоретически было предсказано, что сразу же после рождения бозон Хиггса распадается на разные частицы: на два Z-бозона, два гамма-кванта и четыре лептона, электрона или мюона. Зная энергию и импульс этих частиц, можно было высчитать приблизительную массу бозона Хиггса. Ну, или, по крайней мере, нижнюю и верхние границы.
Нижний порог массы бозона Хиггса в сто четырнадцать гигаэлектронвольт был установлен в результате многочисленных экспериментов еще в 2001 году на церновском электронно-позитронном коллайдере, предшественнике Большого адронного.
Верхнюю границу массы бозона Хиггса - двести пятьдесят один гигаэлектронвольт - установили американские физики из Фермилаба - Лаборатории имени Ферми.
В 2008 году российский участник проекта сотрудник физического института имени Лебедева Андрей Барвинский, изучив особенности фонового микроволнового излучения космоса, в котором отпечатались следы событий первых мгновений жизни Вселенной, предложил сузить границы поиска.
Осенью 2011 года сразу четыре независимые исследовательские группы - российские учёные Физического института имени Лебедева и Института теоретической физики имена Ландау, а также группа немецких физиков из Кёльнского университета и коллаборация Д-ноль из Лаборатории имени Ферми скорректировали цифры, высказав предположение, что бозон Хиггса нужно искать в интервале от ста пятнадцати гигаэлектронвольт до ста тридцати шести.
Через два месяца - в декабре - коллаборация Атлас зафиксировала превышение сигнала над фоном в предсказанном интервале. Группа СМS также сообщила, что видит признаки существования бозона Хиггса в области между массами в сто пятнадцать и сто двадцать семь гигаэлектронвольт.
За 2 недели до открытия. ЦЕРН, июнь 2012 года.
В конце июня 2012 года количество столкновений и плотность потока частиц в Большом адроном коллайдере были доведены до такого уровня, при котором бозон Хиггса, если он существует, должен был бы рождаться раз в час.
В это время обе коллаборации - и Атлас, и CMS - прекратили общение со средствами массовой информации и установили запрет на распространение новых данных. Тем не менее, в прессу просачивались кое-какие слухи. Журналисты, ссылаясь на неназванные, но авторитетные источники, сообщали, что новая частица, очень похожая на бозон Хиггса, обнаружена. И ее масса составляет сто двадцать пять гигаэлектронвольт. То есть, она примерно в сто тридцать раз тяжелее протона.
Но главной интригой и главным секретом была не масса бозона Хиггса, а статистическая значимость полученных результатов.
Что такое статистическая значимость? Это когда количество отклонений или, проще говоря, случайностей практически сведены к нулю.
Справка: Статистическая значимость измеряется в единицах стандартных отклонений от среднего значения - сигма.
Комментарий С.Г.Рубин: «Представьте себе, что вам дают в руки монетку, и говорят, что она на одной стороне орел, на другой стороне не решка, а тоже орел, и просят это доказать не глядя, естественно, на монетку с двух сторон, как это можно сделать, подбрасываете монетку и смотрите, что она выпала орлом, можете ли вы утверждать, что обе стороны являются орлами, наверное нет, два раза выпало, ну тоже наверное нет, но если выпало сто раз орел, то вы можете сказать, что с высокой вероятностью две стороны являются орлами. Точно тоже самое происходит у физиков, если обнаружено событие похожее на частицу Хиггса, это может быть случайностью, ошибкой, если два события, уже ну тоже это ошибка, но если сто раз обнаружили частицу с одними и теми же свойствами, то вероятность того, что она обнаружена, приближается к ста процентам, ну на языке ученых, чем больше количество обнаруженные событий верных, тем больше они говорят сигм осуществлено».
Накануне официального объявления ЦЕРНа об открытии бозона Хиггса в интернете были опубликованы просочившиеся невесть откуда и неизвестно какими путями секретные данные: уровень статистической значимости последних результатов, полученных на Атласе и СМS, достиг пяти сигма!
Пять сигма - это всего лишь одно случайное отклонение на три с половиной миллиона событий
За сутки до открытия. ЦЕРН, 3 июля 2012 года.
3 июля - за сутки до объявления руководством ЦЕРНа результатов, полученных на Большом адроном коллайдере, - в СМИ и во всем интернет-пространстве страсти накалились настолько, что буквально кипели.
Физик Колумбийского университета в Нью-Йорке Питер Войт написал в своем блоге, что ЦЕРН выбрал неудачный день для такого события. В 1984 году объявление ЦЕРНа об открытии топ-кварка тоже выпало на среду четвертого июля. И тогда все прошло не так уж здорово. Открытие не подтвердилось.
Московское агентство РИА Новости сообщило, что физики ЦЕРНа завтра поставят точку в полувековых поисках бозона Хиггса. Но тут же оговорилось: «Пока, правда, не ясно, не придется ли "дорисовывать" эту точку до большого вопросительного знака».
Неназванный авторитетный собеседник агентства подлил масла в огонь:
«Является ли эта частица бозоном Хиггса, мы пока сказать не можем, для этого нужно измерить ее спин. Если спин будет равен нулю, это Хиггс Стандартной модели… а если спин будет равен двум, то тогда это будет какая-то экзотическая частица, и это интереснее, чем Хиггс».
Официальный представитель коллаборации СМS Джо Инкандела попытался снизить накал страстей, предложив средствам массовой информации и обществу обратить больше внимания не на очевидный «гамлетовский» вопрос: быть или не быть бозону Хиггса, а на другой, куда более важный: «Что дальше?»
«Может быть, мы нашли такой бозон Хиггса, какой искали. Может быть, мы нашли частицу, похожую на бозон Хиггса… Возможно, мы вообще нашли совершенно иную частицу. Исследование всех этих «комнат» может привести нас к «дверям» в новую физику за пределами Стандартной модели. Чем бы ни закончился поиск бозона Хиггса, открытия только начинаются».
Вечером известный американский физик Филипп Гиббс резюмировал в своем блоге: «Если нечто плавает в пруду и крякает как утка, наверное, небезосновательно считать это уткой, особенно когда ты ожидал обнаружить утку. Последующие наблюдения просто покажут нам, какого вида эта утка»
ЦЕРН, 4 июля 2012 года
В среду утром четвертого июля 2012 года руководство Европейского центра ядерных исследований - ЦЕРНа - официально объявило об открытии бозона Хиггса.
Журналисты сравнили это событие по значимости и масштабности с полетом человека не Луну. Физики - с началом новой физики. И все научное сообщество согласилось с тем, что подтверждение существования частицы Бога тянет на Нобелевскую премию.
Однако в общем ликующем хоре продолжали звучать вопросы: стоило ли тратить на поимку этой частицы десять лет, усилия десяти тысяч ученых и десять миллиардов долларов?
Комментарий С.Г.Рубин: «Почему же ученые так стремились открыть эту частицу? Казалось бы существует она или нет, может быть не так и важно, но на самом деле представьте себе картину, вы на корабле плывете в море и наступила ночь, у вас есть карта, у вас есть компас, но когда вы чувствуете, что вы приближаетесь к берегу, то существует на самом деле очень много путей как двигаться дальше, и вот если появляется маяк, то дальнейший путь для вас становится однозначным, тоже самое и произошло с частицей Хиггса - появился некий маяк, который показа общее генеральное направление и является правильным, множество теорий было закрыто, и теперь понятно, куда нам двигаться дальше».
Зачарованный мир квантовой физики
На самом деле, бозон Хиггса не самый последний недостающий элемент Стандартной модели. До сих пор не обнаружен гравитон. Предполагается, что гравитон должен переносить гравитационное взаимодействие.
Через год после открытия. ЦЕРН, 4 июля 2013 г.
Накануне первой годовщины со дня официального заявления руководством ЦЕРНА об открытии бозона Хиггса, дискуссии вокруг частицы Бога вновь оживились.
Журналисты обсуждают новую интригу: кому дадут Нобелевскую премию за поимку бозона: Питеру Хиггсу или учёным из коллаборации CMS.
Учёных занимают другие вопросы. Если бы бозон Хиггса не был найден, это могло бы привести к пересмотру Стандартной модели, а может быть даже к революции в науке. Но и подтверждение его существования всё ещё не решает проблему всех «белых пятен». Стандартная модель описывает привычную нам материю. Однако есть основания полагать, что материя составляет не более пяти процентов всей Вселенной. Ещё двадцать пять процентов, а может быть, и значительно больше - это тёмная материя и тёмная энергия. Объяснить их природу с помощью механизма Хиггса не удастся.
Только в одном мнения всех - и СМИ, и научного сообщества сходятся: экспериментальное подтверждение существования бозона, отвечающего за возникновение массы всех остальных частиц, является успешным завершением почти полувековых усилий физиков по созданию убедительной картины окружающего нас мира и открывает новые горизонты и направления исследований.
Комментарий С.Г.Рубин: «Дальнейшие планы ученых, после открытия частицы Хиггса, состоят в следующем, они конечно многообразны, но основным является такие вопросы, например, как дальнейшее изучение частицы Хиггса, неизвестно до сих пор являются ли они точно, обладают ли они точно теми же свойствами, какими предсказывает стандартная модель Вайберга-Салама, или у них все-таки свойства немножко отличаются.
Кроме этого направления, очень интересен вопрос о существовании многомерного пространства, эта тема является крайне актуальной для теоретиков и крайне подавляющее число теоретиков, занимающиеся фундаментальной физикой, используют это понятие в своих целях»
Постскриптум
Большой Адронный коллайдер проводит серию последних экспериментов и отправляется в заслуженный отпуск. Но в 2015 году после капитального ремонта и реконструкции, когда БАК будет работать на огромной энергии и когда повысится светимость прибора, учёные начнут детальное изучение бозона Хиггса. Это может привести к новому серьезному прорыву в физике элементарных частиц.