CC BY
47ДСПИ. ¿©жГИИшТЯШШЗОНУ ХИГГСА
ЩчШШв. № 2 Щ) за 2015 г - 2 (37) за 2019 г)
М. И.Турбина DOI: 10.24412/1728-516Х-2020-1-101-109
Что значит имя? Роза пахнет розой, Хоть розой назови её, хоть нет.
Шекспир
Маргарита Ивановна Турбина,
криолитолог
Найти бозон Хиггса было очень важно, так как эта частица является последним недостающим элементом Стандартной модели1 - свода законов, которые описывают все частицы во Вселенной. Экспериментально наблюдаемые свойства бозона Хигг-са помогут понять, как расширить эту модель [2, 3].
Обнаружение нейтральных токов в 1973 г., а также открытие в 1983 г.
и 7-частиц с предсказанными массами довольно убедительно свидетельствовали, что электрослабая теория в сути своей верна, поэтому вездесущее поле Хиггса отвечает за сообщение массы переносчикам слабого взаимодействия. Это поле определяет существование бозона Хиггса [4 - 6].
В промежутке между обнаружением нейтральных токов и получением треков и Z-частиц
1 «Стандартная модель объясняет всё, что мы имеем в повседневной жизни (кроме гравитации). Кварки, нейтрино и фотоны, тепло, свет и радиоактивность, столы, лифты и самолёты, телевидение, компьютеры и мобильные телефоны, бактерии, слоны и люди, астероиды, планеты и звёзды - всё это просто разные способы реализации Стандартной модели в различных обстоятельствах, и всё в ней прекрасно согласуется одно с другим. С её помощью объясняется огромное разнообразие экспериментальных данных, но - при одном условии: если существует бозон Хиггса. Без бозона Хиггса или чего-то более экзотического, что могло бы выполнять его функции, Стандартная модель не работает» [1, с. 34].
На фото вверху - Сфера науки и инноваций, ставшая символом ЦЕРНа. Здание было открыто в 2004 г. в качестве музея современных технологий, а также площадки для демонстрации последних результатов исследований учёных, работающих в данной организации. Деревянная конструкция Сферы состоит из 18 круглых арок, покрытых рейками. Это уникальное здание 27 м высотой и 40 м диаметром является метафорой Земли (https://www.myswitzerland.com/ ru-ru/visit-of-the-cern-'m-geneva.html)
Рис. 1. Детектор CDF ускорителя Тэватрон Рис. 2. Один из детекторов БЭПа - ALEPH
(https://ha.ru/20110930/446388231.html). (https://www.wired.com/2015/01/higgs-discovery-hijack-
© Fermilab / CDF attempt/?mbid=social_fb)
теоретики ЦЕРНа сделали первое описание того, как частицы Хиггса могут возникать при столкновениях, в какие частицы способны превращаться, каковы шансы увидеть их на разных установках, а также время жизни этих частиц (полученное значение находилось в интервале от 600 микросекунд до 10 фемтосекунд, или 10-14 с). Однако предсказать с какой-либо точностью массу бозона Хиггса оказалось сложным. В середине 1980-х годов считалось, что более мощные коллайде-ры следующего поколения смогут найти эту таинственную частицу [2, 5].
Американским физикам, уязвлённым тем, что европейские учёные опередили их в открытии W- и Z-час-тиц, нужен был реванш, и они намеревались первыми открыть бозон Хиггса. В июле 1983 г в Фермилабе заработал ускоритель Тэватрон, протон-антипротонный коллайдер, который был гордостью этой лаборатории. Результаты столкновений частиц в нём фиксировали два главных детектора - CDF (рис. 1) и D0, на каждом из которых работали коллективы, включающие несколько сотен учёных. В то время Тэватрон был самым мощным в мире с энергией столкновений около 2 ТэВ (ТэВ - те-раэлектронвольт; от этой единицы измерения коллайдер и получил свое название). Он обошёлся в 120 млн долларов. Таким образом, у американцев появился шанс найти бозон Хиггса раньше европейцев [1, 2].
Между тем в ЦЕРНе в 1983 г. началось строительство Большого электрон-позитронного коллайдера (БЭП)2 (рис. 2), ставшего крупнейшим строительным объектом в Европе. БЭП был сконструирован для изучения поведения №/- и 7-частиц, очень тяжёлых и недолговечных, вследствие чего физики вынуждены анализировать продукты их распада. В этом коллайдере сталкивались не протоны, а электроны и позитроны, что позволяло производить очень точные измерения, но ни в одном из них не был зафиксирован бозон Хиггса [1, 2, 5]. Теватрон (в США) также находился в рабочем состоянии, однако зарегистрировать достаточное количество столкновений частиц с высокими энергиями не удавалось. Требовалась серьёзная модернизация как самой машины, так и детекторов, после чего Тэватрон мог бы соревноваться с БЭПом [1, 5].
Это было тревожное время: поиски продолжались, но результаты не радовали, и даже оптимисты стали сомневаться в существовании бозона Хиггса. Однако ещё оставалась какая-то надежда, что БЭП или Тэватрон обнаружат бозон Хиггса, поэтому они работали в предельном режиме. Точные измерения, сделанные на Тэватроне и БЭПе, позволяли предполагать, что бозон Хиггса, вероятно, не тяжелее 200 ГэВ. Это давало потенциальную возможность его обнаружения. Однако более чем за 10 лет исследований учёные
2 Этот коллайдер должен был занять 27-километровое кольцо туннеля (почти на 200 метров ниже уровня земли) под франко-швейцарской границей. Сооружение кольцевого туннеля - это только начало [2, 5]. В каменной породе по периметру туннеля выдолбили четыре огромные пещеры для детекторов коллайдера. В восемнадцати точках туннеля были пройдены вертикальные скважины для входа и выхода людей. Строительство туннеля БЭПа завершилось в 1988 г. Одни только строительные работы заняли шесть лет. Благодаря тому, что буровые машины были снабжены приборами спутникового и лазерного наведения, два конца туннеля встретились, разойдясь всего на один сантиметр [5].
БЭП был настолько точным прибором, что смог даже зафиксировать влияние Луны на Землю. Дело в том, что крошечные деформации Земли под действием гравитационного поля Луны вызывают растяжение и сжатие общей длины туннеля БЭПа примерно на миллиметр. В масштабах 27-километровой пучковой трубы это не так уж много, но достаточно, чтобы вызвать крошечные колебания энергии электронов и позитронов. Такой высокоточный инструмент, как БЭП, их быстро уловил. Вначале странные суточные колебания энергии частиц вызвали недоумение, но физики быстро разобрались в происходящем, поскольку такой способ обнаружения влияния Луны на Землю ничем не отличается от того метода, которым астрофизики доказывают существование тёмной материи во Вселенной - а именно, по наличию её гравитационного воздействия [1, 7]. А ещё БЭП зарегистрировал всплески токов утечки, возникавшие в момент отправления высокоскоростных поездов от вокзала Женевы и заметно менявшие режим работы тонко настроенной машины [3, 5].
Впоследствии предполагалось переделать БЭП для работы в области ещё больших энергий, где, как считалось, «прячется» бозон Хиггса. Поэтому в процессе строительства БЭПа уже начали думать над его совершенствованием. Обновлённый ускоритель должен был называться Большим адронным коллайдером (БАК).
так и не получили свидетельств присутствия бозона Хиггса [5].
БЭП был мощным и универсальным коллайдером, но его эксплуатационный срок подходил к концу, поэтому в сентябре 2000 г. планировали остановить машину. В последней отчаянной попытке найти бозон Хиггса, физики ЦЕРНа нагружали коллайдер сверх его возможностей. Летом 2000 г. благодаря модификациям машины, энергия столкновений превысила 200 ГэВ. Вскоре в разное время начали появляться намёки на бозон Хиггса. «В сентябре два из четырёх экспериментов на БЭПе представили свидетельства редких событий, в которых участвовали Z-бозон и ещё одна загадочная частица, которая распалась на два «прелестных» кварка (b-кварка). Эта частица во многом была сходна с бозоном Хиггса массой 115 ГэВ» [8, с. 70]. Казалось, ЦЕРН стоял на пороге одного из величайших открытий физики высоких энергий3. Учёные уговаривали руководство ЦЕРНа дать БЭПу поработать ещё полгода. Одни были убеждены, что эпохальное событие уже близко. Другие понимали, что полученных данных недостаточно, чтобы оправдать задержку строительства БАКа, требовавшего полного освобождения туннеля, где размещался БЭП. Руководство ЦЕРНа дало понять, что продлит работу БЭПа, если есть хорошие шансы превратить «предварительные экспериментальные наблюдения в безусловное открытие» [2, 5]. Однако физики могли сделать единственный вывод: «... масса бозона Хиггса должна быть больше 114, 4 ГэВ, вероятно около 115, 6 ГэВ» [2, с. 185]. Отключение БЭПа означало, что «охота» ЦЕРНа на частицу Хиггса прервётся, по крайней мере, на пять лет, пока не будет сооружён БАК. На это время группа Тэватрона в Фермилабе становилась единственной командой, имевшей реальные шансы найти бозон Хиггса.
Однако, несмотря на окончание работ по улучшению технических характеристик Тэватрона, сотрудникам Фермилаба не удавалось найти надёжных свидетельств существования таинственной частицы. Физики смогли только исключить некоторый диапазон масс, в котором бозона Хиггса не могло быть [2].
Демонтаж БЭПа начался в декабре 2000 г. Под БАК был отведён тот же 27-километровый туннель. При проектировании этого коллайдера вернулись к идее столкновения протонов друг с другом, поскольку создание необходимого количества антипротонов для получения требуемого числа столкновений оказалось слишком сложной задачей. Больше всего для продвижения проекта «Большой адронный коллайдер» сделал Карло Руббиа [3, 9], а его руководителем был назначен британский учёный Лин Эванс (1945 г р.), которого пресса прозвала «Атомный Эванс», отмечая его роль в осуществлении этого проекта [10].
Полностью туннель освободили к ноябрю 2001 г. Сооружение крупнейшей в мире системы, способной охлаждать сверхпроводящие магниты до температуры -271,4 °С, закончилось в октябре 2006 г Вдоль всего 27-километрового ускорительного кольца были установлены 1232 дипольных магнита (рис. 4), удерживающих частицы на орбите внутри ускорительного кольца [2, 5].
В первоначальной планировке БАКа предусматривались четыре детекторные установки: ATLAS (тороидальный аппарат БАКа), CMS (компактный мюонный соленоид), ALICE (большой ионный коллайдер) и LHCb (для регистрации частиц, состоящих из b-кварков). Потом к этим детекторам добавились ещё два намного меньшего размера (рис. 5).
В детекторе ATLAS используется тороидальное (в форме пончика) магнитное поле, создаваемое
3 Слухи о том, что ЦЕРН близок к открытию, распространились далеко за его пределы. На расстоянии шести тысяч миль от Женевы (на острове Чеджу, недалеко от южной оконечности Корейского полуострова) проводилась конференция по проблемам физики элементарных частиц и происхождении Вселенной. Однажды за ужином Гордон Кейн (1937 г. р.), известный физик-теоретик, директор Мичиганского центра теоретической физики, сказал, что в ЦЕРНе, возможно, нашли след частицы Хиггса. Обсуждение было прервано звуками, в которых все узнали голос Стивена Хокинга (см. сноску 4). «Бозон Хиггса никогда не будет найден ни на LEP (БЭП. - Прим. М. Т.), ни на любом другом коллайдере частиц», - сказал Хокинг [цит. по 5, с. 116], (см. сноску 5). После такого категоричного заявления Кейн и Хокинг решили заключить пари на сто долларов [5].
4 Хокинг страдал редкой медленно развивающейся формой болезни (боковой амиотрофический склероз), постепенно ухудшавшей его состояние. Хокинг был в состоянии общаться посредством синтезатора речи: сначала с помощью ручного переключателя, впоследствии - используя мышцу щеки. Управляя этой
сложной системой, он мог посылать сигналы в синтезатор речи и таким образом даже общаться с окружающими вслух (рис. 3). Компьютерный голос Хокинга создан корпорацией Intel и известен всему миру не меньше, чем сам профессор (http://als-info.ru/ kto-iz-zvezd-podaril-svoj-golos-stivenu-hokingu/). 14 марта 2018 г. Стивен Хокинг умер в возрасте 76 лет (https://ru.wikipedia.org/ wiki/Хокинг,_Стивен).
5 Сомнения Хокинга в возможности найти бозон Хиггса основывались на его работе 1995 г., в которой он предсказывал, что «виртуальные чёрные дыры» могут сделать невозможным наблюдение частиц Хиггса. Виртуальные чёрные дыры - любопытные теоретические объекты. Учёным известно, что пары частиц, таких как электроны и позитроны, внезапно рождаются в вакууме из-за квантовых флуктуаций энергии. Виртуальные чёрные дыры ведут себя аналогично, но их порождают пространственно-временные флуктуации. Как утверждал Хокинг, существование чёрных «минидыр» длилось бы всего мгновение, но этого достаточно, чтобы замазать след бозона Хиггса [5].
гшштт ~ \ f ! НИ ш,
„^ % ШЗ; ilwKi« Г^ГЗИТп
Ei '; : пИЕ^тГ ! ^Р
Рис. 3. Профессор Хокинг ведёт коллоквиум
(https://ru.wikipedia.org/wiki/XoKUHa,_CmueeH)
Рис. 4. Дипольные магниты - критически важные компоненты БАКа - являются одними из самых сложных в изготовлении и обслуживании. Для поднятия энергии протонов почти до проектного значения потребовалась длительная кампания по тренировке магнитов [11]
Рис. 6. Детектор ATLAS в процессе сборки (по
состоянию на ноябрь 2005 года) (https://www.fresher. ш/2009/11/26/bolshoj-adronnyj-kollajder-v-fotografiyax/)
Рис. 7. Строящийся детектор CMS, на фоне которого - приглашённый в ЦЕРН Питер Хиггс.
Источник : © copyright CERN
Рис. 5. Схема расположения под землёй основных детекторов БАКа (https://zaochnik.ru/blog/bolshoj-adronnyj-kollajder-zachem-on-nuzhen/)
большими сверхпроводящими магнитами. Это самые крупные сверхпроводящие магниты в мире. На рис. 6 можно видеть восемь тороидальных магнитов с тепломером перед тем, как их поместят в середину детектора. Этот тепломер будет измерять энергию частиц, производимую при столкновении протонов в центре детектора [2].
Детектор ATLAS имеет около 45 м в длину и 25 м в высоту. Он весит около 7 тысяч тонн: как Эйфелева башня или сто «Боингов-747» без пассажиров [2].
Детектор CMS (рис. 7) называется компактным, так как в нём используется один крупный соленоидальный сверхпроводящий магнит. Его размеры: 21 м в длину, 15 м в ширину и 15 м в высоту [2].
Детектор ALICE оптимизирован для изучения столкновений тяжёлых ядер. На рис. 8 можно видеть используемые в нём магниты.
Коллаборации детекторов ATLAS и CMS возглавляют итальянские физики Фабиола Джанотти и Гвидо Тонелли, соответственно. Каждая из групп включает
Рис. 8. Гигантские магниты детектора ALICE
(https://www.popmech.ru/science/8204-vlastelin-kolets-tsern/)
3 тысячи физиков и инженеров из более чем 170 университетов и лабораторий 38 разных стран [2].
Многоцелевые детекторы ATLAS и CMS были предназначены для поиска бозона Хиггса и другой «новой физики», которая может продемонстрировать существование суперсимметричных частиц и разрешить загадку тёмной материи [2, 9].
Монтаж детекторов ATLAS и CMS закончился в начале 2008 г. В августе 2008 г. было охлаждено до рабочей температуры необходимое оборудование, расположенное на всём протяжении БАКа. Для этого потребовались более 10 тысяч тонн жидкого азота и 150 тонн жидкого гелия. Таким образом, БАК был готов к запуску. 10 сентября 2008 г. началась большая жизнь БАКа6. Он заработал в 10:28 утра по местному времени. Физики сбились в центре управления и радостно оживились, когда на экране мелькнула вспышка света, сообщившая о том, что высокоскоростные протоны отправились в путь по 27-километровому кольцу коллайдера при рабочей температуре всего на два градуса выше абсолютного нуля [2].
Однако вскоре последовали проблемы. Через девять дней произошла авария7. «Это был ужас! - вспоминал Эванс. - Я никогда не видел ничего подобного... Везде мигали красные сигналы тревоги» [цит. по 5, с. 94].
Не было никакой надежды восстановить коллайдер до его запланированной остановки на зиму. К тому же возникли новые проблемы. Дата повторного пуска отодвинулась на неопределённое время. БАК снова заработал лишь в ноябре 2009 г. Несмотря на то, что в зимние месяцы электричество стоило дороже, коллайдер проработал всю зиму 2009-2010 годов главным образом для того, чтобы физиков ЦЕРНа не обогнали соперники из Фермилаба, которые, по слухам, довольно близко подошли к обнаружению бозона Хиггса [2]. И действительно, незадолго до запланированного вывода из строя Тэватрона (ноябрь 2011 г.) в ходе экспериментов двумя
детекторами было зарегистрировано небольшое превышение событий, в которых пара «прелестных» кварков образуется с суммарной энергией от 125 до 155 ГэВ. Многие физики призывали продлить работу Теватрона до 2014 г., поскольку он во многих отношениях способен дополнить работу БАКа. Однако, как и в случае с закрытием БЭПа, учёным не удалось убедить директора лаборатории отложить остановку коллайдера [2].
Небезынтересно отметить, что в усиливающемся соперничестве между Фермилабом и ЦЕРНом слухи были весьма показательны, как и общее чувство, будто что-то вскоре может быть открыто. Леон Ледерман раньше признавался, что возможное заявление ЦЕРНа об открытии новой частицы вызовет у него смешанные чувства. «Примерно как если бы тёща упала в пропасть на твоём БМВ», - сказал он [2, с. 198].
Напряжённая и очень слаженная работа коллектива ЦЕРНа способствовала тому, что в течение 2011 г. БАК выдал горы данных, достаточных для того, чтобы обнаружить первые признаки бозона Хиггса. Характерный и ожидаемый след этой частицы был зарегистрирован независимо двумя главными детекторами БАКа (ATLAS и CMS)8 ещё летом 2011 г. Совпадение результатов, полученных с помощью этих детекторов, примечательно ещё и потому, что они работают совершенно по-разному [12].
После завершения в октябре 2011 г. серии исследований, официальные представители экспериментов ATLAS и CMS провели специальный семинар в переполненной главной аудитории ЦЕРНа. Они сообщили, что оба детектора зарегистрировали несколько десятков событий выше ожидаемого фона с образованием двух фотонов (см. рис. 9) с суммарной энергией 125 ГэВ. Если бы в результате соударения протонов генерировались короткоживущие бозоны Хиггса, они могли бы распасться на эти фотоны. В каждом из экспериментов были зарегистрированы и несколько дополнительных
6 Новый коллайдер заметно отличался от своего предшественника. «Среди его основных компонентов - более 1,2 тыс. сверхпроводящих магнитных диполей, сияющих серебром 15-метровых цилиндров стоимостью почти $1 млн каждый. Это, вероятно, самые совершенные устройства из когда-либо серийно выпускаемых компаниями Франции, Германии и Италии. В них располагаются сдвоенные трубы вакуумных камер, по обе стороны от которых расположены обмотки электромагнитов из ниобий-титанового сплава, купающиеся в жидком гелии при температуре -271 °С. Внутри вакуумных камер в противоположных направлениях циркулируют два пучка протонов с энергией до 7 ТэВ и скоростями, приближающимися к скорости света» [9, с. 71-72].
7 Всего через девять дней электрический контакт между двумя сверхпроводящими магнитами расплавился. Электрическая дуга пробила изоляцию гелиевой системы охлаждения магнитов. Высвободились шесть тонн гелия, давление повысилось, произошёл взрыв, повредивший 53 огромных магнита. Инженеры быстро нашли причину неисправности: дефектные электрические контакты, соединяющие сверхпроводящие кабели. Ремонтные работы остановили коллайдер более чем на год [5].
8 Ни ATLAS, ни CMS не позволяют наблюдать бозон Хиггса непосредственно, так как эта чрезвычайно нестабильная частица быстро распадается в результате нескольких различных процессов, или «мод» (см. сноску 9). «К сожалению, многие моды распада неотличимы от оглушительного грохота обычных фоновых событий, которые возникают в результате 500 млн соударений протонов друг с другом, происходящих каждую секунду. Эксперименты ATLAS и CMS как раз и задуманы, чтобы зарегистрировать случайное интересное событие, которое может произойти в результате распада бозона Хиггса, и отбросить все остальные» [8, с. 70-71]. В 2011 г. физики начали фокусировать внимание на редких распадах с образованием двух фотонов (рис. 9) или четырёх заряжённых лептонов (рис. 10), поскольку эти сигналы хорошо выделяются даже из очень сильного фона, который мог бы легко скрыть сигналы бозона Хиггса [8].
9 Каждый из распадов бозона Хиггса значим для изучения его свойств, однако теоретически распады на ZZ* и W+W- наиболее важны для наблюдений, «... так как именно они учат, что электрослабая симметрия нарушается и работает механизм Хиггса. Это сложно объяснить, - продолжает Гордон Кейн (см. сноску 3), - но электрослабая симметрия Стандартной модели запрещала бы распады бозона Хиггса по этим каналам, и их обнаружение показывает, что симметрия нарушается правильным образом и разрешает взаимодействие, дающее частицам массу. Символ * после Z или W указывает на то, что бозон Хиггса слишком лёгкий, чтобы распадаться на два реальных Z- или W-бозона, и поэтому один из них должен быть виртуальным: с точки зрения теории такие распады понятны, и мы знаем, как иметь с ними дело экспериментально» [3, с. 140].
г-ЬОЗОНЫ
Бозон Хигтса способен распасться на пару 2-бозонов, каждый из которых может в свою очередь распасться на электрон, спаренный с имеющим противоположный заряд позитроном, или на два мюона. Находящиеся внутри трековая система и калорифер регистрируют электроны, в то время как мюоны вылетают наружу, оставляя следы-треки во время своего пролета. Мощное магнитное поле искривляет траектории электронов и мюонов, что позволяет с высокой точностью измерить их энергию и оценить массу породившего их бозона Хигтса.
Фотоны
Каждый детектор состоит из множества калориметров — устройств для измерения энергии частиц. Калориметр, находящийся в самом центре, обладает особой чувствительностью к фотонам. Они поглощаются в калориметре, и в результате образуется слабый электрический сигнал. Если бозон Хиггса распадется на два фотона, детектор сможет измерить их суммарную энергию с чрезвычайно высокой точностью, что позволяет точно реконструировать массу вновь обнаруженной частицы.
ОЖИДАЛОСЬ
Калориметры
Бозон Хиггса
НАБЛЮДАЛИ
Лч\\
'■Vi/J Hi''».', v. </ /У.
—^ V /х/
-У', / -
'V ■ V г*
Т fiV <
У^ /
■Р^ х
ТЛшШ
Рис. 9. Двухфотонный канал распада бозона Хиггса [8, с. 70]
Рис. 10. Четырёхлептонный канал распада бозона Хиггса [8, с. 70]
событий, в которых четыре заряжённых лептона (электроны или мюоны) (рис. 10) уносили аналогичную суммарную энергию. Они, возможно, тоже были результатом распада бозона Хиггса. Такая согласованность сигналов была беспрецедентной. Это дало основания предполагать, что в данных начало появляться что-то реальное. Однако, если учитывать строгие требования физики элементарных частиц10, ни один из сигналов, полученных в 2011 г, не был достаточно убедительным, чтобы объявить об «открытии» [8].
С декабря количество данных, набранных на БАКе, удвоилось, а методы их обработки стали совершеннее. После зимней паузы эксперименты на коллайдере возобновились в марте 2012 г Весенняя серия экспери-
ментов оказалась успешной: за 11 недель было получено больше столкновений протонов, чем за весь 2011 год. Благодаря усилиям физиков и операторов, к маю БАК выдавал данные в 15 раз быстрее, чем когда-либо удавалось на Тэватроне. «Эта серия стала кульминацией двух десятилетий работы тысяч физиков, занятых в программах ATLAS и CMS, тех, кто построил эти детекторы и теперь работал на них, и тех, кто спроектировал и теперь управлял работой компьютерных систем, распространявших данные по всему миру, а также тех, кто создал новые устройства и программное обеспечение для компьютеров, чтобы выделить самые интересные соударения, написал алгоритмы, позволяющие выкапывать наиболее многообещающие
10 Степень уверенности в предполагаемом открытии определяется физиками статистической значимостью, обозначаемой греческой буквой ст (сигма). Если отклонение сигнального события от фона равно 3ст, то можно говорить об «экспериментальном наблюдении» новой частицы, но квалифицировать открытие как состоявшееся можно только при значении ст не менее 5 [5].
события из огромной горы регистрируемых данных. Все они лихорадочно работали, предвкушая открытие» [8, с. 72]. Аспиранты и кандидаты наук трудились ночи напролёт, с волнением готовясь сообщить о том, что же они обнаружили.
Наконец, 15 июня физики, работавшие в эксперименте CMS, начали собираться в одной из комнат, чтобы послушать доклады молодых физиков. Несколько сотен сотрудников, занятых в этом эксперименте, стояли или уселись на пол. Мало кому удалось выспаться в предыдущую ночь. Напряжённое ожидание и всеобщее волнение охватили зал.
Вслед за первым докладом, не вызвавшим воодушевления, одно за другим последовали выступления, в которых сообщалось о редких двухфотонных и четырёхлептонных каналах распада (см. рис. 9 и 10). «Теперь действительно было похоже на то, что бозон Хиггса наконец проявился. Сигналы, полученные на основании данных экспериментов 2012 года, снова наблюдались в окрестности одного и того же значения массы, которое так сильно привлекло внимание учёных шесть месяцев назад, - 125 ГэВ. Учёные почти сразу же поняли: если соединить новые данные с результатами, полученными в 2011 году, то у группы СMS появится большой шанс объявить об открытии бозона Хиггса» [8, с. 73].
В эксперименте ATLAS учёные также были близки к успеху. Однако потребовалось около недели напряжённой работы и несколько бессонных ночей, прежде чем физики утвердились в возможности сделать вывод: вероятность того, что эти события - результат случайных флуктуаций, меньше, чем одна трёхмиллионная. Это соответствовало строгому критерию 5а (см. сноску 10).
Тем временем слухи об открытии просочились наружу. Интерес во всём мире к этому событию начал расти так быстро, что секретность была объявлена приоритетной задачей. Однако соблазн был очень велик: разговоры вполголоса в кафетерии и коридорах ЦЕРНа давали основания предполагать, что затевается нечто грандиозное [8].
Генеральный директор ЦЕРНа Рольф-Дитер Хойер (1948 г. р.) (рис. 11) впервые ознакомился с результатами 22 июня 2012 г во время встречи с руководителями экспериментов ATLAS и CMS. Он решил, что доказательства достаточно убедительны, чтобы объявить об открытии. Совет ЦЕРНа решил сделать это 4 июля на семинаре, приуроченном к началу работы 36-й Международной конференции по физике высоких энергий в Мельбурне (Австралия) [8].
Рис. 11. ЦЕРН. 4 июля 2012 г. Фабиола Джанотти (слева), генеральный директор ЦЕРНа Рольф-Дитер Хойер (в центре) и Джо Инкандела (справа) готовятся сделать важные сообщения.
© CERN
В ночь перед семинаром у запертых дверей главной аудитории сотни физиков, пребывавших в полусонном состоянии, отчаянно надеялись занять одно из оставшихся не зарезервированными мест внутри. Большая аудитория ЦЕРНа была переполнена. Питера Хиггса, появившегося в ЦЕРНе сразу же по прибытии в Женеву и севшего рядом с Энглером11 (рис. 12), встретили продолжительными аплодисментами. Дитер Хойер открыл семинар (см. рис. 11). Руководители экспериментов - Инкандела (CMS) и Джанотти (ATLAS) (см. рис. 11) представили множество слайдов с новыми данными и результатами, большая часть которых состояла из измерений 2012 г. Как и в декабре, графики с данными о двухфотонном канале распада показали резкие пики, выступающие в районе от 135 до 126 ГэВ. Но на этот раз эксперименты выявили более дюжины дополнительных событий, в которых тяжёлая частица распалась на четыре заряжённых лептона с энергией 125 ГэВ. Объединив этот результат с двухфотонным, исследователи CMS и ATLAS пришли к независимым
Рис. 12. Франсуа Энглер (слева) и Питер Хиггс (справа) (https://ria.ru/spravka/20131008/968587552.html)
11 8 октября 2013 г. Питеру Хиггсу и Франсуа Энглеру (см. рис. 11) была присуждена Нобелевская премия по физике за «теоретическое открытие механизма, который обеспечил понимание происхождения масс элементарных частиц» (https://ria.ru/ spravka/20131008/968587552.html).
выводам: вероятность того, что это явление - призрак, вызванный случайными флуктуациями, ничтожно мала. Оно должно быть реальным [5].
Семинар транслировали по Интернету на открывшейся в тот же день Международной конференции по физике высоких энергий, а также в научные центры и университеты всего мира, включая Россию12. После впечатляющих выступлений руководителей коллабора-ций ATLAS и CMS генеральный директор ЦЕРНа Дитер Хойер, завершая семинар под продолжительные аплодисменты, воскликнул: «Я думаю, мы его поймали!... Мы совершили открытие», - продолжил он, впервые произнеся это слово. - Мы наблюдали новую частицу, которая во всём схожа с бозоном Хиггса» [8, с. 74] (рис. 13). Когда объектив телекамеры выхватил Питера Хиггса, было видно, как он достаёт носовой платок, чтобы утереть выступившие слёзы. Позже он признался, что не ожидал экспериментального подтверждения его теории при жизни [8].
Таким образом, июльским информационным взрывом, когда обсуждение открытия находилось в фокусе мирового внимания, закончились «страсти по бозону Хиггса»: множество потерянных возможностей на этапе разработки теории, сомнения в существовании бозона Хиггса, тревожные ожидания, неподтверждённые заявления об его открытии, надежды и разочарования учёных, мистификации, предсказания о возникновении
Рис. 13. Смоделированное изображение процесса проявления бозона Хиггса - частицы, которую физики надеялись отыскать без малого полвека [13]. © CERN
в опытах чёрных дыр, «сжигающих Землю»13, и других опасных для жизни явлений [12].
Немногие учёные сомневаются в том, что обнаружена новая частица. Физики из ЦЕРНа называют её «хиггсоподобным бозоном» и настаивают на необходимости дополнительных данных для точного установления её свойств14 [8].
12 В Дубне руководитель объединённого семинара «Физика на LHC» [БАК. - Прим. М. Т.] профессор И. Голутвин перед трансляцией из ЦЕРНа отметил большой вклад учёных и специалистов Объединенного института ядерных исследований в подготовку экспериментов на БАКе, а также их активное участие в проведении сеансов на коллайдере в Женеве, сборе и обработке информации [12].
Александр Бондарь, член учёного совета новосибирского Института ядерной физики (ИЯФ) СО РАН (бывший член учёного совета ЦЕрНа), непосредственный участник экспериментов на БАКе рассказал, что эксперимент по поиску бозона Хиггса, детекторы ATLAS, CMS и сам БАК - это результат работы международной коллаборации, в которой участвует и ИЯФ СО РАН, внёсший большой вклад в создание ускорителя. Многие элементы коллайдера изготавливались в Новосибирске на опытном производстве ИЯФ СО РАН. Здесь же создавались и некоторые элементы детекторов (http://sib. fm/news/2012/07/04/novosibirskie-fiziki-obnaruzhenie-bozona-khiggsa—ehto-i-nashe...)
13 Вокруг БАКа ходило много слухов. Например, что он представляет огромную опасность для человечества, и его запуск может привести к концу света. Поводом стали заявления учёных о том, что в результате столкновений частиц в коллайдере могут якобы образоваться микроскопические чёрные дыры. После этого появились мнения, что в них может «засосать» всю нашу Землю. Появился даже анекдот: «У физиков есть традиция - один раз в 14 миллиардов лет собираться и запускать адронный коллайдер». Однако шанс коллайдера создать стабильную чёрную дыру, которая поглотит Землю, известный физик-теоретик Шон Кэррол оценил в 10-25 %. Причина слухов оказалась банальной: слова учёных были искажены и неверно интерпретированы журналистами [5].
14 Рольф-Дитер Хойер резюмировал, что обнаруженная новая частица обладает всеми характеристиками бозона Хиггса и, скорее всего, ею и является, но нужно время, чтобы это подтвердить [8].
Лауреат Нобелевской премии 1984 г. по физике, экс-гендиректор CER№ Карло Руббиа в ходе дискуссии на традиционной встрече нобелевских лауреатов с молодыми учеными отметил, что теория суперсимметрии (SUSY), (если она верна) предсказывает существование пяти бозонов Хиггса, и новый бозон может оказаться лишь первым из них (https://www.newsru.com/ world/04jul2012/first.html), [6].
Заместитель директора Института общей и ядерной физики НИЦ «Курчатовский институт» Михаил Скорохватов считает, что согласно нынешним представлениям, основные «первокирпичики» материи - лептоны и кварки - приобретают массу, взаимодействуя с полем Хиггса, квантом которого является открытый бозон. Но как конкретно образуется масса при взаимодействии лептонов и кварков с бозонами Хиггса, надо ещё выяснять (https://www.newsru.com/world/04jul2012/first.html).
За прошедшие годы произошло немало событий. Вот некоторые из них: подтверждено существование t-кварка. доказано отсутствие асимметрии протонов и антипротонов, исследован процесс рождения адронный струй. Проведены и другие не менее значимые работы.
В январе 2019 г. ЦЕРН опубликовал концепт-дизайн следующего коллайдера, размер окружности которого составит 100 километров, что в четыре раза больше, чем у БАКа. По предварительной оценке, проект обойдётся в 9 млрд евро. У этого коллайдера пока нет официального названия, а рабочее наименование - Будущий круговой коллайдер (Future Circular Collider, FCC). Предполагается, что он будет в десять раз мощнее БАКа и поможет учёным обнаружить новые субатомные частицы к 2050 г. Среди целей нового коллайдера также уточнение и дополнение Стандартной модели, детальное изучение бозона Хиггса и природы тёмной материи (https://tjournal.ru/science/76279-yubiley-bolshogo-adronnogo-kollaydera
Сама по себе частица Хиггса удивительна. Учёные подчёркивают, что это - принципиально новая элементарная частица. Бозон Хиггса - квант скалярного поля, которое в отличие от векторных полей (например, магнитного) в любой точке пространства, в любой момент времени имеет лишь числовые значения и не имеет направления. В скалярных характеристиках нет ничего необычного [6, 7, 13]. Однако в случае с полем Хиггса учёные впервые столкнулись с чем-то иным, с чем-то фундаментальным. Это - первое известное скалярное поле, которое присутствует в каждой точке Вселенной, влияет на поведение всех элементарных частиц и придаёт им массу [6]. «Это означает, что вакуум «пустого» пространства - очень бойкое место, где и энергия бозона Хиггса, и виртуальные частицы формируют сложную динамику. Но тогда кто-то, возможно, спросит, действительно ли вакуум стабилен, или какое-то несчастливое квантовое событие, возможно, запустит однажды катастрофический переход от нашей Вселенной к чистому состоянию» [14, с. 29]. Учёные считают, что стабилизатором вакуума может быть суперсимметрия, которая предотвращает такие неприятности. Без суперсимметрии стабильность вакуума очень сильно зависит от массы бозона Хиггса: более тяжёлый бозон Хиггса предполагает стабильную Вселенную, тогда как более лёгкий в конечном счёте - её гибель. «Примечательно, что измеренная масса бозона Хиггса приходится ровно на грань [рис. 14. - Прим. М. Т.], что предполагает долгоживущий, но в итоге всё же нестабильный вакуум. Природа пытается нам что-то сказать, но мы не можем её понять» [14, с. 29].
Список литературы
1. Кэррол, Ш. Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведёт к границам нового мира / Шон Кэррол ; [пер. с англ. Т. Лисовской]. - М. : Бином. Лаборатория знаний, 2015. - 352 с.; ил., цвет. вкл.
2. Бэгготт, Д. Бозон Хиггса. От научной идеи до открытия «частицы Бога» / Джим Бэгготт ; [пер. с англ. Т. М. Шуликовой ; [предисл. С. Вайнберга]. - М. : ЗАО Издательство Центрполиграф, 2014. - 255 с.
3. Кейн, Г. Суперсимметрия. От бозона Хиггса к новой физике / Гордон Кейн ; [пер. с англ. и науч. редакция Е. А. Литвиновича]. - М. : Бином. Лаборатория знаний, 2015. - 332 с.
4. Вайнберг, С. Мечты об окончательной теории / Стивен Вайнберг ; [пер. с англ. А. В. Беркова]. - М. : Едиториал УРСС, 2004. - 256 с.
5. Сэмпл, И. В поисках частицы Бога, или Охота на бозон Хиггса / И. Сэмпл ; [пер. с англ. Т. Лисовской]. -Колибри, 2012. - 150 с.
6. Турбина, М. И. Страсти по бозону Хиггса. Часть 2. Долгий путь к бозону Хиггса. Продолжение / М. И. Турбина //Наука и техника в Якутии. - 2018. -№ 2 (35). - С. 100-109.
-- Космические последствия --
НА КРАЮ ГИБЕЛИ
Бозон Хиггса рассказывает много интересного о поле Хиггса — энергетическом поле, которое придает элементарным частицам массу. Насколько нам известно, это поле постоянно, поскольку любое внезапное его изменение уничтожит Вселенную. Однако результаты недавних измерений массы бозона Хиггса, будучи сопоставленными с массой кварка (истинного кварка), показывают, что поле Хиггса не совсем стабильно. Оказывается, оно пребывает в так называемом метастабиль-ном состоянии. Квантовые эффекты теоретически могут перебросить его в состояние с меньшей энергией, уничтожив в этом процессе всю Вселенную. (Не волнуйтесь: это, скорее всего, не случится на протяжении еще многих миллиардов лет.) Суперсимметрия могла бы стабилизировать поле Хиггса.
200 -
Й о
m го S
го
X
О. 100 — го 00 X
о о
X X 5
У 50-
ГО
и го
5
о -
о 50 юо 150 200
масса бозона Хиггса (гигаэлектронвольты)
Рис. 14. Иллюстрация метастабильного состояния поля Хиггса [14, с. 27]
7. Турбина, М. И. Страсти по бозону Хиггса. Часть 1. Как устроен мир. Продолжение / М. И. Турбина // Наука и техника в Якутии. - 2018. - № 1 (34). -С. 98-108.
8. Райордэн, М. Наконец-то бозон Хиггса / Майкл Райордэн, Гвидо Тонелли, Саулань У// В мире науки. -2012. - № 12. - С. 66-74.
9. Турбина, М. И. Страсти по бозону Хиггса. Часть 1. Как устроен мир. Продолжение / М. И. Турбина // Наука и техника в Якутии. - 2017. - № 1 (32). -С. 101-114.
10. https://ru.wikipedia.org/wiki/Эванс,_Линдон
11. https://elementy. ru/LHC/LHC/accelerator/magnet_ training.
12. Главная тема. Долгий путь к «частице Бога» // Знание - сила. - 2012. - № 12. - С. 17-44.
13. Рубаков, В. Долгожданное открытие : бозон Хиггса / В. Рубаков // Наука и жизнь. - 2012. - № 10. -С. 2-17.
14 Ликкен, Д. Суперсимметрия и кризис в физике / Джозеф Ликкен, Мария Спиропулу // В мире науки. -2014. - № 7-8. - С. 22-29.
Два воздухоплавателя попали на своём воздушном шаре в грозу. Навигационные приборы у них вышли из строя. Низкая облачность не позволяла определить по местности координаты полета. Воздухоплаватели снизились почти до Земли, увидели дорогу и идущего по ней человека.
- Уважаемый, - крикнули они в один голос. - Где мы находимся?
Человек подумал минутку и прокричал: «Вы находитесь на воздушном шаре».
Облачность опустилась до земли, и человек исчез в тумане.
- Странно, - сказал один воздухоплаватель другому. - Кто этот человек, как ты думаешь?
- Я думаю, что это, скорее всего, учёный. Именно учёные дают самые точные ответы на поставленные вопросы, но эти ответы бывают малопригодными для решения чисто житейских ситуаций.
ШЪ1<Е <К№ИШ
' ПРОДУКТИВНОСТЬ-;" : V
:И-;срёдоо б разу ю щий п о.тшцилл^ g луговых фйтоСГён'озо'в. i
УСЛОВИЯХ СРЕДНЕТЛКЖНОЙ ПОДЗЬЙЙ#?
ЯКУТИИ ; ' 'fWfaf
Продуктивность и средообразующий потенциал луговых фито-ценозов в условиях среднетаёжной подзоны Якутии : монография / Новосибирск : СО РАН, 2020. - 218 с.
В монографии представлены результаты комплексных исследований, проведённых с 2004 по 2017 гг. на научном семинаре «Мархинский» ИБПК СО РАН по изучению продуктивности и средообразующего потенциала луговых фитоценозов в зависимости от различных режимов питания. Впервые представлены экспериментальные данные по запасу семян в почве, по биопродуктивности луговых степей, залежных земель и долголетних агрофитоценозов. Дана комплексная оценка хозяйственной урожайности, продуктивности, изучены биохимический состав и питательная ценность травяного сырья различных естественных и сеяных фито-ценозов в условиях среднетаёжной подзоны Якутии. Приведены новые знания по средообразующему потенциалу луговых экосистем, а также данные по дыханию и микробиологии почв под естественными степными лугами разного видового состава и бобово-злаковыми агрофитоценозами.
Книга предназначена для специалистов в области ботаники, луговедения, экологии, почвоведения, агрохимии и луговодства.
