Поймать "Искомого Зверя" современной физики

АрхивСтатьи

На Большом адронном коллайдере открыта новая элементарная частица. С высокой (но не стопроцентной) степенью вероятности - это долгожданный бозон Хиггса. Что это означает?

Бозон Хиггса найден. К сожалению, пока приходится оговариваться: найдено что-то, по своим характеристикам очень на него похожее. Остаётся крохотная вероятность, что две команды исследователей, работавшие на Большом адронном коллайдере, обнаружили не Искомого Зверя современной физики, а нечто очень похожее.

Этому открытию предшествовала долгая история.

Стандартная модель и четыре типа взаимодействий

По легенде, сэр Исаак Ньютон, великий математик и физик, а также алхимик и богослов, открыл Закон всемирного тяготения, получив яблоком по голове. Из открытия Ньютона впоследствии родилось понятие о гравитации как об одном из основных (фундаментальных) взаимодействий между материальными телами.

Столетия спустя открыто электрическое, или электромагнитное, взаимодействие: одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются.

- Путём многолетних исследований было осознано, что переносчиком этого взаимодействия являются безмассовые частицы - фотоны, - объяснял в интервью "Компьютерре" Юрий Тихонов, заместитель директора Института ядерной физики имени Г.И. Будкера СО РАН. - Но в процессе развития физики выяснилось, что есть и другие типы взаимодействий.

В настоящее время физика рассматривает как данность четыре фундаментальные взаимодействия: упомянутые уже гравитационное и электромагнитное, а также так называемые сильные и слабые взаимодействия, проявляющиеся на субатомном уровне.

- Было доказано, что эти взаимодействия между собой очень сильно связаны. Их объединение и привело к появлению электрослабой, или Стандартной, модели, - рассказывает Юрий Тихонов. - Слово "Стандартная" появилось случайно. Это означает, на мой взгляд, что это устоявшаяся красивая теория. Попытки объединения электрических и слабых сил были очень продуктивны, но в любой теории есть свои вопросы. Чтобы она была самосогласованной и в ней не было внутренних противоречий, потребовалось ввести ещё одно поле - скалярное, или Хиггсовское, которое взаимодействует и с электромагнитным, и со слабым полем. С ним электрослабая модель становится согласованной, в ней исчезают расходимости, и это само по себе - большое достижение теории.

В самом деле, физики ценят Стандартную модель за её экспериментальную точность: во всём, что можно было проверить опытным путём, Стандартная модель демонстрирует фантастический уровень совпадения теоретическим ожиданиям.

Сотрудник ЦЕРНа Александр Ерохин поясняет:

- Существует предположение, что все частицы в первые мгновения после Большого Взрыва не обладали массой. С охлаждением Вселенной температура упала ниже некоторой критической величины, так что сформировалось так называемое поле Хиггса, ассоциированное с бозонами Хиггса. С распространением поля Хиггса во Вселенной любая частица, взаимодействуя с бозоном Хиггса, приобретала массу. Чем больше частица взаимодействовала в поле Хиггса, тем большей массой она наделялась.

Проблема в том, что бозон Хиггса сам по себе до сих пор найти не удавалось. Не удавалось даже выявить диапазон масс, к которому может принадлежать этот бозон. По словам Ерохина, если бы частицу не удалось найти и на Большом адронном коллайдере, то можно было бы считать, что её масса находится "вне диапазона 14ТэВ".

Надеясь ответить на вопросы, связанные с существованием массы у элементарных частиц и колоссальным разбросом таковых, британский физик Питер Хиггс в 1960-е годы предложил механизм спонтанного нарушения калибровочной симметрии: в этом механизме вводится специальная зависимость потенциала скалярного поля от величины поля, которая симметрична и является неустойчивой. Неустойчивое состояние не может сохраняться долго и очень быстро переходит в состояние с минимальной энергией.

- Явление спонтанного нарушения симметрии, то есть явление, при котором зависимость поля от потенциала становится несимметричной, получило название механизма Хиггса. Безмассовые поля (векторные бозоны) поглощают часть скалярного поля и приобретают массу. Оставшееся скалярное поле также имеет массу и проявляет себя как новая скалярная частица - бозон Хиггса, - уточняет Юрий Тихонов. - Обнаружение бозона Хиггса будет являться основным доказательством, что этот механизм правильный, что природа устроена именно так, как мы думаем. Теория не исключает нескольких Хиггсовских бозонов".

Мировая наука готова на многое, чтобы проверить правильность теорий об устройстве Вселенной - или отвергнуть таковые. В принципе, от обнаружения/необнаружения бозона Хиггса зависело, насколько вообще современные научные представления о мироустройстве соответствуют (или не соответствуют) реальности. Пока больше похоже, что соответствуют в полной мере.

Большой адронный коллайдер

Ускорители заряженных частиц на встречных пучках (коллайдеры) - класс экспериментальных установок, предназначенных для наблюдения физических явлений на высоких энергетических значениях. Иначе говоря, элементарные частицы разгоняются до колоссальных скоростей, соударяются, далее исследуются продукты этих соударений.

Первые активные работы по созданию коллайдеров начались в конце 1950-х годов в лабораториях "Фраскати" в Италии, SLAC в США и Институте ядерной физики СССР. Первым заработал итальянский электро-позитронный коллайдер AdA. Однако результаты своих исследований первыми опубликовали советские физики, работавшие на коллайдере ВЭП-1 (Встречные электронные пучки). Затем последовали публикации со стороны американских исследователей.

Первым адронным коллайдером стал протонный синхротрон ISR, запущенный в ЦЕРНе в 1971 году. Его энергия составляла 32 ГэВ в пучке.

В 1983-1988 годах в Женевской долине на глубине ста метров выкопали 27-километровый туннель, пересекший под землёй границы Швейцарии и Франции. С 1989 по 2000 годы в этом туннеле размещался мощнейший ускоритель лептонов - Большой электронно-позитронный коллайдер. К концу срока эксплуатации его максимальная энергия достигала 200 ГэВ (по 100 ГэВ) на пучок.

Второго ноября 2000 года, после одиннадцати лет работы, Большой электро-позитронный коллайдер был отключён. На следующий год в том же туннеле началось строительство того, что в итоге стало называться Большим адронным коллайдером (БАК).

Хотя в начале прошлого десятилетия предполагалось, что БАК заработает уже в 2005 году, только в 2006-м был установлен последний сверхпроводящий магнит. Летом 2008 года было объявлено о завершении первых предварительных испытаний, в ходе которых пучок заряженных частиц прошёл чуть более трёх километров по одному из колец БАК.

10 сентября 2008 года БАК был официально запущен: пучки протонов успешно прошли весь периметр коллайдера в обоих направлениях. Но уже через девять дней случилась серьёзная авария: в одном из секторов большого тридцатикилометрового кольца произошло короткое замыкание.

- Всё кольцо [туннель Коллайдера - Прим. ред.] поделено на восемь секторов; один сектор - это 154 дипольных магнита, соединённых последовательно между собой и работающих на токе в 12000 А. Это колоссальный ток, при этом энергия, которая запасается в магнитном поле, - 1,33 ГДж, что эквивалентно 200 кг тротила, - рассказывал "Компьютерре" Александр Ерохин. - Между всеми магнитами есть соединения сверхпроводящего кабеля – это расположенные внахлёст сверхпроводящие шины, спаянные олово-серебряным припоем, которые находятся там же, в криостате при 2 К.

Причиной оказалась банальная халтура: "полетевшее" соединение оказалось плохо пропаяно. Видимо, на каком-то этапе на монтажниках сэкономили, как следствие - лишние траты на ремонт, на который ушёл без малого год.

После того как Большой адронный коллайдер был перезапущен заново, постепенно увеличивалась его мощность.

Ищите и обрящете

Вопрос, почему бозон Хиггса не был открыт раньше, настолько же закономерен, насколько прост и ответ на него: мощности не хватало. Под мощностью тут стоит понимать две величины - энергию соударения частиц (то есть до каких кинетических значений удаётся разгонять элементарные частицы) и так называемую "светимость".

Под светимостью понимается количество частиц в единицу времени на единицу площади. Проектная светимость БАК составляет 10³⁴ с^-1*см^-2 - 2808 сгустков. Также планируется улучшить фокусировку луча, то есть, уменьшив поперечный размер пучка, фактически увеличить плотность частиц.

Зачем это нужно? Просто для увеличения количества "событий" - можно разогнать две частицы до запредельных значений: продуктом их распада может стать бозон Хиггса... а может и не стать. Более того, он настолько редко проявляется, что от одиночных событий нужных результатов можно ждать неограниченно долгое время. Светимость и фокусировка повышают частоту событий (соударений), и тем самым набирается больше статистических данных, анализ которых позволит (или уже позволил) вычленить всё, что связано с хиггсовским бозоном.

Непосредственно поисками бозона Хиггса на БАК занимались две исследовательские команды, оперировавшие детекторами ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) и CMS (The Compact Muon Solenoid).

- ATLAS и CMS многофункциональны. С их помощью планируется решение очень большого количества самых разнообразных задач, основной из которых является обнаружение бозона Хиггса, - говорил "Компьютерре" Илья Орлов, сотрудник ИЯФ СО РАН, участник разработок в ЦЕРНе. - Основная цель – это экспериментальное обнаружение бозона Хиггса и измерение его параметров: время жизни, вероятности распадов и так далее.

Проблема ещё и в том, что бозон Хиггса исключительно недолговечен - он существует ничтожно короткое время и прямому обнаружению, как говорится, "не подлежит". Только продукты его распада живут достаточно долгое время, чтобы его выявить, при этом так называемых "каналов распада" достаточно много.

Затруднений с поиском сразу несколько: во-первых, теория существования бозона Хиггса не описывает его массу; во-вторых, одни и те же лептоны, например, могут быть продуктами распада других частиц и не иметь никакого отношения к искомому бозону. Эта проблема решается опять же методом статистическим: учёные строят распределение масс частиц, то есть учитывают события с конкретными массами (выраженными в электронвольтах), восстановленные по характеристикам возможных продуктов распада, как, например, пары гамма-квантов. Если среди этих пар фигурируют те, что появились в результате распада какой-то конкретной частицы (а мы знаем, какой именно), то каждый раз они будут давать одну и ту же массу и, соответственно, будет наблюдаться пик.

Такой пик и был обнаружен и на CMS, и на ATLAS. Порог статистических отклонений вплотную приблизился (или даже превзошёл) показатели в 5 сигм, что дало основания заявить с большой уверенностью: открыта новая, неизвестная ранее элементарная частица. "Нашли нечто, что распадается на два фотона и Z-бозона и имеет массу порядка 125-126 ГэВ, - говорит старший научный сотрудник ИЯФ им. Г.И. Будкера, кандидат физико-математических наук Евгений Балдин. - Предположительно это хиггсовский бозон из Стандартной модели".

Что дальше?

Впереди - много работы. Во-первых, как и прежде, будет накапливаться статистика - в исполинских масштабах. Без неё никуда. Во-вторых, поиски бозона Хиггса - не единственный эксперимент, проводящийся на Большом адронном коллайдере. Среди прочих - поиск так называемых прелестных кварков на детекторе LHCb - проект, в котором непосредственное участие принимает компания "Яндекс". К слову сказать, буквально накануне объявления об обнаружении "частицы, похожей на бозон Хиггса", в офисе "Яндекса" состоялся научный семинар с участием сразу четверых представителей ЦЕРНа, рассказывавших о своей работе над проектом LHCb, в то время как представители "Яндекса" рассказывали о собственных разработках - реализации модели параллельных вычислений MapReduce для очень больших объёмов данных и MatrixNet - методе бинарной классификации данных.

Возвращаясь к Большому адронному коллайдеру, необходимо отметить, что своей максимальной мощности он всё ещё не достиг. До конца 2012 года он будет работать на мощности 3,5ТэВ на пучок (это энергия соударения протонов), затем будет закрыт на продолжительный - не менее полутора лет - срок, в ходе которого планируется провести полную ревизию, если потребуется - ремонт и - обязательно - усовершенствование его оборудования. Как уже было сказано выше, в нём немало слабых мест, а это грозит новыми авариями. По словам Александра Ерохина, будут меняться все сомнительные контакты, вскрываться система охлаждения, многое подвергнется полной переработке.

- Если я правильно понимаю, то сейчас обсуждаются планы по поднятию светимости и поднятию энергии LHC (он скоро остановится на ремонт и апгрейд по планам). Последнее гораздо дороже, но с точки зрения физики правильнее, - сообщил "Компьютерре" Евгений Балдин.

После модернизации и перезапуска Большого адронного коллайдера планируется поднять его мощность до проектной энергии 7ТэВ и, как уже сказано, повысить светимость до проектных значений - 10³⁴ с^-1*см^-2.

Уже на этих показателях ожидается уточнение массы предполагаемого бозона Хиггса и других его характеристик, а в конечном случае - определение: это он или не он.