«Успехи физических наук», 2012, т. 182, № 10, http://ufn.ru/ru/articles/2012/10/a/
«В защиту науки», 2012, № 11, http://www.ras.ru/digest/fdigestlist/bulletin.aspx
«Наука и жизнь», 2012, № 10, http://www.nkj.ru/archive/articles/21175/

Долгожданное открытие: бозон Хиггса

В. А. Рубаков
Институт ядерных исследований РАН,
Московский государственный университет

Четвёртого июля 2012 года произошло событие, имеющее выдающееся значение для физики: на семинаре в ЦЕРНе (Европейском центре ядерных исследований) было объявлено об открытии новой частицы, которая, как осторожно заявляют авторы открытия, по своим свойствам соответствует теоретически предсказанному элементарному бозону Стандартной модели физики элементарных частиц. Его обычно называют бозоном Хиггса, хотя это название не вполне адекватно. Как бы то ни было, речь идёт об открытии одного из главных объектов фундаментальной физики, не имеющего аналогов среди известных элементарных частиц и занимающего уникальное место в физической картине мира ¹.

Английский физик Питер В. Хиггс в начале 1960-х годов доказал, что в Стандартной модели элементарных частиц должен быть ещё один бозон – квант поля, которое создаёт массу у материи.		Вид детектора CMS перед закрытием 17 августа 2008 года. Фото: Maximilien Brice, CERN. Схема LHC: 2026×1558 – 791 кбт, 1040×800 – 255 кбт

1. Что было на семинаре и до него

Объявление о семинаре было сделано в конце июня, и сразу стало ясно, что будет он неординарным. Дело в том, что первые указания на существование нового бозона получили ещё в декабре 2011 года в экспериментах ATLAS и CMS, проводимых на Большом адронном коллайдере (LHC – Large Hadron Collider) в ЦЕРНе. Кроме того, незадолго до семинара появилось сообщение, что данные экспериментов на протон-антипротонном коллайдере Tevatron (Fermilab, США) также указывают на существование нового бозона. Всего этого было ещё недостаточно, чтобы говорить об открытии. Но с декабря количество данных, набранных на LHC, удвоилось и методы их обработки стали совершеннее. Результат оказался впечатляющим: в каждом из экспериментов ATLAS и CMS по отдельности статистическая достоверность сигнала достигла величины, которая в физике элементарных частиц считается уровнем открытия (пять стандартных отклонений).

Семинар прошёл в праздничной атмосфере. Помимо исследователей, работающих в ЦЕРНе, и студентов, занимающихся там по летним программам, его «посетили» с помощью интернета участники крупнейшей конференции по физике высоких энергий, которая как раз в этот же день открылась в Мельбурне. Семинар транслировали по интернету в научные центры и университеты всего мира, включая, конечно, Россию. После впечатляющих выступлений руководителей коллабораций CMS – Джо Инкандела и ATLAS – Фабиолы Джанотти генеральный директор ЦЕРНа Рольф Хойер заключил: «I think we have it!» («Думаю, он у нас в руках!»).

Так что же такое «у нас в руках» и зачем его придумали теоретики?

2. Что представляет собой новая частица

Минимальная версия теории микромира носит неуклюжее название Стандартной модели. Она включает все известные элементарные частицы (мы их перечислим ниже) и все известные взаимодействия между ними. Гравитационное взаимодействие стоит особняком: оно не зависит от типов элементарных частиц, а описывается общей теорией относительности Эйнштейна. Бозон Хиггса оставался единственным не открытым до последнего времени элементом Стандартной модели.

Мы назвали Стандартную модель минимальной именно потому, что других элементарных частиц в ней нет. В частности, в ней имеется один, и только один, бозон Хиггса, и он – частица элементарная, а не составная (о других возможностях речь пойдёт ниже). Большинство аспектов Стандартной модели – за исключением нового сектора, к которому принадлежит бозон Хиггса, – проверены в многочисленных экспериментах, и главная задача в программе работ LHC – выяснить, действительно ли в природе реализуется минимальный вариант теории и насколько полно она описывает микромир ².

В ходе выполнения этой программы и была открыта новая частица, довольно тяжёлая по меркам физики микромира. В этой области науки массу измеряют в единицах энергии, имея в виду связь E = mc ² между массой и энергией покоя. Единицей энергии служит электронвольт (эВ) – энергия, которую приобретает электрон, проходя разность потенциалов 1 вольт, и его производные – МэВ (миллион электронвольт, 10⁶ эВ), ГэВ (миллиард электронвольт, 10⁹ эВ), ТэВ (триллион электронвольт, 10¹² эВ). Масса электрона в этих единицах равна 0,5 МэВ, протона – примерно 1 ГэВ, масса самой тяжёлой известной элементарной частицы, t-кварка – 173 ГэВ. Так вот, масса новой частицы составляет 125 – 126 ГэВ (неопределённость связана с погрешностью измерений). Назовём эту новую частицу H.

Она не имеет электрического заряда, нестабильна и может распадаться по-разному. На Большом адронном коллайдере ЦЕРНа её открыли, изучая распады на два фотона, Н → γγ, и на две пары электрон – позитрон и/или мюон – антимюон: Н → e⁺e^–e⁺e^–, Н → e⁺e^–μ⁺μ^–, Н → μ⁺μ^–μ⁺μ^–. Второй тип процессов записывают как Н → 4l, где l обозначает одну из частиц e⁺, e^–, μ⁺, μ^– (их называют лептонами). И CMS, и ATLAS сообщают также о некотором избытке событий, который можно объяснить распадами Н → 2l 2ν, где ν – нейтрино. Этот избыток, впрочем, пока не имеет высокой статистической достоверности.

	Рис. 1. Бозон Хиггса Н (спин 0) распадается на два фотона (спин 1), спины которых антипараллельны и в сумме дают 0

Вообще всё, что сейчас известно о новой частице, согласуется с её интерпретацией как бозона Хиггса, предсказанного простейшей версией теории элементарных частиц – Стандартной моделью. В рамках Стандартной модели можно вычислить как вероятность рождения бозона Хиггса в протон-протонных столкновениях на Большом адронном коллайдере, так и вероятности его распадов Н → γγ и Н → 4l, и тем самым предсказать число ожидаемых событий. Предсказания хорошо подтверждаются экспериментами, но, конечно, в пределах погрешностей. Экспериментальные погрешности ещё велики, да и измеренных величин пока совсем немного. Тем не менее трудно сомневаться, что открыт именно бозон Хиггса или что-то очень похожее на него, особенно если учесть, что указанные распады должны быть очень редкими: на два фотона распадаются 2 из 1000 бозонов Хиггса, а на 4l – 1 из 10000.

Более чем в половине случаев бозон Хиггса должен распадаться на пару b-кварк – b-антикварк: Н → bb̃. Рождение пары bb̃ в протон-протонных (и протон-антипротонных) столкновениях – явление очень частое и без всякого бозона Хиггса, и выделить сигнал от него из этого «шума» (физики говорят «фона») в экспериментах на LHC пока не удалось. Это отчасти получилось на коллайдере Tevatron, и, хотя статистическая достоверность там заметно ниже, эти данные также согласуются с предсказаниями Стандартной модели.

Все элементарные частицы обладают спином – внутренним угловым моментом. Спин частицы может быть целым (включая нуль) или полуцелым в единицах постоянной Планка ћ. Частицы с целым спином называются бозонами, с полуцелым – фермионами. Спин электрона равен 1/2, спин фотона – 1. Из анализа продуктов распада новой частицы следует, что её спин целый, т. е. – это бозон. Из сохранения углового момента в распаде частицы на пару фотонов Н → γγ следует: спин каждого фотона целый; целым всегда остаётся и полный угловой момент у конечного состояния (пары фотонов). Значит, и у начального состояния он тоже целый, рис. 1.

Кроме того, он не равен единице: частица спина 1 не может распадаться на два фотона со спином 1. Остаётся спин 0; 2 или больше. Хотя спин новой частицы ещё не измерен, крайне маловероятно, что мы имеем дело с частицей спина 2 или больше. Почти наверняка спин H равен нулю, и, как мы увидим, именно таким должен быть бозон Хиггса.

Заканчивая описание известных свойств новой частицы, скажем, что живёт она по меркам физики микромира довольно долго. На основе экспериментальных данных оценка снизу её времени жизни даёт τ_H ≥ 10 ^–24 с, что не противоречит предсказанию Стандартной модели τ_H = 1,6∙10 ^–22 с. Для сравнения, время жизни t-кварка составляет τ_t = 3∙10 ^–25 с. Отметим, что прямое измерение времени жизни новой частицы на LHC вряд ли возможно.

3. Зачем нужен новый бозон?

В квантовой физике каждая элементарная частица является квантом некоторого поля, и наоборот, каждому полю соответствует своя частица-квант; наиболее известный пример – электромагнитное поле и его квант, фотон. Поэтому вопрос, поставленный в заглавии этого раздела, можно переформулировать так:

Зачем нужно новое поле и каковы его ожидаемые свойства?

Краткий ответ состоит в том, что симметрии теории микромира – будь то Стандартная модель или какая-то более сложная теория – запрещают элементарным частицам иметь массы, а новое поле нарушает эти симметрии и обеспечивает существование масс частиц. В Стандартной модели – простейшем варианте теории (но только в ней!) – все свойства нового поля и, соответственно, нового бозона, за исключением его массы, однозначно предсказываются опять-таки на основе соображений симметрии. Как мы говорили, имеющиеся экспериментальные данные согласуются именно с простейшим вариантом теории, однако эти данные пока довольно скудны, и предстоит длительная работа по выяснению того, как именно устроен новый сектор физики элементарных частиц.

Расшифровка этого короткого абзаца требует, конечно, рассмотрения, хотя бы в общих чертах, роли симметрий в физике микромира.

3.1. Симметрии, законы сохранения и запреты

Общим свойством физических теорий, будь то ньютонова механика, механика специальной теории относительности, квантовая механика или теория микромира, является то, что каждой симметрии соответствует свой закон сохранения. Например, симметрии относительно сдвигов во времени (законы физики одинаковы в каждый момент времени) соответствует закон сохранения энергии, симметрии относительно сдвигов в пространстве (все точки пространства равноправны) – закон сохранения импульса, а симметрии относительно поворотов в пространстве (все направления в пространстве равноправны) – закон сохранения углового момента. Законы сохранения можно интерпретировать и как запреты: перечисленные симметрии запрещают изменение энергии, импульса и углового момента замкнутой системы при её эволюции.

	Рис. 2. Частицы Стандартной модели. Почти все они имеют свои античастицы, которые обозначают символом с тильдой (~) наверху 3.

Наоборот, каждому закону сохранения соответствует своя симметрия; это утверждение является точным в квантовой теории. Спрашивается: какая же симметрия соответствует закону сохранения электрического заряда? Ясно, что симметрии пространства и времени, о которых мы только что упомянули, здесь ни при чём. Тем не менее, такая симметрия имеется. Дело в том, что помимо очевидных, пространственно-временных симметрий существуют неочевидные, «внутренние» симметрии. Одна из них и приводит к сохранению электрического заряда. Для нас важно, что эта же внутренняя симметрия (только понимаемая в расширенном смысле – физики употребляют термин «калибровочная инвариантность») объясняет, почему у фотона нет массы. Отсутствие массы у фотона, в свою очередь, тесно связано с тем, что у света есть поляризация только двух типов – левая и правая.

Чтобы показать, насколько нетривиален факт наличия только двух типов поляризации света, отвлечёмся на время от разговора о симметриях и снова напомним, что элементарные частицы характеризуются спином, который может быть полуцелым или целым в единицах постоянной Планка ћ. Элементарные фермионы (частицы полуцелого спина) имеют спин 1/2. Это электрон e, электронное нейтрино ν_e , тяжёлые аналоги электрона – мюон μ и тау-лептон τ, их нейтрино ν_μ и ν_τ , кварки шести типов u, d, c, s, t, b и соответствующие всем им античастицы (позитрон e⁺, антинейтрино ν̃_e , антикварк ũ и т. д.). Кварки u и d – лёгкие, и из них состоят протон (кварковый состав uud ) и нейтрон (udd ). Остальные кварки (c, s, t, b) – более тяжёлые; они входят в состав короткоживущих частиц, например, K-мезонов.

К бозонам, частицам целого спина, относятся не только фотон, но и его отдалённые аналоги – глюоны (спин 1). Глюоны отвечают за взаимодействия между кварками и связывают их в протон, нейтрон и другие составные частицы. Кроме того, есть ещё три частицы спина 1 – электрически заряженные W ⁺-, W ^–-бозоны и нейтральный Z-бозон, о которых и пойдёт речь. Ну, а бозон Хиггса, как уже говорилось, должен иметь нулевой спин. Мы только что перечислили все элементарные частицы, имеющиеся в Стандартной модели, см. рис. 2.

Массивная частица спина s (в единицах ћ) имеет (2s + 1) состояний с разными проекциями спина на заданную ось (спин – внутренний угловой момент – это вектор, так что понятие о его проекции на заданную ось имеет обычный смысл). Например, спин электрона (s = 1/2) в его системе покоя может быть направлен вверх (s_z = +1/2) или вниз (s_z = –1/2). Бозон Z обладает ненулевой массой и спином s = 1, поэтому состояний с разными проекциями спина у него три: s_z = +1, 0 или –1. Совершенно иначе обстоит дело с безмассовыми частицами. Поскольку они движутся всегда со скоростью света, перейти в систему отсчёта, где такая частица покоится, нельзя. Тем не менее, можно говорить о её спиральности – проекции спина на направление движения. Так вот, несмотря на то, что спин фотона равен единице, таких проекций может быть всего две – вдоль и против направления движения. Это и есть правая и левая поляризации фотона (света). Третье состояние с нулевой проекцией спина, которое обязано было бы существовать, будь у фотона масса, запрещено глубокой внутренней симметрией электродинамики, той самой симметрией, что приводит к сохранению электрического заряда. Таким образом, эта внутренняя симметрия запрещает и существование массы у фотона!

3.2. Что-то не так!

Рис. 3. Взаимодействия в микромире. Электромагнитное взаимодействие происходит за счёт излучения и поглощения фотонов (а). Слабые взаимодействия имеют сходную природу: они обусловлены излучением, поглощением или распадом Z-бозонов (б) или W-бозонов (в), когда меняется также тип фермиона. На (в) показан процесс бета-распада мюона: μ → e νμ ν̃e путём рождения и распада W-бозона. Аналогичным образом происходит бета-распад нейтрона и некоторых атомных ядер.

Ключевыми для нас являются, однако, не фотоны, а W ^±- и Z-бозоны. Эти частицы, открытые в 1983 году на протон-антипротонном коллайдере Spp̃S в ЦЕРНе и задолго до этого предсказанные теоретиками, обладают спином 1 и довольно большой массой: W ^±-бозоны имеют массу 80 ГэВ (т. е. они примерно в 80 раз тяжелее протона), а Z-бозоны – 91 ГэВ. Свойства W ^±- и Z-бозонов хорошо известны, в основном благодаря экспериментам на электрон-позитронных коллайдерах LEP (ЦЕРН) и SLC (SLAC, США) и протон-антипротонном коллайдере Tevatron (Fermilab, США): точность измерений целого ряда величин, относящихся к W ^±- и Z-бозонам, лучше 0,1%. Эти свойства, как и свойства других частиц, прекрасно описываются Стандартной моделью. Последнее замечание относится и к взаимодействиям W ^±- и Z-бозонов с электроном, нейтрино, кварками и другими частицами. Эти взаимодействия, кстати, называют слабыми. Они изучены во всех деталях; один из давно известных примеров их проявления – β-распады мюона, нейтрона и ядер, см. рис. 3.

Как мы уже говорили, каждый из W ^±- и Z-бозонов может находиться в трёх спиновых состояниях, а не в двух, как фотон. Однако они взаимодействуют с фермионами (нейтрино, кварками, электронами и т. д.) в принципе также, как фотоны. Например, фотон взаимодействует с электрическим зарядом электрона и электрическим током, создаваемым движущимся электроном. Точно так же, Z-бозон взаимодействует с некоторым зарядом электрона и током, возникающим при движении электрона, только эти заряд и ток имеют неэлектрическую природу. С точностью до важной особенности, о которой пойдёт вскоре речь, аналогия будет полной, если помимо электрического заряда электрону приписать ещё и Z-заряд. Своими Z-зарядами обладают и кварки, и нейтрино.

Аналогия с электродинамикой простирается ещё дальше. Как и теория фотона, теория W ^±- и Z-бозонов обладает глубокой внутренней симметрией, близкой к той, которая приводит к закону сохранения электрического заряда. В полной аналогии с фотоном, эта внутренняя симметрия запрещает W ^±- и Z-бозонам иметь третью поляризацию, а стало быть и массу. Вот тут и получается нестыковка: симметрийный запрет на массу частицы спина 1 действительно работает в случае фотона, а в случае W ^±- и Z-бозонов он не работает!

Дальше – больше. Слабые взаимодействия – взаимодействия электронов, нейтрино, кварков и других частиц с W ^±- и Z-бозонами – устроены так, как если бы эти фермионы не имели никакой массы! Дело здесь не в числе поляризаций: и у массивных, и у безмассовых фермионов поляризаций (направлений спина) может быть ровно две. Дело в том, как именно взаимодействуют фермионы с W ^±- и Z-бозонами.

Чтобы пояснить суть проблемы, выключим сначала массу электрона (в теории такое позволено) и рассмотрим воображаемый мир, в котором масса электрона равна нулю. В таком мире электрон летал бы со скоростью света и мог иметь спин, направленный вдоль направления движения или против него. Так же как и для фотона, в первом случае мы говорили бы об электроне с правой поляризацией или, короче, о правом электроне, во втором – о левом электроне.

	Рис. 4. При излучении фотона или испускании Z-бозона быстрым электроном проекция его спина на направление движения не меняется. Круглой стрелкой показано внутреннее вращение электрона.

Поскольку мы хорошо знаем, как устроены электромагнитные и слабые взаимодействия (а только в них электрон и участвует), мы вполне способны описать свойства электрона в нашем воображаемом мире. А они таковы. Во-первых, в этом мире правый и левый электроны – две совершенно разные частицы: правый электрон никогда не превращается в левый, и наоборот. Действительно, превращение правого электрона в левый на лету запрещено законом сохранения углового момента (в данном случае спина), а взаимодействия электрона с фотоном и Z-бозоном не меняют его поляризацию, рис. 4. Во-вторых, взаимодействие электрона с W-бозоном испытывает только левый электрон, а правый в нём вообще не участвует. Третьей важной особенностью, о которой мы обмолвились выше, является в этой картине то, что Z-заряды левого и правого электрона различны, левый электрон взаимодействует с Z-бозоном сильнее, чем правый. Аналогичные свойства имеются и у мюона, и у τ-лептона, и у кварков.

Подчеркнём, что в воображаемом мире с безмассовыми фермионами нет никаких проблем с тем, что левые и правые электроны взаимодействуют с W- и Z-бозонами по-разному, в частности, что «левый» и «правый» Z-заряды различны. В этом мире левые и правые электроны – это разные частицы, и дело с концом: нас же не удивляет, что разные частицы, например, электрон и нейтрино, имеют разные электрические заряды: –1 и 0).

Попробуем теперь включить массу электрона – и немедленно придём к противоречию. Быстро движущийся электрон, скорость которого близка к скорости света, а спин направлен против направления движения, выглядит почти так же, как левый электрон из нашего воображаемого мира. И взаимодействовать он должен почти так же ⁴. Если это взаимодействие связано с Z-зарядом, то этот быстрый электрон должен иметь «левое» значение Z-заряда такое же, как Z-заряд левого электрона в нашем воображаемом мире. Однако скорость массивного электрона всё-таки меньше скорости света, и всегда можно перейти в систему отсчёта, движущуюся ещё быстрее. В новой системе отсчёта направление движения электрона изменится на противоположное, а направление спина останется прежним. Проекция спина на направление движения будет теперь положительной, и такой электрон будет выглядеть как правый, а не левый ⁵.

Соответственно, и его Z-заряд должен быть таким же, как у правого электрона из нашего воображаемого мира. Но такого не может быть: значение заряда не должно зависеть от системы отсчёта. Противоречие налицо. Подчеркнём, что мы пришли к нему, предполагая, что Z-заряд сохраняется: если заряд не сохраняется, то о его значении для данной частицы и говорить не приходится.

Это противоречие показывает, что симметрии Стандартной модели (для определённости будем говорить о ней, хотя всё сказанное относится к любому другому варианту теории) должны были бы запрещать существование масс не только у W ^±- и Z-бозонов, но и у фермионов. Причём тут симметрии? При том, что они должны были бы приводить к сохранению Z-заряда. Измерив Z-заряд электрона, мы смогли бы однозначно сказать, левый этот электрон или правый. А это возможно только тогда, когда масса электрона равна нулю.

Таким образом, в мире, где все симметрии Стандартной модели реализовывались бы так же, как в электродинамике, все элементарные частицы должны были бы иметь нулевые массы. Но в реальном мире эти массы есть, значит, с симметриями Стандартной модели что-то должно происходить.

3.3. Нарушение симметрии

	Рис. 5. В однородном магнитном поле электрон движется по прямой вдоль поля и по спирали в любом другом направлении.

Говоря о связи симметрий с законами сохранения и запретами, мы упустили из виду одно обстоятельство. Оно заключается в том, что законы сохранения и симметрийные запреты выполняются только тогда, когда симметрия присутствует явно. Однако симметрии могут быть и нарушенными. Например, в однородном образце железа при комнатной температуре всегда имеется магнитное поле, направленное в какую-то сторону; образец представляет собой магнит. Если бы существовали микроскопические существа, живущие внутри этого магнита, то они бы обнаружили, что не все направления пространства вокруг них равноправны: на электрон, летящий поперёк магнитного поля, действует сила со стороны магнитного поля – сила Лоренца, а на электрон, летящий вдоль поля, сила не действует; движение электрона вдоль магнитного поля происходит по прямой, поперек поля – по окружности, а в общем случае – по спирали, рис. 5. Стало быть, магнитное поле внутри образца нарушает симметрию относительно вращений в пространстве. В связи с этим внутри магнита не выполняется и закон сохранения углового момента: при движении электрона по спирали проекция углового момента на ось, перпендикулярную магнитному полю, меняется со временем.

Здесь мы имеем дело со спонтанным нарушением симметрии. В отсутствие внешних воздействий (например, магнитного поля Земли) в разных образцах железа магнитное поле может быть направлено в разные стороны, и ни одно из этих направлений не будет предпочтительнее другого. Исходная симметрия относительно вращений по-прежнему имеется, и проявляется она в том, что магнитное поле в образце может быть направлено куда угодно. Но раз уж магнитное поле возникло, появилось и выделенное направление, и симметрия внутри магнита оказалась нарушенной. На более формальном уровне, уравнения, управляющие взаимодействием атомов железа между собой и с магнитным полем, симметричны относительно вращений в пространстве, но состояние системы этих атомов – образца железа – несимметрично. В этом и состоит явление спонтанного нарушения симметрии. Отметим, что мы здесь говорим о наиболее выгодном состоянии, имеющем наименьшую энергию; такое состояние называют основным. Именно в нём окажется в конце концов образец железа, даже если изначально он был ненамагниченным, рис. 6.

Итак, спонтанное нарушение некоторой симметрии имеет место тогда, когда уравнения теории симметричны, а основное состояние – нет. Слово «спонтанное» употребляют в этом случае в связи с тем, что система сама, без нашего участия, выбирает несимметричное состояние, поскольку именно оно является энергетически наиболее выгодным. Из приведённого примера ясно, что если симметрия спонтанно нарушена, то вытекающие из неё законы сохранения и запреты не работают; в нашем примере это относится к сохранению углового момента. Подчеркнём, что полная симметрия теории может быть нарушена лишь частично: в нашем примере из полной симметрии относительно всех вращений в пространстве остаётся явной, ненарушенной симметрия относительно вращений вокруг направления магнитного поля.

Рис. 6. Ненамагниченное (а) и намагниченное (б) состояния атомов железа. Стрелками показаны направления магнитных моментов атомов. Ненамагниченного начального состояния можно добиться, разогрев образец до высокой температуры, и быстро остудив. Из такого состояния образец всё равно перейдёт – в намагниченное: магнитным моментам атомов энергетически выгодно выстроиться. Выстроенные магнитные моменты создадут в образце магнитное поле, направленное так же, как магнитные моменты.

Микроскопические существа, живущие внутри магнита, могли бы задать себе вопрос: «В нашем мире не все направления равноправны, угловой момент не сохраняется, но является ли пространство фундаментально несимметричным относительно вращений?» Изучив движение электронов и построив соответствующую теорию (в данном случае электродинамику), они бы поняли, что ответ на этот вопрос отрицателен: уравнения этой теории симметричны, но эта симметрия спонтанно нарушена за счёт «разлитого» вокруг них магнитного поля. Развивая эту теорию дальше, они бы предсказали, что поле, отвечающее за спонтанное нарушение симметрии, должно иметь свои кванты, фотоны. И построив внутри магнита маленький ускоритель, с радостью убедились бы, что эти кванты действительно существуют – они рождаются в столкновениях электронов!

В общих чертах ситуация в физике элементарных частиц похожа на ту, что мы только что описали. Но есть и важные отличия. Во-первых, ни о какой среде наподобие кристаллической решетки атомов железа говорить уже не приходится. Состоянием с наинизшей энергией в природе является вакуум (по определению!). Это не означает, что в вакууме – основном состоянии природы – не может быть однородно «разлитых» полей, подобных магнитному полю в нашем примере. Наоборот, нестыковки, о которых мы говорили в разделе 3.2, свидетельствуют о том, что симметрии Стандартной модели (точнее, их часть) должны быть спонтанно нарушенными, а это предполагает, что в вакууме имеется какое-то поле, обеспечивающее это нарушение. Во-вторых, речь идёт не о пространственно-временных, как в нашем примере, а о внутренних симметриях. Пространственно-временные симметрии, наоборот, не должны нарушаться из-за присутствия поля в вакууме. Отсюда следует важный вывод о том, что в отличие от магнитного, это поле не должно выделять никакого направления в пространстве (точнее, в пространстве-времени, поскольку мы имеем дело с релятивистской физикой). Поля с таким свойством называют скалярными; им соответствуют частицы спина 0. Стало быть, поле, «разлитое» в вакууме и приводящее к нарушению симметрии, должно быть доселе неизвестным новым полем. Действительно, известным полям, о которых мы явно или неявно упоминали выше – электромагнитному полю, полям W ^±- и Z-бозонов, глюонов – соответствуют частицы спина 1. Такие поля выделяют направления в пространстве-времени и называются векторными, а нам требуется поле скалярное. Поля, соответствующие фермионам (спин 1/2), тоже не годятся. В-третьих, новое поле должно нарушать симметрии Стандартной модели не полностью, внутренняя симметрия электродинамики должна оставаться ненарушенной. Наконец, и это самое главное, взаимодействие нового поля, «разлитого» в вакууме, с W ^±- и Z-бозонами, электронами и другими фермионами должно приводить к появлению масс у этих частиц.

Механизм генерации масс частиц со спином 1 – в природе это W ^±- и Z-бозоны – за счёт спонтанного нарушения симметрии был предложен в контексте физики элементарных частиц теоретиками из Брюсселя Франсуа Энглером и Робертом Браутом и чуть позже – физиком из Эдинбурга Питером Хиггсом ⁶. Произошло это в 1964 году. Они опирались на представление о спонтанном нарушении симметрии (но в теориях без векторных полей, т. е., без частиц спина 1), которое было введено в физику элементарных частиц в 1960 – 61 годах в работах Й. Намбу, им же совместно с Дж. Йона-Лазинио, В. Г. Вакса и А. И. Ларкина, Дж. Голдстоуна (Йоичиро Намбу получил за эту работу Нобелевскую премию в 2008 году). В отличие от предыдущих авторов, Энглер, Браут и Хиггс рассмотрели теорию (в то время умозрительную), в которой присутствует как скалярное (спин 0), так и векторное поле (спин 1). В этой теории имеется внутренняя симметрия, вполне аналогичная той симметрии электродинамики, которая приводит к сохранению электрического заряда и запрету массы фотона. Но в отличие от электродинамики, внутренняя симметрия спонтанно нарушена однородным скалярным полем, имеющимся в вакууме. Замечательным результатом Энглера, Браута и Хиггса стала демонстрация того факта, что это нарушение симметрии автоматически влечёт за собой появление массы у частицы спина 1 – кванта векторного поля!

Довольно прямолинейное обобщение механизма Энглера-Браута-Хиггса, связанное с включением в теорию фермионов и их взаимодействия с нарушающим симметрию скалярным полем, приводит к тому, что массы появляются и у фермионов. Всё начинает становиться на свои места! Стандартная модель теперь получается в результате дальнейшего обобщения путём включения не одного, а нескольких векторных полей – фотона, W ^±- и Z-бозонов (глюоны – это отдельная история, они к механизму Энглера-Браута-Хиггса отношения не имеют) – и разных типов фермионов. Последний шаг на самом деле весьма нетривиален. За формулировку полной теории слабых и электромагнитных взаимодействий Стивен Вайнберг, Шелдон Глэшоу и Абдус Салам в 1979 году получили Нобелевскую премию.

Вернемся в 1964 год. Для исследования свойств своей теории Энглер и Браут использовали довольно вычурный по сегодняшним меркам подход. Наверное поэтому они не заметили, что наряду с массивной частицей спина 1 эта теория предсказывает существование ещё одной частицы – бозона со спином 0. А вот Хиггс заметил, и сейчас эту новую бесспиновую частицу часто называют бозоном Хиггса. Как уже отмечалось, такая терминология не вполне корректна: ключевое предложение использовать скалярное поле для спонтанного нарушения симметрии и генерации масс частиц спина 1 впервые сделали всё же Энглер и Браут. Не вдаваясь больше в терминологию, подчеркнём, что новый бозон с нулевым спином является квантом того самого скалярного поля, которое нарушает симметрию. И в этом его уникальность.

Здесь нужно сделать уточнение. Повторим, что если бы спонтанного нарушения симметрии не было, то W ^±- и Z-бозоны были бы безмассовыми. Каждый из них имел бы две поляризации, как фотон. Итого, считая частицы с разными поляризациями разными, мы бы имели 2 × 3 = 6 типов W ^±- и Z-бозонов. В Стандартной модели W ^±- и Z-бозоны массивные, каждый из них имеет три спиновых состояния, то есть три поляризации, итого 3 × 3 = 9 типов частиц – квантов полей W ^±, Z. Спрашивается, откуда взялись три «лишних» типа квантов? Дело в том, что в Стандартной модели необходимо ввести не одно, а четыре скалярных поля Энглера-Браута-Хиггса. Квант одного из них – это бозон Хиггса, новая частица, открытая в ЦЕРНе. А кванты трёх других в результате спонтанного нарушения симметрии как раз и превращаются в три «лишних» кванта, имеющихся у массивных W ^±- и Z-бозонов. Они давно найдены, коль скоро известно, что W ^±- и Z-бозоны имеют массу: три «лишних» спиновых состояния W ⁺, W ^– и Z-бозонов – это они и есть.

Эта арифметика, кстати, согласуется с тем, что все четыре поля Энглера-Браута-Хиггса – скалярные, их кванты имеют нулевой спин. Безмассовые W ^±- и Z-бозоны имели бы проекции спина на направление движения, равные –1 и +1. Для массивных W ^±- и Z-бозонов эти проекции принимают значения –1, 0 и +1, то есть «лишние» кванты имеют нулевую проекцию. Три поля Энглера-Браута-Хиггса, из которых эти «лишние» кванты получаются, тоже имеют нулевую проекцию спина на направление движения, просто потому, что их вектор спина равен нулю. Всё сходится.

Итак, бозон Хиггса – это квант одного из четырёх скалярных полей Энглера-Браута-Хиггса, существующих в Стандартной модели. Три других поедаются (научный термин!) W ^±- и Z-бозонами, превращаясь в их третьи, недостающие спиновые состояния.

4. А действительно ли нужен новый бозон?

Самое удивительное в этой истории заключается в том, что сегодня мы понимаем: механизм Энглера-Браута-Хиггса – отнюдь не единственный возможный механизм нарушения симметрий в физике микромира и генерации масс элементарных частиц, а бозон Хиггса мог бы и не существовать. Этому нас учит, в частности, физика конденсированных сред (жидкостей, твёрдых тел). В ней имеется множество примеров спонтанного нарушения симметрии и разнообразие механизмов этого нарушения. И в большинстве случаев ничего похожего на бозон Хиггса в этих примерах нет.

Ближайшим твердотельным аналогом спонтанного нарушения симметрий Стандартной модели в вакууме является спонтанное нарушение внутренней симметрии электродинамики в толще сверхпроводника. Оно приводит к тому, что в сверхпроводнике фотон в определённом смысле обладает массой (как W ^±- и Z-бозоны в вакууме). Проявляется это в эффекте Мейсснера – выталкивании магнитного поля из сверхпроводника. Фотон не хочет проникать внутрь сверхпроводника, где он становится массивным: ему там «тяжело», ему энергетически невыгодно там находиться (вспомните Е = mc ² ). Магнитное поле, которое можно несколько условно воспринимать как набор фотонов, обладает тем же свойством: оно в сверхпроводник не проникает. Это и есть эффект Мейсснера.

Эффективная теория сверхпроводимости – теория Гинзбурга-Ландау – чрезвычайно похожа на теорию Энглера-Браута-Хиггса (точнее наоборот: теория Гинзбурга-Ландау на 14 лет старше). В теории Гинзбурга-Ландау тоже есть скалярное поле, которое однородно «разлито» по сверхпроводнику и приводит к спонтанному нарушению симметрии. Однако теорию Гинзбурга-Ландау недаром называют эффективной: она ухватывает, образно говоря, внешнюю сторону явления, но совершенно неадекватна для понимания фундаментальных, микроскопических причин возникновения сверхпроводимости. Никакого скалярного поля в сверхпроводнике на самом деле нет, в нём есть электроны и кристаллическая решетка, а сверхпроводимость обусловлена особыми свойствами основного состояния системы электронов, возникающими благодаря взаимодействию между ними ⁷.

Не может ли подобная картина иметь место и в микромире? Не может ли быть так, что никакого фундаментального скалярного поля, «разлитого» в вакууме, нет, а спонтанное нарушение симметрий вызвано совершенно иными причинами? Если рассуждать чисто теоретически и не обращать внимания на экспериментальные факты, то ответ на этот вопрос – утвердительный. Примером может служить так называемая «модель техницвета», предложенная в 1979 году уже упоминавшимся Стивеном Вайнбергом и независимо Леонардом Сасскиндом. В ней нет никаких фундаментальных скалярных полей, нет и бозона Хиггса. Вместо этого есть много новых элементарных частиц, по своим свойствам напоминающих известные кварки. Взаимодействие между этими новыми частицами и приводит к спонтанному нарушению симметрий и генерации масс W ^±- и Z-бозонов. С массами известных фермионов, например электрона, дело обстоит хуже, но и эту проблему можно решить за счёт усложнения теории.

Внимательный читатель может задать вопрос: «А как же с аргументами раздела 3.3, говорящими, что нарушать симметрию должно именно скалярное поле?» Лазейка здесь в том, что это скалярное поле может быть составным, в том смысле, что соответствующие ему частицы-кванты не элементарны, но состоят из других, элементарных частиц.

Вспомним в связи с этим квантовомеханическое соотношение неопределённостей Гейзенберга Δx∙Δp ≥ ћ, где Δx и Δp – неопределённости координаты и импульса, соответственно. Одно из его проявлений состоит в том, что структура составных объектов с характерным внутренним размером Δx проявляется лишь в процессах, где участвуют частицы с достаточно высокими импульсами p ≥ ћ/Δx, а значит, с достаточно высокими энергиями. Здесь уместно напомнить о Резерфорде, который бомбардировал атомы электронами высоких по тем временам энергий и таким образом выяснил, что атомы состоят из ядер и электронов. Разглядывая атомы в микроскоп даже с самой совершенной оптикой (то есть используя свет – фотоны низких энергий), обнаружить, что атомы – составные, а не элементарные, точечные частицы, невозможно: не хватает разрешения.

Итак, при низких энергиях составная частица выглядит как элементарная. Для эффективного описания таких частиц при низких энергиях вполне можно считать, что они являются квантами некоторого поля. Если спин составной частицы равен нулю, то это поле будет скалярным.

	Рис. 7. Фотон большой длины волны и, значит, низкой энергии не способен разрешить структуру π-мезона – пары кварк-антикварк.

Подобная ситуация реализуется, например, в физике π-мезонов, частиц со спином 0. До середины 60-х годов не было известно, что π-мезоны состоят из кварков и антикварков. Тогда π-мезоны описывались элементарными скалярными полями. Теперь мы знаем, что π-мезоны – составные частицы, но «старая» полевая теория π-мезонов остаётся в силе постольку, поскольку рассматриваются процессы при низких энергиях, рис. 7. Лишь при энергиях порядка 1 ГэВ и выше начинает проявляться кварковая структура π-мезонов, и эта теория перестаёт работать. Энергетический масштаб 1 ГэВ здесь появился не случайно: это масштаб сильных взаимодействий, связывающих кварки в π-мезоны, протон, нейтрон и т. д., это масштаб масс сильновзаимодействующих частиц, например, протона. Отметим, что сами π-мезоны стоят особняком: по причине, о которой мы не будем здесь говорить, они имеют гораздо меньшие массы: m _π ± = 140 МэВ, m _π 0 = 135 МэВ.

Итак, скалярные поля, ответственные за спонтанное нарушение симметрий, могут в принципе быть составными. Именно такая ситуация предполагается в модели техницвета. При этом три бесспиновых кванта, которые поедаются W ^±- и Z-бозонами и становятся их недостающими спиновыми состояниями, имеют близкую аналогию с π⁺-, π^–- и π⁰-мезонами. Только соответствующий энергетический масштаб – не 1 ГэВ, а несколько ТэВ. В такой картине ожидается существование множества новых составных частиц – аналогов протона, нейтрона и т. д. – с массами в области нескольких ТэВ. Сравнительно легкий бозон Хиггса в ней, наоборот, отсутствует. Ещё одна особенность модели в том, что W ^±- и Z-бозоны являются в ней отчасти составными частицами, поскольку, как мы сказали, некоторые их компоненты аналогичны π-мезонам. Это должно было бы проявляться во взаимодействиях W ^±- и Z-бозонов.

Именно последнее обстоятельство привело к тому, что модель техницвета (по крайней мере в её изначальной формулировке) была отвергнута задолго до недавнего экспериментального обнаружения нового бозона: точные измерения свойств W ^±- и Z-бозонов на LEP и SLC не согласуются с предсказаниями модели. Открытие же нового бозона окончательно поставило крест на модели техницвета. Красивая теория была разгромлена упрямыми экспериментальными фактами! Тем не менее, идея о составных скалярных полях представляется не менее привлекательной по сравнению с теорией Энглера-Браута-Хиггса, использующей элементарные скалярные поля. Конечно, после открытия в ЦЕРНе нового бозона идея о составленности оказалась в более трудном положении, чем раньше: если эта частица составная, она должна достаточно успешно мимикрировать под элементарный бозон Хиггса. И всё же поживём – увидим, что скажут по этому поводу эксперименты на Большом адронном коллайдере, и, в первую очередь, более точные измерения свойств нового бозона.

5. Открытие сделано. Что дальше?

	Рис. 8. Частицы, ускоренные в Большом адронном коллайдере до огромных энергий, сталкиваются, порождая множество вторичных частиц – продуктов реакции. Среди них был обнаружен и бозон Хиггса, который физики надеялись отыскать без малого полвека.

Вернёмся, в качестве рабочей гипотезы, к минимальной версии теории – Стандартной модели с одним элементарным бозоном Хиггса. Поскольку в этой теории именно поле (точнее, поля) Энглера-Браута-Хиггса даёт массы всем элементарным частицам, взаимодействие каждой из этих частиц с бозоном Хиггса жёстко фиксировано. Чем больше масса частицы, тем сильнее взаимодействие; чем сильнее взаимодействие, тем более вероятен распад бозона Хиггса на пару частиц данного сорта. Распады бозона Хиггса на пары реальных частиц tt̃, ZZ и W ⁺W ^– запрещены законом сохранения энергии, который требует, чтобы сумма масс продуктов распада была меньше массы распадающейся частицы (опять вспоминаем E = mc ² ), а у нас, напомним, m_H ≈ 125 ГэВ, m_t = 173 ГэВ, m_Z = 91 ГэВ и m_W = 80 ГэВ. Следующим по массе стоит b-кварк с m_b = 4 ГэВ, и именно поэтому, как мы говорили, бозон Хиггса охотнее всего распадается на пару bb̃. Интересен и распад бозона Хиггса на пару довольно тяжёлых τ-лептонов Н → τ⁺τ^– (m_τ = 1,8 ГэВ); он должен происходить с вероятностью 6% (это означает, что так распадаются 6 бозонов Хиггса из 100). Распад Н → μ⁺μ^– (m_μ = 106 МэВ) должен происходить с ещё меньшей, но всё ещё неисчезающей вероятностью 0,02%. Помимо обсуждавшихся выше распадов Н → γγ, Н → 4l и Н → 2l 2ν, отметим ещё распад Н → Zγ, вероятность которого должна составлять 0,15%. Все эти вероятности можно будет измерить на LHC, и любое отклонение от этих предсказаний будет означать, что наша рабочая гипотеза – Стандартная модель – неверна. И наоборот, согласие с предсказаниями Стандартной модели будет всё больше и больше убеждать нас в её справедливости.

То же можно сказать и о рождении бозона Хиггса в столкновениях протонов на Большом адронном коллайдере. Бозон Хиггса может рождаться в одиночку, или вместе с парой легких кварков высоких энергий, или вместе с одним W- или Z-бозоном, или, наконец, вместе с парой tt̃. Частицы, рождающиеся вместе с бозоном Хиггса, можно детектировать и отождествлять, поэтому разные механизмы рождения можно изучать на LHC по отдельности. Тем самым можно извлекать информацию о взаимодействии бозона Хиггса с W ^±- и Z-бозонами и t-кварком.

Наконец, важным свойством бозона Хиггса является его взаимодействие с самим собой. Оно должно проявляться в процессе Н* → НН, где Н* – виртуальная частица. В Стандартной модели свойства этого взаимодействия тоже однозначно предсказываются. Впрочем, его изучение – дело отдалённого будущего.

Итак, на LHC имеется обширная программа исследования взаимодействий нового бозона. В результате её выполнения станет более или менее ясно, описывается ли природа Стандартной моделью или мы имеем дело с какой-то другой, более сложной (а может быть и более простой) теорией. Дальнейшее продвижение связано с существенным повышением точности измерений; оно потребует строительства нового ускорителя – e⁺e^–-коллайдера с рекордной для этого типа машин энергией. Очень может быть, что на этом пути нас поджидает масса сюрпризов.

6. Вместо заключения: в поисках «новой физики»

С «технической» точки зрения Стандартная модель внутренне непротиворечива. Это означает, что в её рамках можно – хотя бы в принципе, а как правило и на практике – вычислить любую физическую величину (разумеется, относящуюся к тем явлениям, которые призвана описывать Стандартная модель), и результат не будет содержать неопределённостей. Тем не менее, многие, хотя и не все, теоретики считают положение дел в Стандартной модели, мягко говоря, не вполне удовлетворительным. И связано это в первую очередь с её энергетическим масштабом.

Как ясно из предыдущего, энергетический масштаб Стандартной модели имеет порядок M_SM = 100 ГэВ (мы здесь не говорим о сильных взаимодействиях с масштабом 1 ГэВ, с этим масштабом всё проще). Это – масштаб масс W ^±- и Z-бозонов и бозона Хиггса. Много это или мало? С экспериментальной точки зрения – немало, а вот с теоретической…

В физике имеется ещё один масштаб энергий. Он связан с гравитацией и равен массе Планка M_Pl = 10¹⁹ ГэВ. При низких энергиях гравитационные взаимодействия между частицами пренебрежимо слабы, но они усиливаются с ростом энергии, и при энергиях порядка M_Pl гравитация становится сильной. Область энергий выше M_Pl – это область квантовой гравитации, что бы она из себя ни представляла. Для нас важно, что гравитация – самое, пожалуй, фундаментальное взаимодействие, и гравитационный масштаб M_Pl – самый фундаментальный масштаб энергий. Почему же тогда масштаб Стандартной модели M_SM = 100 ГэВ так далёк от M_Pl = 10¹⁹ ГэВ?

У обозначенной проблемы есть ещё один, более тонкий аспект. Он связан со свойствами физического вакуума. В квантовой теории вакуум – основное состояние природы – устроен совсем нетривиально. В нём всё время рождаются и уничтожаются виртуальные частицы, иными словами, образуются и исчезают флуктуации полей. Непосредственно наблюдать эти процессы мы не можем, но они оказывают влияние на наблюдаемые свойства элементарных частиц, атомов и т. д. Например, взаимодействие электрона в атоме с виртуальными электронами и фотонами приводит к наблюдаемому в атомных спектрах явлению – лэмбовскому сдвигу. Другой пример – поправка к магнитному моменту электрона или мюона (аномальный магнитный момент), тоже обусловленная взаимодействием с виртуальными частицами. Эти и подобные эффекты вычислены и измерены (в указанных случаях с фантастической точностью!), так что мы можем быть уверены, что имеем правильную картину физического вакуума.

В этой картине все параметры, изначально закладываемые в теорию, получают поправки, связанные с взаимодействием с виртуальными частицами. Их называют радиационными поправками. В квантовой электродинамике эти поправки малы, а вот в секторе Энглера-Браута-Хиггса они огромны. Такова особенность элементарных скалярных полей, составляющих этот сектор; у других полей этого свойства нет. Главный эффект здесь состоит в том, что радиационные поправки стремятся «подтянуть» энергетический масштаб Стандартной модели M_SM к гравитационному масштабу M_Pl . Если оставаться в рамках Стандартной модели, то единственный выход – подобрать изначальные параметры теории так, чтобы вместе с радиационными поправками они приводили к правильному значению M_SM . При этом выясняется, что точность подгонки должна составлять величину, близкую к M ²_SM / M ²_Pl = 10^–34! В этом и состоит второй аспект проблемы энергетического масштаба Стандартной модели: представляется неправдоподобным, что такая подгонка имеет место в природе.

Многие (хотя, повторим, не все) теоретики считают, что эта проблема однозначно свидетельствует о необходимости выхода за рамки Стандартной модели. Действительно, если Стандартная модель перестаёт работать или существенно расширяется на энергетическом масштабе M_NP  (NP – «new physics»), то аргумент о радиационных поправках модифицируется. Требуемая точность подгонки параметров в этом случае составляет, грубо говоря, M ²_SM / M ²_NP , а на самом деле на пару порядков слабее. Если считать, что тонкой подстройки параметров в природе нет, то отсюда следует, что масштаб «новой физики» должен лежать в области 1 – 2 ТэВ, то есть как раз в области, доступной для исследования на LHC!

Какой могла бы быть «новая физика»? Единства у теоретиков по этому поводу нет. Один вариант – составная природа скалярных полей, обеспечивающих спонтанное нарушение симметрии. О нём мы говорили в разделе 4. Другая, тоже популярная (пока?) возможность – суперсимметрия. На ней мы останавливаться не будем; скажем только, что суперсимметрия предсказывает целый зоопарк новых частиц с массами в области сотен ГэВ – нескольких ТэВ. Обсуждаются и весьма экзотические варианты вроде дополнительных измерений пространства (скажем, так называемая М-теория ⁸ ).

Несмотря на все усилия, до сих пор никаких экспериментальных указаний на «новую физику» получено не было. Это, вообще-то, уже начинает внушать тревогу: а правильно ли мы всё понимаем? Вполне возможно, впрочем, что мы ещё не добрались до «новой физики» по энергии и по количеству набранных данных, и что именно с ней будут связаны новые, революционные открытия. Основные надежды здесь возлагаются опять-таки на LHC, который через полтора года начнёт работать на полную энергию 13 – 14 ТэВ и быстро набирать данные. Следите за новостями!

7. Приложение. Коллайдеры высоких энергий

Физика элементарных частиц, которая изучает самые крошечные объекты в природе, нуждается в гигантских исследовательских установках, где эти частицы ускоряются, сталкиваются, распадаются. Самые мощные из них – коллайдеры.

Коллайдер – ускоритель со встречными пучками частиц, в котором частицы сталкиваются «лоб в лоб». В электрон-позитронных коллайдерах (другое название – e⁺e^–-коллайдеры) сталкиваются электроны и позитроны. До настоящего времени были созданы также протон-антипротонные, протон-протонные, электрон-протонные и ядро-ядерные (или тяжелоионные) коллайдеры. Остальные возможности, например, μ⁺μ^–-коллайдер, пока только обсуждаются. Среди всех типов коллайдеров основными для физики элементарных частиц являются протон-антипротонные, протон-протонные и электрон-позитронные. Некоторые из них перечислены ниже. О различиях между протон-антипротонными и протон-протонными коллайдерами, с одной стороны, и электрон-позитронными коллайдерами с другой см. в конце этого приложения.

Большой адронный коллайдер (LHC) – протон-протонный, он ускоряет два пучка протонов один навстречу другому (может также работать и как тяжелоионный коллайдер). Проектная энергия протонов в каждом из пучков составляет 7 ТэВ, так что полная проектная энергия столкновения – 14 ТэВ. В 2011 году LHC работал на половине этой энергии, т. е. полная энергия столкновения составляла 7 ТэВ, а в 2012 году – на полной энергии 8 ТэВ. LHC представляет собой кольцо длиной 27 км, в котором протоны ускоряются электрическим полем, а удерживаются магнитным полем, создаваемым сверхпроводящими магнитами. Столкновения протонов происходят в четырёх местах, где расположены детекторы, регистрирующие частицы, рождающиеся в этих столкновениях. Два из этих детекторов – ATLAS и CMS – предназначены для исследований в области физики элементарных частиц при высоких энергиях, а два других – LHC-b и ALICE – для исследований частиц, в составе которых имеются b-кварки, и для исследований горячей и плотной кварк-глюонной материи, соответственно.

Spp̃S – протон-антипротонный коллайдер в ЦЕРНе. Длина кольца – 6,9 км, максимальная энергия столкновения – 630 ГэВ. Работал с 1981 по 1990 год.

LEP – кольцевой электрон-позитронный коллайдер с максимальной энергией столкновения 209 ГэВ, расположенный в том же туннеле, что и Большой адронный коллайдер. Работал с 1989 по 2000 год.

SLC – линейный электрон-позитронный коллайдер в SLAC, США. Энергия столкновения – 91 ГэВ (масса Z-бозона). Работал с 1989 по 1998 год.

Tevatron – кольцевой протон-антипротонный коллайдер в Fermilab, США. Длина кольца 6 км, максимальная энергия столкновения – 2 ТэВ. Работал с 1987 по 2011 год.

Сравнивая протон-протонные и протон-антипротонные коллайдеры с электрон-позитронными, нужно иметь в виду, что протон – составная частица, он содержит в себе кварки и глюоны. Каждый из этих кварков и глюонов несёт лишь часть энергии протона. Поэтому в случае Большого адронного коллайдера, например, энергия элементарного столкновения (между двумя кварками, между двумя глюонами или кварка с глюоном) заметно ниже суммарной энергии сталкивающихся протонов (14 ТэВ при проектных параметрах). Из-за этого область энергий, доступных для изучения на Большом адронном коллайдере, достигает «всего» 2 – 4 ТэВ, в зависимости от изучаемого процесса. Такой особенности у электрон-позитронных коллайдеров нет: электрон – элементарная частица.

Плюс протон-протонных (и протон-антипротонных) коллайдеров в том, что даже с учётом этой особенности достичь высоких энергий столкновений на них технически проще, чем на электрон-позитронных. Есть и минус. Из-за составной структуры протона, а также из-за того, что кварки и глюоны взаимодействуют между собой гораздо сильнее, чем электроны с позитронами, в столкновениях протонов происходит гораздо больше событий, не имеющих интереса с точки зрения поиска бозона Хиггса или других новых частиц и явлений. Интересные же события выглядят в протонных столкновениях более «грязными», в них рождается много «посторонних», неинтересных частиц (столкните кирпич с кирпичом и попробуйте узнать, нет ли среди осколков чего-нибудь интересного). Всё это создает «шум» (фон), выделить из которого сигнал в случае протон-протонных коллайдеров сложнее, чем в случае электрон-позитронных. Соответственно, ниже и точность измерений. По этим причинам протон-протонные (и протон-антипротонные) коллайдеры называют машинами открытий, а электрон-позитронные – машинами точных измерений.

¹ См. «Наука и жизнь» № 1, 1996 г., «Бозон Хиггса необходим!» (Примеч. ред. «НиЖ»)

² Стандартная модель на самом деле заведомо неполна, но это предмет отдельного разговора. Отметим только, что о её неполноте свидетельствуют данные космологии – науки о Вселенной. Проявится ли неполнота Стандартной модели при энергиях LHC – вопрос пока открытый и интригующий.

³ Применение тильды для обозначения античастиц – правило не строгое. Электрон и его античастицу позитрон принято обозначать символами e^– и e⁺ соответственно. То же относится к мезонам и W-бозонам: μ^–, μ⁺ π^–, π⁺, W ^–, W ⁺. Причём символом W ^± обозначены сразу два бозона: W ^– и W ⁺. Применение значка ± встречается и для обозначения двух мезонов. Такая некорректность в обозначениях не вызывает трудностей у человека знакомого с физикой элементарных частиц, но непрофессионала может ввести в заблуждение. (Примеч. вед. сайта «Разум или вера?»)

⁴ В реальном мире для ограниченного (но только ограниченного!) круга процессов так оно и есть. Например, взаимодействие быстрого массивного электрона, спин которого направлен против направления движения, с покоящейся или медленно движущейся мишенью (скажем, атомным ядром), практически не отличается от взаимодействия левого безмассового электрона.

⁵ Противоречия с утверждением, сделанным в предыдущей сноске, здесь нет: мишень, покоящаяся в старой системе отсчёта, теперь движется быстрее электрона, и в реальном мире взаимодействие электрона с подобной мишенью существенно отличается от взаимодействия с покоящейся мишенью.

⁶ Похожие механизмы стали известны раньше в физике конденсированных сред благодаря работам Г. и Ф. Лондонов, В. Л. Гинзбурга и Л. Д. Ландау, Н. Н. Боголюбова, П. У. Андерсона, теории Бардина-Купера-Шриффера и других.

⁷ См. «Наука и жизнь» № 2, 2004 г., «Сверхпроводимость и сверхтекучесть», http://www.nkj.ru/archive/articles/4751/ (Примеч. ред. «НиЖ»)

⁸ См. «Наука и жизнь» №№ 2, 3 1997 г., «Суперструны: на пути к теории всего» (Примеч. ред. «НиЖ»)
(См. так же на сайте «Разум или вера?»: часть 1 – http://razumru.ru/science/physics/semikhatov1.htm, часть 2 – http://razumru.ru/science/physics/semikhatov2.htm)

Некоторые пояснения к терминам

Стандартное отклонение (среднеквадратичное отклонение) σ_x – характеристика случайных отклонений измеренной величины от среднего значения. Вероятность того, что измеренное значение величины X случайным образом окажется отличающимся на 5σ_x от истинного, составляет всего 0,00006%. Именно поэтому в физике элементарных частиц отклонение сигнала от фона на σ_x считают достаточным для признания сигнала истинным.

Частицы, перечисленные в Стандартной модели, кроме протона, электрона, нейтрино и их античастиц, нестабильны: они распадаются на другие частицы. Впрочем, два типа нейтрино из трёх тоже должны быть нестабильными, но их время жизни чрезвычайно велико. В физике микромира действует принцип: всё, что может происходить, действительно происходит. Поэтому стабильность частицы связана с каким-то законом сохранения. Электрону и позитрону запрещает распадаться закон сохранения заряда. Легчайшее нейтрино (спин 1/2) не распадается из-за сохранения углового момента. Распад протона запрещён законом сохранения ещё одного «заряда», который называют барионным числом (барионное число протона по определению равно 1, а более лёгких частиц – нулю).

С барионным числом связана ещё одна внутренняя симметрия. Точная она или приближённая, стабилен ли протон или имеет конечное, хотя и очень большое время жизни – предмет отдельного разговора.

Кварки – один из типов элементарных частиц. В свободном состоянии они не наблюдаются, а всегда связаны друг с другом и образуют составные частицы – адроны. Единственное исключение – t-кварк, он распадается, не успев объединиться с другими кварками или антикварками в адрон. К адронам относятся протон, нейтрон, π-мезоны, K-мезоны и др.

b-кварк – один из шести типов кварков, второй по массе после t-кварка.

Мюон – тяжёлый нестабильный аналог электрона с массой m_μ = 106 МэВ. Время жизни мюона T_μ = 2∙10⁶ секунды достаточно велико для того, чтобы он пролетал через весь детектор, не распадаясь.

Виртуальная частица отличается от реальной тем, что для реальной частицы выполняется обычное релятивистское соотношение между энергией и импульсом E² = p² c² + m² c⁴, а для виртуальной не выполняется. Такое возможно благодаря квантово-механическому соотношению ΔE∙Δt ~ ћ между неопределённостью энергии ΔE и длительностью процесса Δt. Поэтому виртуальная частица почти мгновенно распадается или аннигилирует с другой (её время жизни Δt очень мало), а реальная живёт заметно дольше или вообще стабильна.

Лэмбовский сдвиг уровней – небольшое отклонение тонкой структуры уровней атома водорода и водородоподобных атомов под действием испускания и поглощения ими виртуальных фотонов или виртуального рождения и аннигиляции электрон-позитронных пар. Эффект обнаружили в 1947 году американские физики У. Лэмб и Р. Резерфорд.