Глава 17. Частица бога

В идеальном случае развиваемые нами представления о мире будут находиться в согласии с положениями физической теории. Однако такое согласие вовсе не обязательно. Когда выявляется противоречие, это значит, что изменяется либо наше представление о мире, либо физическая теория. Обе альтернативы возможны в равной степени.

У. Каспер.

Тяготение – загадочное и привычное

В шестидесятые годы прошлого века Питер Хиггс предположил, что Вселенную наполняет всеобщее поле. Это поле Хиггса определяет массу микрочастиц при взаимодействии с ним, разделяя сильновзаимодействующие частицы на тяжелые, а слабовзаимодействующие – на легкие.

Существование бозонов Хиггса чрезвычайно важно для физики элементарных частиц. Так, недавно физики высказали гипотезу, связывающую инфляционное сверхускоренное расширение новорожденной Вселенной с наличием бозонов Хигг са. Как следствие, квантовые эффекты, вытекающие из этой взаимосвязи, могли бы оказать влияние на микроволновый фон реликтового излучения.

Взаимодействие частиц с полем Хиггса аналогично эффекту движения тела в вязкой жидкости, когда оно за счет взаимодействия с жидкостью приобретает дополнительную эффективную массу. Таким же образом при электромагнитном взаимодействии с атомами кристаллической решетки электрон приобретает эффективную массу, отличную от массы свободного электрона.

Еще академик Сахаров предлагал использовать космологические данные для изучения микромира как замену чисто настольным экспериментам с «божественными частицами» Хигг са. Эта идея получила название программы космомикрофизики.

Бозон Хиггса планируют обнаружить во время экспериментов на Большом адронном коллайдере. БАК – абсолютный рекордсмен среди ускорителей элементарных частиц. Он самый большой, самый точный, самый мощный и, конечно же, самый дорогой научный инструмент. 27-километровый ускоритель чем-то напоминает две гигантские пушки, направленные друг на друга. Стреляют данные научные орудия тяжелыми ядерными частицами – протонами и ионами. Сталкиваясь, эти снаряды-частицы порождают фейерверк иных микрочастиц, среди которых физики надеются встретить необычных незнакомцев. Чем выше энергия столкновения, тем более интересны результаты. Не так давно физики заявили, что уже набрана необходимая статистика данных, чтобы почувствовать бозон Хиггса, что и являлось одной из главных задач постройки этого гигантского научного прибора.

Охота за «божественной частицей» велась без малого полстолетия. Основной проблемой была невозможность в рамках стандартной модели предсказать точную массу бозона Хиггса: чем она выше, тем более высокие энергии нужны для того, чтобы эту частицу обнаружить. Физики с нетерпением ожидали момента, когда энергия пучков БАКа возрастет настолько, что «событие Хиггса» станет возможным… И вот, свершилось!

Международная коллаборация БАКа заявила об открытии частицы Хиггса, или просто хиггсона.

Началась тщательная проверка результатов, и вот, после некоторых колебаний, Нобелевский комитет принял решение присудить самую престижную премию в мире науки Питеру Хиггсу и Франсуа Энглеру, предсказавшим еще в шестидесятые годы прошлого века этот необычный микрообъект, обеспечивающий массу всех других элементарных частиц.

Поле Хиггса пронизывает всю Вселенную. Всплески и рябь «океана Хиггса» и представляют те самые «частицы бога». Все материальные тела вместе с нами плывут по волнам этого безбрежного океана. Именно за счет взаимодействия со средой Хиггса тела становятся массивными. Мы как бы проталкиваемся сквозь эту «среду», а она противодействует движению, тормозя нас. Это очень красивая гипотеза, ее подтверждение бурно праздновали все физики мира.

Важная деталь, часто упускаемая в восторженных репортажах об открытии бозона Хиггса, состоит в том, что эта частица в принципе не наблюдаема. По крайней мере, в диапазоне энергий, достигаемых БАКом. «Частица бога» чрезвычайно неустойчива и распадается на более легкие микрообъекты тотчас после возникновения.

Единственный способ зафиксировать рождение бозона – собрать и проанализировать большой массив информации о столкновениях элементарных частиц.

Наглядно хиггсовский механизм можно изобразить в виде рассыпанных по поверхности пинг-понговых шариков (безмассовых частиц), разлетающихся от порывов ветра. Если их высыпать на водную поверхность, их движение становится связанным. Здесь взаимодействие с жидкостью играет роль вакуумного хиггсовского поля, придающего частицам инертность. А аналогом «частиц бога» будет рябь от дуновения на свободной поверхности воды. Тут надо отметить, что вода мешает любому движению шариков, а поле Хиггса не оказывает влияния на частицы, движущиеся равномерно и прямолинейно, противодействуя лишь их ускорению.

Теория пока еще не позволяет точно установить массу бозона Хиггса. Физики измеряют массы частиц в единицах энергии – электронвольтах, основываясь на известнейшей формуле Эйнштейна: E = mc². Эта формула наглядно показывает, что масса может быть преобразована в энергию, а энергия – в массу. С помощью этого уравнения можно вычислить, сколько энергии будет освобождено, если определенное количество массы преобразовать в энергию.

Справедливости ради нужно напомнить, что в шестидесятых годах гипотезу о существовании нового бозона разрабатывал не только профессор Хиггс. Кроме него гипотезу о том, что Вселенная пронизана незримым полем, состоящим из бозонов – частиц, с помощью которых материя обретает массу, в свое время разрабатывали еще один английский физик и две независимые исследовательские группы из США и Бельгии. Их совместный труд и создал поразительную модель бозонов, наполняющих Вселенную особым полем. В нем микрочастицы фактически прилипают к «божественным бозонам», обретая массивность. В то же время фотоны – кванты электромагнитного излучения – с нулевой массой покоя с бозонами Хиггса не взаимодействуют.

До триумфа теории «божественной частицы» дожили не все ее первооткрыватели. Нет уже в живых бельгийского физика Роберта Браута, соратника Франсуа Энглера. Вместе с Хиггсом на исторической пресс-конференции в ЦЕРНе, где были объявлены первые данные о следах неизвестного бозона, присутствовали и участники третьей группы – американские ученые Джеральд Гуральник, Карл Хаген и британец Том Киббл.

Нобелевский комитет принял поистине соломоново решение, почтив вниманием лишь Хиггса и Энглера, ведь выделить еще одного лауреата из американо-британского коллектива было бы крайне трудно. Не отмечены заслуги и тех, кто руководил и проводил эксперименты на БАКе, а также обрабатывал и анализировал массивы данных. Вероятно, нобелевский комитет надеется, что их вклад будет награжден будущими открытиями. Между тем Хиггс, Энглер и Браут в 2004-м получили премию Вольфа, вторую по престижности после Нобелевской. Еще один американский физик Филип Андерсон уже получил Нобелевскую медаль в 1977 году за теоретическую модель, которую сегодня называют «механизмом Хиггса».

Между тем в ходе экспериментов на БАКе была определена масса «частицы бога». Этот параметр имеет очень важное значение, фактически определяя кривизну нашего мира. При зафиксированной массе «божественной частицы» энергия ее поля, пронизывающего все вокруг, может при определенных условиях просто «свернуть» ее до размеров… футбольного мяча.

В одном известном анекдоте физики каждые 13,7 миллиардолетий (время существования Вселенной) развлекаются тем, что запускают ускоритель, подобный БАКу… Тем не менее еще до начала постройки БАКа то один, то другой ученый, не говоря уже о дилетантах и журналистах, предрекали ужасные катастрофы глобального и даже вселенского масштаба при столкновениях частиц, разогнанных до колоссальной энергии. Не избежала этой участи и концепция «частицы бога».

Надо сказать, что подобные опасения в шутку или всерьез высказал в конце шестидесятых годов прошлого века один из «крестных отцов» бозона Хиггса, ныне покойный профессор Браут. Строя математическую модель Вселенной, пронизанной незримым полем, он натолкнулся на любопытное решение, в котором некоторые микрочастицы могут катастрофически быстро обрастать «божественными частицами», тем самым практически неограниченно обретая массу. Дальше следует хорошо известный и часто обсуждаемый сценарий возникновения множественных черных дыр, которые, сливаясь, превратят всю метагалактику в единый гравитационный коллапсар.

Сегодня к этим страхам добавились еще и «сенсационные» сообщения СМИ. В них всячески обыгрывается информация, что для воссоздания бозонов Хиггса физики пытаются с помощью БАКа создать условия, существовавшие сразу же после Большого взрыва. Однако с тех пор многое изменилось, и известная темная энергия, «расталкивающая» Вселенную, сегодня не сосредоточена в некоей условной точке, а разлита по необъятным космическим просторам. Поэтому нет силы, препятствующей возвращению новорожденной материи обратно в пучину сингулярности.

Несколько более оптимистичный сценарий на суд научной общественности представил американский физик-теоретик Джозеф Ликкен из Фермилаба. Его версия растягивает катастрофические события на многие миллиардолетия, что, впрочем, не меняет конечный результат – гравитационное схлопывание мироздания.

Теория Ликкена лишь несколько приближает неизбежную «кончину» Вселенной, ведь ее ускоренное расширение под действием темной энергии все равно неминуемо приведет к ужасу «Большого разрыва» или альтернативному превращению нашего мира в холодную мертвую пустошь.

В ответ на многочисленные критические замечания доктор Ликкен доказывает, что его космологический сценарий намного более оптимистичный, чем появившиеся гипотезы о нестабильности поля Хиггса. В этом случае дальнейшее расширение пространства в принципе может привести к такой дестабилизации «божественных частиц», что масса будет просто как бы сметена и наш мир в мгновение ока превратится в газ из безмассовых частиц и электромагнитного излучения.

Впрочем, злые языки утверждают, что построения американского теоретика во многом вызваны как многолетней конкуренцией Фермилаба с ЦЕРНом, так и неотмеченным вкладом команды Ликкена в серию экспериментов по «ловле» бозона Хиггса на БАКе. Как бы то ни было, но в список грядущих вселенских катастроф ныне добавилась еще и «нестабильность Хиггса».

При этом объективно надо отметить, что эксперименты на БАКе уже серьезно повлияли на некоторые теории, объясняющие основы мироздания.