Бозон Хиггса. От научной идеи до открытия «частицы Бога» - Джим Бэгготт

Помимо бозона Хиггса, еще оставалось открыть таунейтрино. О его открытии Фермилаб объявил через пять лет, 20 июля 2000 года. Тогда появилась возможность составить порядок слабых взаимодействий, меняющих один аромат кварка на другой (см. рис. 22).

Еще оставалась какая-то надежда, что Тэватрон или БЭП обнаружат бозон Хиггса, и потому они работали на пределе своих возможностей. Проблема была в том, что невозможно было точно предсказать массу бозона Хиггса. В отличие от частиц W и Z физики не очень понимали, где его искать.

В основном считалось, что бозон должен иметь массу порядка 100–250 ГэВ. Его можно было обнаружить по каналам распада, при котором, как полагали, образуются пары из прелестного кварка и антикварка в связи с истинным и прелестным кварками, двумя высокоэнергетическими фотонами, парами Z-частиц, которые бы, в свою очередь, распались на четыре лептона (электроны, мюоны и нейтрино), пары W-частиц и пары тау-лептонов.

БЭП был мощным и универсальным коллайдером, но его эксплуатационный срок подходил к концу, и его планировали остановить в сентябре 2000 года.

Рис. 22

Преобладают следующие пути распада слабого взаимодействия, меняющие аромат кварков: нижний→верхний, странный→верхний, очарованный→странный, нижний→очарованный и верх ний→нижний. Пунктиром также показаны два менее вероятных пути распада: очарованный→нижний и нижний→верхний. Верхние переходы происходят с испусканием частицы W—, которая распадается на лептон (например, электрон) и соответствующее антинейтрино. Нижние переходы происходят с испусканием частицы W+, которая распадается на антилептон (например, позитрон) и соответствующее нейтрино

В последней отчаянной попытке найти бозон Хиггса физики ЦЕРНа нагрузили коллайдер сверх его возможностей. Он достиг расчетной энергии пучка 45 ГэВ (что дает энергию электрон-позитронных столкновений 90 ГэВ) в августе 1989 года. Благодаря модернизации энергия столкновения возросла до 170 ГэВ, что дало возможность генерировать пары W-частиц. Летом 2000 года благодаря новым модификациям энергия столкновения превысила 200 ГэВ.

15 июня 2000 года физик ЦЕРНа Никос Константинидис изучал некое событие, зарегистрированное накануне детектором ALEPH[145]. Он показал четыре кварковых струи, две из которых возникли после распада Z-частицы. Другие две струи казались продуктом распада более тяжелой частицы с массой порядка 114 ГэВ.

В глазах всего мира она выглядела, как бозон Хиггса.

Конечно, одно событие еще не было открытием, но за ним вскоре последовало еще два события, зарегистрированные детектором ALEPH, и два события, зарегистрированные вторым детектором – DELPHI[146]. Этого по-прежнему не хватало, чтобы заявить об открытии, но хватило, чтобы убедить генерального директора ЦЕРНа Лучано Майани подождать с приговором БЭПу до 2 ноября. Когда L3, третий детектор, зарегистрировал событие иного рода, которое было похоже на распад бозона Хиггса на Z-частицу, распавшуюся затем на два нейтрино, казалось, что ЦЕРН стоит на пороге одного из величайших открытий физики высоких энергий с тех самых пор, как в 1964 году был предсказан бозон Хиггса.

Физики ЦЕРНа уговаривали дать БЭПу поработать еще полгода. Майани как будто склонялся выполнить их просьбу, но, встретившись несколько раз с главными исследователями и как следует все обдумав, он в конце концов решил, что данных недостаточно для того, чтобы оправдать возможную задержку строительства Большого адронного коллайдера. Невозможно было сделать плавный переход, легко переключиться с БЭПа на БАК, так как это требовало долгого времени. Чтобы построить БАК, туннель, где размещался БЭП, нужно было полностью опустошить. Майани считал, что у него нет иного выбора, кроме как закрыть БЭП. Сотрудники ЦЕРНа узнали о его решении из пресс-релиза.

Многие физики были убеждены, что они очень близки к эпохальному открытию, и то, как повел себя Майани в такой ситуации, у них оставило чувство горечи. Однако, когда они скрупулезно проанализировали события, вероятность, что они действительно свидетельствовали о бозоне Хиггса, стала еще меньше. «Я понимаю раздражение и печаль тех, кому казалось, что бозон Хиггса уже у них в руках, – писал Майани в феврале 2001 года, – и кто опасается, что пройдут годы, прежде чем их труд найдет подтверждение»[147].

Единственный вывод, который могли сделать физики, – это что масса бозона Хиггса должна быть больше 114,4 ГэВ, вероятно около 115,6 ГэВ.

После открытия истинного кварка и тау-нейтрино коллекция элементарных частиц, составляющих Стандартную модель, была собрана полностью. Физики оказались в беспрецедентной ситуации, когда у них не осталось экспериментальных данных, которые не укладывались бы в предсказания теорий. И тем не менее у теоретиков было еще много работы.

Большие недостатки Стандартной модели бросались в глаза с самого момента ее создания. Модель должна учитывать весьма настораживающее количество фундаментальных или элементарных частиц. Эти частицы соединяются в структуре, для которой требуются двадцать параметров, но их нельзя вывести из теории, а можно только измерять. Из этих двадцати параметров двенадцать должны точно указывать массы кварков и лептонов, а три – силу взаимодействия между ними.

Вдобавок есть проблема и с массой самого бозона Хиггса. Бозон приобретает массу через так называемые петлевые поправки, которые учитывают его взаимодействия с виртуальными частицами. Петлевые поправки с участием более тяжелых частиц, таких как виртуальный истинный кварк, означают, что бозон Хиггса гораздо массивнее, чем должен быть, чтобы нарушить электрослабую симметрию так, как от него требует теория. В итоге теория предсказывает гораздо более слабое взаимодействие, чем оно есть на самом деле. Это называют проблемой иерархии.

К тому же, несмотря на в общем успешное объединение слабого и электромагнитного взаимодействия, осуществленное Глэшоу, Вайнбергом и Саламом, теория структуры SU(3) × SU(2) × U(1) поля Янга – Миллса, составляющая Стандартную модель, отнюдь не является абсолютно единой теорией фундаментальных взаимодействий.

В отсутствие экспериментальных указаний у теоретиков не осталось выбора, кроме как руководствоваться красотой и следовать за своей интуицией в поиске теорий, которые бы вышли за рамки Стандартной модели и объяснили законы природы на еще более фундаментальном уровне.

Помимо теорий великого объединения типа теории Джорджи – Глэшоу, существует еще один подход к объединению, который в начале 1970-х предложили теоретики в Советском Союзе и независимо открыли в 1973 году физики ЦЕРНа Юлиус Весс и Бруно Зумино. Он называется суперсимметрией. Есть много разновидностей теорий суперсимметрии, но одна из самых простых, впервые предложенная в 1981 году и названная минимальной суперсимметричной Стандартной моделью (МССМ), включает в себя «супермультиплеты», соединяющие частицы материи (фермионы) с бозонами, частицами – переносчиками взаимодействия.

В теориях суперсимметрии уравнения инвариантны относительно замены фермионов на бозоны и наоборот. Сами разнообразные свойства и поведение фермионов и бозонов в физике, которые мы наблюдаем сегодня, должны в таком случае быть следствием нарушения или скрытия этой суперсимметрии.

Одним из следствий этой суперсимметрии более высокого порядка является увеличение числа частиц. На каждый фермион теория предсказывает соответствующий суперсимметричный фермион (который называется сфермион), который на самом деле бозон. Иными словами, на каждую частицу Стандартной модели теория требует существования массивного суперсимметричного партнера со спином, отличающимся на 1/2. Партнер электрона называется сэлектрон (сокращение от «скалярный электрон»). У каждого кварка есть партнер в виде соответствующего скварка.

Кроме того, у каждого бозона Стандартной модели есть соответствующий симметричный бозон, который называется бозино, и на самом деле он фермион. Суперсимметричные партнеры фотона и частиц W и Z называются фотино, вино и зино.

Одно из преимуществ МССМ заключается в том, что она решает проблему бозона Хиггса. В МССМ петлевые поправки, из-за которых раздувается масса бозона Хиггса, компенсируются отрицательными поправками, проистекающими из взаимодействий с участием виртуальных суперсимметричных частиц. Например, увеличение массы бозона Хиггса благодаря взаимодействию с виртуальным истинным кварком компенсируется взаимодействием с виртуальным истинным скварком. Эта компенсация стабилизирует массу Хиггса и, следовательно, слабое взаимодействие. Чтобы этот механизм работал, МССМ требуются пять бозонов Хиггса с разной массой. Три из них нейтральны, а два переносят электрический заряд.

МССМ устраняет и еще один недостаток Стандартной модели. Как показали Вайнберг, Джорджи и Куинн в 1974 го ду, сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия Стандартной модели становятся почти равными на высоких энергиях. Однако они не становятся абсолютно равными, как можно было бы ожидать в полностью объединенной теории поля электроядерного взаимодействия. МССМ предсказывает, что силы трех взаимодействий сойдутся в одной точке (см. рис. 23).