Текст книги "Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира"

Уходим от нуля

Поля в каждой точке пространства характеризуются некими величинами. В пустом пространстве эти величины, как правило, равны нулю. Под «пустым» мы подразумеваем то, что оно «настолько пустое, насколько возможно», или – более конкретно – «с минимальным возможным значением энергии». Согласно этому определению, в действительно пустом пространстве такие поля, как гравитационное и электромагнитное, принимают нулевое значение. Если они имеют ненулевое значение, значит, в них запасена энергия, и, следовательно, пространство уже не пустое. Конечно, согласно принципу неопределенности квантовой механики, во всех полях имеются крошечные колебания, но эти колебания происходят вокруг некоторого среднего значения, обычно равного нулю.

Поле Хиггса не такое. Хотя оно и напоминает другие поля и тоже может быть нулевым или принимать некоторое другое значение, поле это не хочет быть равным нулю – оно хочет принять определенное постоянное ненулевое значение везде во всей Вселенной. Энергия поля Хиггса имеет меньшую величину при ненулевом значении поля, чем при нулевом.

В результате пустое пространство оказывается заполненным полем Хиггса. Не сложным набором колебаний, которым соответствует набор отдельных бозонов Хиггса, а именно постоянным полем, составляющим постоянный фон. Это то самое вездесущее поле, которое есть в каждой точке Вселенной и которое делает слабое взаимодействие таким, как оно есть, и наделяет элементарные частицы-фермионы массой. Бозон Хиггса, обнаруженный на БАКе, является колебанием этого поля вокруг среднего значения.

Поскольку частица Хиггса бозон, она связана с силой природы. Две массивные частицы могут пролететь друг мимо друга и провзаимодействовать с помощью обмена бозонами Хиггса точно так же, как две заряженные частицы могут взаимодействовать друг с другом путем обмена фотонами. Но не сила Хиггса наделяет частицы массой, и не вокруг нее поднят весь этот шум. Поле Хиггса, присутствующее везде в качестве фона, – вот что дарит частицам массу. Именно оно обеспечивает среду, через которую движутся другие частицы, и в процессе этого движения влияет на их свойства.

Бозон Хиггса. Основная разница между полем Хиггса и другими полями в том, что его среднее значение в вакууме не равно нулю. Во всех полях из-за имеющихся в квантовой механике соотношений неопределенности возникают малые колебания. Большие колебания воспринимаются нами как частицы.

Перемещаясь в пространстве, мы оказываемся окружены полем Хиггса и движемся в нем. Подобно рыбе, плывущей в воде, мы обычно не замечаем этого поля, но именно оно привносит в Стандартную модель всю присущую ей таинственность.

Промежуточные итоги

Существует большая, глубокая и сложная физика, связанная с концепцией бозона Хиггса. Но прямо сейчас просто подытожим наши познания о том, как поле Хиггса работает и почему оно столь важно. Приступим сразу.

• Мир состоит из полей, пронизывающих все пространство, эти поля мы ощущаем по их колебаниям, которые воспринимаются нами как частицы. Большинство знакомо с электрическими и гравитационными полями, но в соответствии с квантовой теорией поля даже такие частицы, как электроны и кварки, на самом деле представляют собой колебания соответствующих полей.

• Бозон Хиггса есть колебание поля Хиггса, так же как фотон – колебание электромагнитного поля.

• Четыре известные силы природы порождаются разного рода симметриями – то есть изменениями, которые мы можем внести в ситуацию, не повлияв принципиально на результат. (На первый взгляд кажется нелепым, что «изменения, которые не влияют на результат», приводят непосредственно к появлению «силы природы «…но это так, и это было одним из поразительных открытий физики XX века.)

• Симметрия иногда бывает скрытой и потому невидимой для нас. Физики часто говорят, что скрытые симметрии «нарушены», но все еще присутствуют в основных законах физики – просто они завуалированы в нашей каждодневной жизни.

• В частности, слабое ядерное взаимодействие вытекает из определенного вида симметрии. Если бы эта симметрия была ненарушенной, элементарные частицы не имели бы массу и все летали бы со скоростью света.

• Но большинство элементарных частиц имеют массу и не летают со скоростью света, значит, симметрия слабых взаимодействий нарушена.

• Если пространство абсолютно пусто, это означает, что большинство полей выключено, то есть равно нулю. Если поле не равно нулю в пустом пространстве, оно может нарушить какую-нибудь симметрию. В случае слабых взаимодействий эту работу выполняет поле Хиггса. Без него Вселенная была бы совершенно другой.

Ну как, понятно? Признаться, все это действительно трудно сразу воспринять. Но, поверьте мне, все встанет на свои места, когда мы закончим путешествие по остальным главам.

Следующие главы будут посвящены обсуждению идей, которые объясняют механизм Хиггса и методики, использованные при экспериментальных поисках бозона Хиггса. Начнем мы с краткого обзора частиц и сил, укладывающихся в стройную конструкцию Стандартной модели, затем проследим, какие хитроумные приемы применяют физики, чтобы открыть новые частицы, как они используют новейшие технологии и смекалку. Затем опять вернемся к теории, дабы разобраться в полях, симметриях и в том, как поле Хиггса прячет от нас симметрии. И наконец, я расскажу, как бозон Хиггса был обнаружен, как новость об этом облетела мир, кто получил награду и что это значит для будущего.

Становится понятным, почему Леон Ледерман полагал, что название «частица Бога» очень подходит бозону Хиггса. Этот бозон является скрытым элементом машинерии, с помощью которой Вселенная показывает нам фокус, раздавая разным частицам разные массы и делая физику элементарных частиц такой интересной. Без бозона Хиггса замысловатое разнообразие Стандартной модели свелось бы к безликому набору очень похожих частиц без определенных свойств, а все фермионы оказались бы практически безмассовыми. В такой Вселенной не было бы ни атомов, ни химии, ни нас. Бозон Хиггса – это то, что вдохнуло во Вселенную жизнь в самом прямом смысле слова. Если бы требовалось выбрать единственную частицу, заслуживающую такого высокого звания, без сомнения, это был бы бозон Хиггса.

Глава 3
Атомы и частицы

Мы разрываем материю на части, чтобы найти основные кирпичики, из которых она построена, – кварки и лептоны.

В начале 1800-х годов немецкий терапевт Самуэль Ганеман заложил основы гомеопатии. Разочаровавшись в эффективности методов тогдашней медицины, Ганеман разработал новый подход, основанный на принципе «лечения подобного подобным». Ганеман утверждал, что лечить болезнь можно в первую очередь с помощью субстанции той же природы, что и субстанция, вызвавшая данный недуг, нужно только ее правильно приготовить. Способ приготовления назывался потенцированием и состоял в последовательном разбавлении вещества водой и энергичного встряхивания раствора после каждого акта разбавления. Обычно при разбавлении смешивают одну часть вещества с 99 частями воды. Гомеопатические препараты так и готовятся: разбавляют, встряхивают, еще раз разбавляют, еще раз встряхивают, и так 200 раз.

Недавно Криспиан Яго – профессиональный консультант по программному обеспечению и по совместительству член общества скептиков-любителей из Хемпшира – решил публично продемонстрировать нелепость гомеопатии как медицинского метода. Для этого он решил применить метод последовательного разбавления, использовав легкодоступное вещество – собственную мочу. Полученный раствор он затем выпил. Поскольку он был не очень терпеливым, то разбавлял мочу только 30 раз. Для наукообразности он назвал мочу не «мочой» (urine), а «писой» (piss), а затем заявил, что разработал лекарство для лечения состояния «being pissed», что переводится либо как «быть рассерженным» (на американском английском), либо как «быть пьяным» (на британском английском). И естественно, выложил эти результаты для широкого обозрения в виде скандального видеоролика на сайте YouTube.

У Яго были веские причины не переживать из-за того, что придется пить мочу, разведенную 30 раз в соотношении 1:99, поскольку к тридцатому разведению полученный таким образом раствор вообще не содержал первоначального вещества. Не просто «незначительного количества», а на самом деле ничего – конечно, если процесс разведения был проделан достаточно аккуратно.

Объясняется это тем, что все в окружающем нас мире – моча, алмазы, картофель-фри, действительно все – состоит из атомов, как правило, объединенных в молекулы. Эти молекулы – самые мелкие кирпичики вещества, которые все еще можно считать частичками этого вещества. По отдельности два атома водорода и один атом кислорода – только атомы, в соединении друг с другом в молекуле они становятся водой.

Поскольку все вещества состоят из атомов и молекул, мы не можем разбавлять вещество бесконечно и считать, что оно все еще сохраняет свою идентичность. Чайная ложка мочи содержит примерно 10²⁴ молекул. Если мы один раз ее разбавим, смешав 1 часть мочи с 99 частями воды, у нас останется 10²² молекул мочи. Разведем два раза, и у нас останется 10²⁰ молекул. К тому времени, когда мы разбавим двенадцать раз, в ложке раствора останется в среднем только одна молекула исходного вещества. А дальше идет обычное очковтирательство – просто смешивается вода с еще большим количеством воды. Приблизительно за 40–50 разведений мы смогли бы разбавить до одной молекулы все вещество известной Вселенной.

Поэтому когда Яго закончил процедуру и сделал свой показательный глоток, вода, которую он пил, была столь же чиста, как и вода из крана. Сторонники гомеопатии, конечно, знают все это, но считают, что молекулы воды сохраняют «память» о любом веществе, первоначально в ней растворенном, а приготовленный таким образом раствор даже действеннее, чем первоначальное вещество. Это не соответствует всему, что мы знаем из физики и химии, да и клинические испытания гомеопатических препаратов показывают, что их эффективность в борьбе с болезнью не выше, чем у плацебо.

Однако людям часто свойственно не доверять фактам. А ведь один из самых замечательных фактов – это то, что вещество состоит из атомов и молекул. И кроме того, для создания многообразия всего, существующего в нашем наблюдаемом мире, требуется лишь несколько фундаментальных элементарных частиц, способных образовывать различные комбинации.

На первый взгляд «зоопарк» частиц выглядит сложным и устрашающим, но на самом деле существует всего двенадцать частиц вещества, которые распадаются точно на две группы по шесть: кварки, которые участвуют в сильных ядерных взаимодействиях, и лептоны, которые этого не делают. История открытия элементарных частиц – это удивительная история, длившаяся столетие: начиная с обнаружения электрона в 1897 году и до открытия последнего элементарного фермиона (тау-нейтрино) в 2000 году. Здесь мы проведем краткую экскурсию по «зоопарку», а более подробное описание частиц и их характеристики приведем в Приложении 2. Когда все разложится по полочкам, мы будем иметь относительно простой набор частиц, из которых сделано все остальное.

Изображения атомов

Все видели схематические изображения атомов. На этих рисунках атомы похожи на крошечные солнечные системы: в центре – ядро, а вокруг него, каждый по своей орбите, вращаются электроны. Эта схема используется в качестве логотипа Комиссии по атомной энергии США. Однако на самом деле такое изображение атома – искусный обман.

Эта картинка – по сути модель атома Бора, названная в честь датского физика Нильса Бора, использовавшего в определении структуры атома идеи квантовой механики. До этого была принята другая модель атома, предложенная Эрнестом Резерфордом, английским физиком, уроженцем Новой Зеландии. В модели атома Резерфорда электроны вращались вокруг ядра на самых разных расстоянии, подобно планетам в реальной Солнечной системе (с той разницей, что на электроны действует электромагнитная сила, а не сила тяжести). Бор модифицировал эту идею, внеся ограничение, согласно которому электроны могут находиться только на определенных орбитах, и это явилось крупным шагом вперед в объяснении экспериментальных данных, касающихся спектров атомов. Теперь мы знаем, что электроны на самом деле вообще не «вращаются», потому что они в реальности не имеют точного «положения» или «скорости». Квантовая механика говорит, что электрон существует в виде облака вероятности, называемого «волновой функцией», которая показывает, где мы могли бы обнаружить частицу, если бы принялись ее искать.

Схематическое изображение атома, в данном случае атома гелия. Ядро расположено в центре и состоит из двух протонов и двух нейтронов, а два электрона «вращаются» на некотором расстоянии вокруг него.

Со всеми этими оговорками, если мы хотим получить лишь некоторое интуитивное представление о том, что в атоме происходит, сложившееся у нас в голове схематичное представление о том, как он выглядит, не так уж плохо. Ядра в центре, электроны на окраинах. Электроны относительно легкие, больше 99,9 % всей массы атома находится в ядре, а ядро состоит из смеси протонов и нейтронов. Нейтроны немного тяжелее, чем протоны, – нейтрон тяжелее электрона примерно в 1842 раза, а протон – примерно в 1836 раз. И протоны, и нейтроны называются «нуклонами», поскольку являются частицами, входящими в состав ядер. Оба нуклона удивительно похожи друг на друга, только вот протон имеет электрический заряд, а нейтрон – нейтрален, и, как уже было сказано, чуть-чуть тяжелее.

Подобно многим вещам в нашей жизни, строение атома определяется тончайшим балансом сил. Электроны притягиваются к ядру электромагнитной силой, которая гораздо сильнее, чем сила тяжести. Электромагнитное притяжение между электроном и протоном примерно в 10³⁹ раз сильнее гравитационного притяжения между ними. Но в то время как гравитация – вещь простая (всё притягивает всё), электромагнитное взаимодействие является более хитрым. Нейтроны получили свое название потому, что они нейтральны, то есть вообще не имеют электрического заряда. И следовательно, электромагнитное взаимодействие между электроном и нейтроном равно нулю.

Частицы с одноименным электрическим зарядом отталкиваются друг от друга, в то время как противоположности, в соответствии с романтическими клише, притягиваются. Электроны притягиваются к протонам, находящимся внутри ядра, поскольку электроны отрицательно заряжены, а протоны – положительно. Но тогда возникает вопрос: почему упакованные так плотно внутри ядра протоны не отталкивают друг друга? Дело в том, что их взаимное электромагнитное отталкивание действительно существует, но оно значительно слабее, чем сильное ядерное взаимодействие. Электроны не чувствуют этого сильного взаимодействия (как нейтроны не чувствуют электромагнитного), а вот протоны и нейтроны его очень даже чувствуют, и именно поэтому могут объединяться друг с другом и образовывать атомные ядра. Однако только до определенного предела. Если ядро становится слишком большим, электрическое отталкивание усиливается настолько, что протонам уже трудно удержаться вместе, и ядро приобретает радиоактивные свойства: оно поживет еще какое-то время, а потом распадется на меньшие ядра.

Антиматерия

Все, что вы видите вокруг прямо сейчас, или видели своими глазами, или слышали своими ушами, а также воспринимали с помощью любого из органов чувств когда-либо прежде, – все это составлено из электронов, протонов и нейтронов, на которые действуют три силы – гравитация, электромагнетизм и ядерная сила. Последняя удерживает вместе протоны и нейтроны в ядрах атомов. В начале 1930-х годов был открыт нейтрон, и физикам стала известна вся троица этих частиц – электроны, протоны и нейтроны. В то время, должно быть, трудно было не поддаться искушению и не поверить, что эти три фермиона – действительно самые важные, фундаментальные ингредиенты Вселенной, то есть основные блоки конструктора «Лего», из которых все строится. Но у природы было припасено для нас еще несколько сюрпризов.

Первым, кто понял в общих чертах, как ведут себя фермионы, стал английский физик Поль Дирак. В конце 1920-х годов он вывел уравнение, описывающее поведение электрона. Физикам понадобилось много времени, чтобы понять эту работу Дирака. Непосредственным следствием уравнения Дирака является наличие у каждого фермиона частицы противоположного вида, названной античастицей. Частицы антивещества имеют точно такую же массу, что и их визави из вещества, но противоположный электрический заряд. Когда частицы и античастицы встречаются вместе, они, как правило, аннигилируют с высвобождением энергии, и если мы сможем собрать вместе некоторое количество частиц антиматерии, это даст нам (теоретически) отличный способ запасти энергию. Эта идея породила множество сюжетов в научно-фантастической литературе на тему ракетных двигателей, работающих на антивеществе.

Теория Дирака блестяще подтвердилась в 1932 году, когда американский физик Карл Андерсон открыл позитрон – античастицу электрона. Существует строгая симметрия в отношениях между материей и антиматерией. Однако сегодня мы знаем, что вся та Вселенная, которую мы можем наблюдать, заполнена именно веществом и содержит очень мало антивещества. Почему Вселенная должна быть именно такой, остается для физиков загадкой, впрочем, у нас есть на этот счет целый ряд многообещающих идей.

Андерсон изучал космические лучи – частицы высокой энергии, прилетающие из космоса в атмосферу Земли. Там они сталкиваются с частицами атмосферы, и при этом рождаются другие частицы, часть которых устремляется к поверхности Земли, к нам. Таким образом, земная атмосфера играет роль гигантского естественного детектора частиц.

Чтобы получить изображения треков заряженных частиц, Андерсон использовал удивительный прибор – «облачную камеру» (или «конденсационную камеру», некий аналог «камеры Вильсона»). Это удачное название, так как основной принцип можно понять, наблюдая за тем, что происходит в реальных облаках. Вы заполняете камеру перенасыщенным водяным паром, причем «перенасыщенный» означает, что водяной пар действительно готов превратиться в капельки воды, но еще не в состоянии это сделать без какого-либо внешнего толчка. В обычном облаке таким толчком обычно служит некоторая частичка примеси вроде пылинки или кристаллика соли. В физическом приборе – «облачной камере» – такой инициатор конденсации появляется, когда в нее прилетает заряженная частица. Частица сталкивается с атомами внутри камеры, выбивает из них электроны, образуя на своем пути ионы. Эти ионы служат центрами кристаллизации, на которых конденсируются крошечные капельки воды. Таким образом, пролетающая заряженная частица будет оставлять за собой след из капель, похожий на инверсионный след самолета, позволяющий нам увидеть его путь.

Андерсон поместил свою «облачную камеру» внутрь мощного магнита высотой со здание аэронавтики в Калифорнийском технологическом институте (Калтехе) и стал наблюдать за треками (следами) космических лучей. Получение перенасыщенного до нужной степени пара внутри камеры требовало быстрого (адиабатического) снижения давления, что достигалось при падении поршня, сопровождаемого громким хлопком. Камеру включали только по ночам, поскольку она потребляла огромное количество электроэнергии, и тогда громкие удары поршня будили жителей Посадену, сообщая во всеуслышание, что ученые не покладая рук трудятся над раскрытием тайн Вселенной.

Изображение треков в облачной камере, с помощью которой Карл Андерсон открыл позитрон. Траектория позитрона – искривленная линия, которая начинается вблизи дна, пересекает пластинку свинца, расположенную посередине камеры, продолжается в верхней половине и тянется к потолку камеры, но там трек уже имеет большую кривизну.

На фотографиях, сделанных Андерсоном, обнаружилось равное количество пролетающих через камеру частиц, чьи треки закручивались по и против часовой стрелки. Легко предположить, что в космических лучах содержалось равное количество протонов и электронов. И действительно, скорее всего, именно этого можно было ожидать, поскольку отрицательно заряженные частицы не могут быть созданы без положительных, иначе нарушился бы баланс. Но у Андерсона в эксперименте был еще один экспериментальный параметр, который он также внимательно проанализировал, – толщина ионного следа в «облачной камере». Андерсон понял, что если треки, оставленные положительными частицами, образованы протонами, которые движутся сравнительно медленно (в данном контексте это означает, что их скорость ниже, чем 95 % скорости света), то они, эти треки, должны быть шире, толще, чем те, что наблюдались в эксперименте. Оказалось, таинственные частицы, пролетавшие через камеру, были положительно заряженными, как протоны, но такими же легкими, как электроны.

С точки зрения логики, имелась еще одна возможность – эти треки могли принадлежать электронам, движущимся в обратном направлении. Чтобы проверить такую возможность, Андерсон вставил в камеру пластину свинца, делящую ее пополам. Частица, перелетающая сквозь свинцовую пластину из первой половины камеры во вторую, должна была бы слегка замедлиться, и это четко указало бы направление ее движения. На знаменитом снимке, вошедшем в историю физики элементарных частиц, мы видим закрученный в направлении против часовой стрелки след частицы в облачной камере, прошедшей через свинец, и замедлившейся после этого.

Так был открыт позитрон. Известные гуру теории поля – Эрнест Резерфорд, Вольфганг Паули и Нильс Бор – сначала не поверили в позитрон, но красивый эксперимент всегда одерживает верх над теоретической интуицией, какой бы блестящей она ни была. С этих пор идея антиматерии вошла в мир физики элементарных частиц навсегда.