Охотники за нейтрино. Захватывающая погоня за призрачной элементарной частицей - Рэй Джаявардхана Страница 41

Поиски бозона Хиггса растянулись на несколько десятилетий и обошлись в несколько миллиардов долларов. Охота за этой частицей началась как довольно невинная затея: в начале 1960-х о ее существовании предположили шестеро физиков, работавших в трех независимых научных группах. По высказанной ими гипотезе, пространство пронизано невидимым силовым полем, благодаря которому некоторые элементарные частицы приобретают массу. Как это часто бывает в фундаментальной физике, данная версия сложилась на основе математических соображений о симметрии в природе. Гипотетическое силовое поле было названо «полем Хиггса» – в честь Питера Хиггса из Эдинбургского университета, одного из шести теоретиков, сформулировавших эту идею. Поле Хиггса является одной из основных составляющих Стандартной модели.

Чтобы непосредственно проверить существование поля Хиггса и определить его свойства, требовалось найти частицу, которая была бы связана с этим полем. В контексте квантовой механики бозон Хиггса можно понимать как вибрацию поля Хиггса. Если этого поля не существует, значит, нет и вибраций; соответственно, обнаружив частицу, можно было бы убедиться и в существовании самого этого поля. Чтобы создать в поле вибрацию, нужно добиться возмущения этого поля – подобно тому, как мы бросаем камень в воду и от него во все стороны расходятся круги. Ученые надеялись, что если сталкивать в ускорителе частицы очень высоких энергий, то в поле Хиггса возникнут достаточно сильные волны и удастся наблюдать бозон Хиггса. К сожалению, теория поля Хиггса не давала экспериментаторам почти никаких зацепок: она не указывала массу бозона Хиггса, поэтому физики и не могли предположить, какова должна быть энергия столкновений, чтобы эту частицу можно было зафиксировать. Некоторые ученые скептически полагали, что бозон Хиггса вряд ли вообще будет когда-нибудь обнаружен. Так, Стивен Хокинг поспорил на $100 с Гордоном Кейном из Мичиганского университета, что найти эту частицу не удастся (Кейн считал, что бозон Хиггса существует).

Обнаружение бозона Хиггса либо опровержение его существования было самой приоритетной задачей БАК – ускорителя частиц, на строительство которого ушло более десяти лет и почти $9 млрд. Над созданием ускорителя работали тысячи ученых и инженеров. Неудивительно, что, когда CERN объявил о конференции, запланированной на 4 июля 2012 г., многие предвкушали, что на этом мероприятии наконец-то будет объявлено об обнаружении неуловимой частицы. Сотни людей еще ночью начали выстраиваться в очередь, чтобы успеть занять место в аудитории. Журналисты писали, что атмосфера в лаборатории была как на рок-концерте. На конференции были представлены результаты двух экспериментов, поставленных на БАК, причем в обоих множествах данных просматривались хорошо заметные всплески над общим фоном. Эти всплески возникали, когда энергия столкновений достигала около 125 ГэВ (гигаэлектронвольт); то есть наблюдаемая частица была примерно в 130 раз массивнее протона. Исследователи практически не сомневались, что такие толчки свидетельствуют об открытии бозона Хиггса.

Питер Хиггс, которому на тот момент было уже за восемьдесят, был приглашен на конференцию в качестве почетного гостя; другими почетными гостями были еще два физика-теоретика, предсказавшие существование этой частицы. Присутствующие заметили, что Хиггс даже украдкой смахивал слезы радости. «Ждать пришлось действительно долго, – признавался он спустя пару дней на пресс-конференции в Эдинбурге, – сначала я и помыслить не мог, что доживу до этого открытия, ведь мы почти не представляли, какую массу может иметь эта частица и, соответственно, насколько мощные машины понадобятся, чтобы ее открыть». Стивен Хокинг расплатился с Гордоном Кейном. Как и многие другие физики, Хокинг согласился, что обнаружение бозона Хиггса стало важнейшей вехой в истории физики. Однако в интервью каналу Би-би-си он оговорился и об обратной стороне этого открытия: «Жаль, поскольку крупные прорывы в физике достигаются в экспериментах, дающих неожиданные результаты».

Детектор ATLAS. На нем был поставлен один из двух экспериментов БАК, подтвердивший существование бозона Хиггса (CERN)

С тех пор как было впервые объявлено об открытии бозона Хиггса, на БАК удалось получить и новые результаты, развеявшие всякие сомнения в существовании этой частицы. Ученые тщательно исследуют все данные, которые могут свидетельствовать о малейших аномалиях и, соответственно, подвести нас к открытию еще не известных феноменов. Так, не исключено, что существует не одна, а несколько разновидностей частицы Хиггса. Правда, как жаловался Хокинг, пусть обнаружение бозона Хиггса в определенном смысле и является кульминацией долгого, напряженного и захватывающего пути, оно не открывает нам новых горизонтов, так как, в сущности, просто подтверждает теоретические прогнозы. Стивен Вайнберг из Техасского университета в Остине, один из создателей Стандартной модели, выразился так: «Бозон Хиггса – последний недостающий элемент Стандартной модели, однако он не позволяет нам выйти за ее пределы».

Именно поэтому все больше физиков вновь обращаются к исследованию неуловимых нейтрино, поскольку эти частицы могут вывести нас к новой физике, за пределы уже исследованной физической реальности. Например, Стандартная модель в исходной формулировке предполагает, что нейтрино не имеют массы. Следовательно, как мы уже обсуждали в главе 5, было удивительно узнать, что нейтрино могут менять аромат, так как для этого они должны обладать очень малой, но ненулевой массой. Рассуждая о массе нейтрино, Вайнберг сказал: «Это единственный известный факт из физики элементарных частиц, указывающий, что физика не ограничивается Стандартной моделью. Но эту подсказку мы пока не в силах интерпретировать».

Георг Раффельт из Института физики им. Макса Планка в Мюнхене вторит Вайнбергу: «Физики-теоретики полагали, что нулевая масса нейтрино – это очевидный факт. Природа нас обставила». Он поделился со мной этими мыслями, когда мы обсуждали физику, выходящую за рамки Стандартной модели.

«Открытие того, что нейтрино могут осциллировать и менять аромат, поистине дает нам новые перспективы, новое направление исследований», – добавляет Вайнберг. Во многом именно по этой причине физика нейтрино, в которой лет двадцать назад царило глубокое затишье (лишь некоторые ученые продолжали работать в этой области), сейчас переживает новый бурный расцвет. Сегодня исследованием этих призрачных частиц заняты более тысячи ученых.

Физики очертили пределы, в которых может находиться масса нейтрино, но еще не измерили ее. По имеющимся данным, нейтрино должны быть как минимум в миллион раз легче электронов. По мнению Андре Де Говея из Северо-Западного университета в Чикаго, сам этот факт загадочен в контексте Стандартной модели. Де Говея отмечает: «Ноль можно было бы понять, но эти частицы все-таки обладают минимальной массой – вот что удивительно». Физики-теоретики уже заняты разработкой дополнения для Стандартной модели, так называемого «механизма качелей», который, возможно, позволит объяснить, почему масса нейтрино настолько меньше массы других элементарных частиц. Но чтобы этот механизм сработал, у знакомых нам легких нейтрино должны быть массивные аналоги. Вполне возможно, что такие гигантские аналоги нейтрино образовались сразу же после Большого взрыва и существовали какое-то время, когда Вселенная была гораздо жарче и гуще, чем сейчас. Однако, скорее всего, такие антинейтрино быстро распались на другие элементарные частицы.