Физиците от CERN почти откриха - божествената - наука и технология на Хигс бозона
Физиците от CERN почти откриха "божествения" Хигс бозон
Хигс механизъм
Преди да преминем към обсъждане на самото откритие, е необходимо да си припомним какво представлява бозонът на Хигс и защо е толкова важен. Повече или по-малко подробно за историята на проблема и Стандартния модел "Lenta.ru" вече е писал. Накратко, след обединяването на електромагнитните и слабите взаимодействия в една обща теория през 60-те години на миналия век възникна въпросът защо фотонът, носител на първото взаимодействие, няма маса, докато Z- и W-бозоните, носителите на слабото взаимодействие, имат точно тази маса и при това тя е доста осезаема. Въпросът не възникна от нулата - теорията предвиждаше, че всички частици трябва да са безмасови.
Както се оказа, за това съществуващата теория трябваше да бъде коригирана. Физиците Франсоа Енглерт, Карл Хаген, Джералд Гуралник и Питър Хигс са предложили как да стане това. Така нареченото поле на Хигс изигра ключова роля в тази редакция. Тъй като в квантовата механика е прието, че всички взаимодействия се случват на малки порции, кванти, това поле също трябва да има свой собствен квант, който се нарича бозон на Хигс. Бозонът в името означава, че свойствата на тази частица се описват от така наречената статистика на Бозе-Айнщайн (освен тази статистика съществува и статистиката на Ферми-Дирак, която описва фермиони - например кварки). От частиците, повече или по-малко известни извън научната общност, бозоните включват например фотоните.
Как работи полето на Хигс? През годините на изучаване на този обект са създадени много прости, с различна научна строгост обяснения "на пръсти". Ще използваме един от тях, изобретен в началото на 90-те (не най-строгият, но доста визуален) - тогаваБританският министър на науката Уилям Уолдгрейв стартира състезание за писане на кратки обяснения от половин страница на ефекта на бозона на Хигс (някои от които са отлични). И така, нека си представим стая, пълна с хора, например по време на парти. Хората не стоят твърде плътно, тоест всеки новодошъл може лесно да се движи из стаята.
Представете си сега такъв гост, който се движи през тълпата. Ако нашият гост е известен или просто хубав човек, тогава около него ще има тълпа от хора. Поради това скоростта на движение на този гост ще бъде значително по-ниска от тази на непознат тих човек. В известен смисъл нашият гост взаимодейства с тълпата и това взаимодействие характеризира колко лесно е за него да минава през хората. Самите гости обаче също могат да се обединяват в групи - например, ако определен слух се разпространява в тълпата, тогава хората ще го предават един на друг, в резултат на което ще бъде възможно да се наблюдава движението на определена плътност от хора през тълпата. В същото време, отвън, такава група гости, които обсъждат нещо, няма да се различават много от група хора, които са останали около нов гост (само, но без самия гост).
В тази аналогия хората в стаята са точно полето на Хигс, новият гост е частица, движеща се в същото поле, а уплътняването, свързано с разпространението на слухове, е смущение на полето, част от което е самият бозон на Хигс. От своя страна масата на частицата в този случай е характеристика на способността на човек да се движи из стаята (например средна скорост). Оттук например става ясно защо бозонът на Хигс има маса – той всъщност се „надарява“ с нея.
Разбира се, такава аналогия, както всяка аналогия като цяло, не предава много фини нюанси на взаимодействие - например частиците "усещат"полето на Хигс само при ускорено движение, а при равномерно движение не го усещат. Освен това в квантовата механика масата е нещо, лишено от познати за нас свойства, всъщност определен параметър, който се появява в уравненията. Тя (масата) в квантовия свят не е фундаментален обект – вместо нея тази роля играе енергията, с която масата е свързана с уравнението E=mc 2 . Поради това, например, масата на частиците е посочена в извънсистемни единици електронволти (всъщност мега- и гигаелектронволти).
Както и да е, но до началото на 21-ви век бозонът на Хигс беше единствената (тау-неутриното беше открито през 2000 г.) фундаментална частица на Стандартния модел - теория, която комбинира три от четирите фундаментални взаимодействия, която не беше открита. Тази теория, разбира се, не е лишена от недостатъци - тя не включва гравитационното взаимодействие, не съдържа кандидати за ролята на тъмна материя, а също така има някои вътрешни нерешени проблеми (например силния проблем CP). Според много учени обаче Стандартният модел е една от най-важните фундаментални теории, създавани някога във физиката, а бозонът на Хигс играе важна роля в тази теория: в крайна сметка той е отговорен за появата на маса. Няма нищо изненадващо, че вниманието на огромен брой изследователи беше приковано към търсенето на прословутия бозон.
Какво става с бозона?
Основната трудност с бозона на Хигс беше, че учените не знаеха неговата маса - беше невъзможно да се предскаже в рамките на стандартния модел. Резултатът беше няколко разширени теории, които предвиждаха частици с различни маси, като някои бозони имат повече от една. Първоначално те искаха да намерят частицата в американския Tevatron, ускорител на елементарни частицичастици, затворени наскоро. Това не беше възможно, но физиците от Fermilab (където се намираше ускорителят) успяха да получат значителни ограничения върху масата на частицата.
Ситуацията се промени, когато беше пуснат в експлоатация Големият адронен колайдер. Високата енергия на протонните сблъсъци, осветеността (броят на сблъсъци за единица време на единица площ), предостави на учените огромно количество експериментални данни. За събирането на тези данни се използват два детектора - CMS и Atlas. Информацията от двата детектора се обработва от хиляди учени от цял свят. Понякога сътрудничеството на изследователите се проверяват взаимно - техните детектори работят по различен начин, което осигурява независимост при интерпретирането на резултатите от наблюденията, а понякога, напротив, те се допълват.
Нови резултати
Освен това учените са използвали така наречения сляп метод на анализ. Като цяло търсенето на редки събития в масата статистика не е лесна задача. Съвременните физици имат много инструменти за такава работа. И така, слепият анализ е опит да се изключи човешкият фактор от анализа: използвайки цял набор от инструменти, физикът не знае нищо за резултата. Обикновено това се изразява в това, че най-интересната част от графиката е скрита от окото на учения - това се прави, за да се избегне напасването. В крайна сметка нищо човешко не е чуждо и на най-безпристрастния експериментатор.
Пръв се изказа Джо Инкандела, представител на CMS. Той каза, че учените от неговата колаборация, която включва 3,6 хиляди души, са анализирали данни за пет възможни сценария на разпадане (учените казват „канали“) на хипотетичния бозон на Хигс. Първият, който говори за канала на разпадане на бозона на два гама фотона. Според изследователите това е доста "чист" канал, даващ добросигнал. Въз основа на анализа на този сценарий учените успяха да декларират статистическата значимост на откриването при 4,1 сигма. Тогава беше разгледан сценарият с разпадането на два Z-бозона. Заедно с първия канал резултатът беше повече от пет сигма. Останалите три канала (W-бозони, кварки и електрони) обаче развалиха статистиката - за тях имаше твърде малко данни и крайният резултат от CMS беше 4,9 сигма за маса от 125,3 гигаелектронволта.
За Искандела думата взе Фабиола Джаноти, ръководител на колаборацията Atlas. Тя представи данни, събрани само от два канала. Докладът й беше опетнен с няколко неща: първо, беше по-малко структуриран от този на Искандела и самата Джаноти беше видимо притеснена. Второ, по средата на нейния доклад на сайта на ЦЕРН се появи официално прессъобщение и станаха известни резултатите, които тя усърдно отлагаше за по-късно. Както и да е, Atlas успя да открие сигнал със статистическа значимост от 5 сигма при 126 гигаелектронволта. Въпреки това Джаноти завърши доклада много красиво: „При енергии от 126 GeV можем да изследваме нова частица в големи детайли. Благодаря ти, природа.“
Сега какво?
Самите физици наричат своите резултати предварителни. Факт е, че откриването на частица изобщо не означава, че Хигс бозонът е открит. Учените трябва да тестват свойствата на частицата - например нейното въртене. Необходимо е също така да се събират статистики за всеки канал на двата детектора поотделно - трябва да проверите дали статистическото ниво на сигнала там (тоест всъщност вероятността за всяко конкретно разпадане) съответства на теоретично предвиденото. Например главният изпълнителен директор на CERN Ролф Хойер заяви, че ще са необходими още години и години работа. Ако например има несъответствия с теорията, то това ще означава, че теоретиците разбиратсветът на елементарните частици не е съвсем правилен.
От друга страна, откриването на една частица само по себе си вече говори много на физиците. На това мнение е гръцкият ЦЕРН Игнатиус Антониадис. Според него бозонът се оказал по-лек, отколкото мнозина предполагали. Това например може да означава, че има поне два бозона. В допълнение, откриването на такава частица дава възможност да се отхвърлят някои съществуващи теории, по-специално така наречената теория на Техниколор (в тази теория същият бозон на Хигс не е елементарна частица). Някои суперсиметрични теории също ще пострадат. Според Антониадис, независимо от резултатите от последвалите експерименти, частицата „откри нова ера във физиката“.
Теоретиците също няма да бездействат. Разбира се, някои вече успяха да заявят, че физиката в известен смисъл е приключила - последната тухла на Стандартния модел е намерена. Дори да се съгласим, че намерената частица е бозонът на Хигс, все още е твърде рано да се говори за приключване на работата - трудностите на Стандартния модел и неговите недостатъци вече бяха споменати по-горе. Освен това има много по-специфични въпроси, свързани например с кварките и същия механизъм на Хигс, които изискват внимателно (експериментално!) проучване. Така че Големият адронен колайдер все още няма да остане без работа.
И накрая, последното. Благодарение на тази конкретна частица такова нещо като Стандартния модел (най-великата фундаментална теория, помните ли?) попадна в обхвата на хоризонта на обикновените хора. Да, разбира се, това не донесе никаква полза на мнозинството - едва ли е шега в духа на: "Защо толкова дълго търсиха бозона на Хигс? Трябваше да попитате самия Хигс!" - може да се счита, че допринася за значително разширяване на хоризонтите. И както показва практиката, повечето хора са впечатлени от цената наколайдер („Това е разрез!“), а не уникалните резултати, получени на него. Все пак бих искал да вярвам, че част от тези, които са чували за бозона, поне ще влязат в Уикипедия и ще прочетат за механизма на Хигс, и за електрослабото взаимодействие, и за много повече. И стават малко по-умни. И това е истинска победа.