Бозон Хиггса. Шанс разобраться.

Начиная со 2-го июля в прессу одна за другой попадают бомбы с нескольких специально и срочно созванных научных конференций - разные коллаборации одна за другой спешат сообщить о своих успехах в почти полувековых поисках пресловутого бозона Хиггса. Мне, в свою очередь, тоже приходится по много раз в день пересказывать какие-то части этой истории любопытствующим, да и вообще, история эта действительно крайне интересна. Поэтому, давайте я попробую обрисовать ситуацию хотя бы основными штрихами, детализировать их мы потом сможем при желании до любого уровня (если чего-то пока не знаю - так заодно и узнаю:). Уровень "научности" описания таков - факты только принятые на уровне официальной научной парадигмы, никакой торсионщины, но аналогии буду стараться брать попроще, стараясь не особенно при этом исказить истинную картину. Хотя, какая там "истинная картина" при квантовых взаимодействиях...:) Ладно, поехали:

• Что такое вообще бозон? Говоря научно, бозон - частица с целочисленным спином. Названа в честь одного умного индийского парня по имени Шатьендранат Бозе. Понимаю, что это несильно помогает понять смысл заморочки, пробую на пальцах. В квантовой механике частицы имеют довольно много различных признаков, важных для понимания их природы и удобства классификации. Более или менее привычен нам в быту электрический заряд. Никого же не удивляет и не ввергает в уныние знание о том, что заряд электрона равен -1, нейтрона 0, а протона +1? Это потому, что электричество проявляет эффекты на макроуровне очевидным образом и мы давно научились их использовать. Квантовые свойства частиц не настолько просто потрогать пальцем и описание их природы - штука длинная и довольно замороченная. Поэтому здесь ограничимся просто констатацией - есть у частиц, помимо заряда, ещё спин, запах (аромат), странность, очарование, истинность, прелесть и барионное и лептонные числа. Запоминать необязательно:) Нас интересует конкретно спин, он бывает целым ( типа -1, 0, 1, 2) либо полуцелым (типа 1/2, 3/2, -1/2). Целые спины - класс бозонов, полуцелые - фермионов (в честь умного итальянского парня Энрико Ферми).
• Что за Стандартная Модель такая? Нам известно на данный момент четыре основных типа взаимодействия частиц: сильное ядерное, слабое ядерное, электромагнитное и гравитационное. Похоже на то, что, поняв их природу до конца, можно сносно описать любое взаимодействие материальных тел в нашем пространстве. На сегодня одна из самых серьёзных проблем в том, что первые три взаимодействия отлично вписались в квантовую теорию, а гравитация осталась за её пределами. Не обнаружено никаких достоверных признаков частиц-переносчиков гравитации (гравитонов), да и вообще, в рамках общей теории относительности, гравитация интерпретируется как искривление пространства-времени, а не как материальное поле (в отличие от остальных трёх типов). Оставив пока в стороне гравитацию, физики создали в рамках квантовой теорию красивую и стройную Стандартную Модель , описывающую работу сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий. На сегодня, Стандартная Модель является одной из самых успешных теорий в истории человечества, все её выводы блестяще подтверждаются миллионами экспериментов с уникальной точностью (для ЭМ - до десятого знака вероятности).   Но, как у любой научной теории, у СМ есть свои слабые места и конкретные границы применения, за которыми работать она не может. Про гравитацию уже говорили. Помимо этого, у неё есть много заданных извне параметров, никак не вытекающих непосредственно из самой теории (масса нейтрино, отношения масс кварков и так далее). Но одной из самых въедливых недоработок СМ является то, что она никак не объясняет возникновение массы у фермионов и бозонов. В двух словах - на любом уровне квантовых взаимодествий действует та или иная симметрия, если есть частица с зарядом +1 - будет и с -1, со спином +1 - будет и -1 и так далее. А вот с отрицательной массой не заладилось. Это смещение симметрии просто необходимо как-то вменяемо трактовать, иначе в теории зияет всё расширяющаяся дыра. И вот здесь мы подошли напрямую к появлению мысли о пациенте - бозоне Хиггса.
• Чем интересен именно бозон Хиггса? При построении теории электрослабого взаимодействия была замечена одна очень неприятная особенность. Переносчики взаимодействия, калибровочные W± и Z-бозоны, должны были быть безмассовыми, аналогично фотону и глюону. Но в реальности они вполне обладали массой и это пускало насмарку все построения. Решить проблему можно было по-разному - просто добавив в теорию ещё один внешний фактор (массу W-бозона) , введя массу как функцию каких-то пороговых условий (например, при гигантских энергиях её нет, как и предсказано теорией, а вот в быту - сколько угодно) или придумав более красивый и правдоподобный вариант объяснения. И такой вариант в 1964-м году предложил умный американский парень Питер Хиггс. Он подумал, что при наличии уже значительного количества различных полей в нашем пространстве, ничто не мешает предположить наличие ещё одного поля, при взаимодействии с веществом нарушающего симметрию электрослабого взаимодействия и "придающего" массу калибровочным W и Z-бозонам. В таком случае, у этого поля Хиггса должен был переносчик (типа как фотон - у электромагнитного). Вот и он - герой нашего сегодняшнего изучения, бозон Хиггса. Помимо решения проблемы спонтанного нарушения симметрии электрослабого взаимодействия, вариант с БХ открывал целый ряд более далёких возможностей - возможность суперсимметрии в любой из струнных теорий, новые подступы к тёмной материи, объединению природы взаимодействий и так далее. Был смысл поохотиться, короче. И учёные приняли вызов.
• Какие бывают коллайдеры? Первая важная особенность коллайдера - это не просто ускоритель частиц, а ускоритель, работающих на встречных пучках. То есть, не пучок частиц летит в мишень, а два пучка летят навстречу друг другу, сталкиваются и мы изучаем итоги этого столкновения. Это часто путают. Ну это я так, к слову просто. Гораздо более важной характеристикой любого коллайдера является его адронность:) Шучу, учёным не надо рассказывать про такое определение. Просто коллайдеры бывают адронными либо лептонными. Разница принципиальная - адроны не являются простыми элементарными частицами, они состоят минимум из трёх кварков, плюс глюоны и разные довески в виде нейтрино, пар мезонов и прочих разнообразий, по обстоятельствам. Когда всё это богатство сталкивается - клочки летят по закоулкам. Порождается масса неинтересных побочных следов, распутать её крайне сложно. И когда мы говорим об энергии центра масс столкновения пары "протон - антипротон", например, на Большом Адронном Коллайдере в 14 ТэВ , то нужно делать скидку раз в 5-10 (в зависимости от типа эксперимента). Для поиска БХ эффективная энергия столкновений составляла около 2 ТэВ. Что тоже, конечно, немало, но всё-таки. Сложнее и затратнее, чем могло бы быть. В лептонных коллайдерах дело обстоит гораздо лучше, столкновение электрона с позитроном - "чистое", побочных следов в разы меньше, изучай - не хочу. БАК по части БХ сделал своё дело (установил его существование), теперь дело за лептонными коллайдерами, на них будут изучать его конкретные свойства. Они уже вот-вот, на подходе. Наиболее крупные - International Linear Collider и Compact Linear Collider.
• (Главный вопрос темы) Почему его так сложно найти-то? Из-за крайне короткого предсказанного времени жизни пациента и экстремальных уровней энергий (достичь которых - отдельная сказка), напрямую зафиксировать его появление никак не получается. Поэтому придумали искать бозон Хиггса (как и многие другие короткоживущие частицы) по косвенным признакам: осколкам распада и их взаимодействиям. В итоге имеем примерно такой способ: представьте, что, возможно, у некоторых людей на Земле есть особый дар. Раз в жизни у них в кармане откуда-то появляется петарда и взрывается прямо в кармане. Им больно, они идут в больницу лечиться. В больнице отмечают случай неосторожного обращения с огнём. В газетах пишут об опасности петард. Мэр города читает газету и закрывает фирму, делающую петарды. Директор фирмы напивается с горя в ближайшем баре и попадает в вытрезвитель. А вместо служащего вытрезвителя там сидит наш агент, у которого есть задание доставлять к нам каждого пьяного. Сами мы при этом сидим в подвале и никуда не можем выходить (окна, правда есть, за ближайшими окрестностями мы можем следить напрямую). Задача - узнать, есть ли люди с волшебным даром самопетарды реально. Или кто-то был неаккуратен просто. Или в больнице перепутали или преувеличили. Или газеты приврали. Или мэр сошёл с ума. Или просто директор производил плохие петарды. Или он алкаш просто. На каждом этапе причиной похожих событий могут служить разные события, тоже имеющие массу возможных причин и так далее. Но мы - хитрые. Мы замечаем, что если директор просто алкаш - он попадёт к нам в ровно в 11 вечера и пахнуть от него будет пивом и виски. А если напился с горя от закрытия фирмы - то в 3 утра и с запахом дешёвого самогона. Если мэр псих - то закроется сразу много разных фирм (и к нам кроме петардного директора попадут ещё фонарный и кулинарный), а если по газете делал - то только одна. И так далее, на каждом этапе. И даже когда мы вроде точно восстановили всю цепочку, мы не можем точно сказать - дар самопетарды проявился или это дети вчера подложили её в карман и она от трения бахнула. Теперь мы начинаем считать вероятности, измерив всю цепочку точнейшим образом. И выводим правило - если события прошли вот точно так - то это дар самопетарды с вероятностью, например 90%. Ещё уточняем обстоятельства, и говорим - теперь 96%. И так далее, к 5 сигма. При этом любые петарды в нашем мире должны уметь взрываться достаточно сильно (иначе никто и не заметит ничего) - это энергия в центре масс коллайдера. И в мире должно жить достаточное количество людей, мэров и директоров (иначе к нам будет попадать один посетитель в год и мы никогда не дождёмся нужной достоверности) - это светимость коллайдера. Ничего сложного, правда?:)
• Что в итоге нашли и насколько это правда? - крайне сложно в эпоху интернета отделить мух от котлет, тем более, при разговоре о таких вещах, которые толком понимает очень незначительная часть читателей. Целая полоса препятствий: реально сложно переводимые на понятный язык вещи, инфа протекает зачастую раньше времени неофициально (значит - как попало), иной раз - осознанно искажена уже на этой стадии, журналисты при всём желании понять не могут многое, на самом деле - и не хотят ни капельки и не пытаются особо, потом пересказ вторыми-третьими журналистами со слов первых, потом переводы на другие языки и так далее. Поэтому в игнор все потоки, только ЦЕРН в оригинале. "...the ATLAS and CMS experiments presented their latest preliminary results in the search for the long sought Higgs particle. Both experiments observe a new particle in the mass region around 125-126 GeV... ... The results are preliminary but the 5 sigma signal at around 125 GeV we’re seeing is dramatic. This is indeed a new particle. We know it must be a boson and it’s the heaviest boson ever found". Короче - да, нашли. У CMS среднеквадратичное отклонение 4.9 сигмы, у Атласа - 5. Это достаточно достоверно по самым строгим стандартам (по бытовым - за гранью понимания зачем настолько точно:) Пока непонятно, какой именно это БХ (их может быть от одного до пяти, с разными зарядами и ароматами, но одинаковым спином). Масса будет уточнятся много лет и вообще целая новая глава в физике элементарных частиц только открывается. Но рубеж - однозначно пройден, бозон Хиггса в природе есть.
• А если не нашёлся бы бозон Хиггса? - строго говоря, отсутствие результатов здесь не давало почвы ни для каких конкретных выводов. Так как причина могла крыться как в отсутствии пациента, так и в недостаточной технологичности оборудования. Научное сообщество неоднородно, но всё-таки в каждый момент времени есть некий общепринятый вектор мнений по любому вопросу. Так вот, удивительный факт - в последние годы сообщество было уже готово, по-большому счёту, плюнуть на поиск БХ, если бы он не дал конкретики прямо в ближайшие годы. Остались бы, конечно, целые профильные институты, но по сравнению с нынешним размахом - всё бы утихло, скорее всего, на десятилетия. Теоретики тоже не дремлют, существует целый ряд иных вариантов решений текущих проблем Стандартной Модели. Я не буду здесь расписывать, кому интересно - вики-осколки основных, дальше уж сами:) Держитесь поближе к первоисточникам.
• Почему много лет говорили о БАКе, а первыми про БХ закричали с Теватрона? - вопрос это скорее политический, нежели научный. Учёным свойственно, конечно, честолюбие, и заявить первым о таком значительном открытии - великая доблесть. Но есть совершенно чёткие критерии достоверности результатов исследований и эскпериментов и по доброй воле подставляться публикацией недостоверных выводов могут только шарлатаны. Уважаемый коллектив чикагского "Теватрона" (ныне, кстати, уже закрытого по сроку службы) никак нельзя заподозрить в недостаточной серьёзности или легкомыслии. Заявить об открытии, имея на руках разброс результатов 2.9 сигма вместо положенных пяти, их могла вынудить либо скрытая от нас экономическая/политическая (но точно не научная) жёсткая необходимость, либо личная паника кого-то авторитетного из коллектива. Ну да ладно, недоразумение уладилось буквально за 1-2 дня, приоритет ЦЕРНа вне сомнений. На фоне значимости самого события - прожевали и проехали, даже говорить не о чем.
• Почему все пишут про какую-то "частицу бога"? - во всей этой истории очень плотно замешан американский физик Леон Ледерман. Вклад его в современную фундаментальную физику сложно переоценить - он открыл второй тип нейтрино, целый ряд мезонов, подтвердил существование b-кварка и так далее. Нобелевский лауреат, разумеется (за мюонное нейтрино). Будучи главным идеологом и строителем того самого "Теватрона" из предыдущего ответа, Ледерман очень рассчитывал найти БХ. Это мягко говоря. И после разочарований от первых 10-15 лет поисков (Тевантрон стартовал в 1983-м) в одном из своих трудов Ледерман в сердцах назвал БХ "goddamn particle", то есть "чёртова частица". Хорошо, что он учёный, а не блоггер, иначе на месте "чёртова" наверняка красовался бы более подходящий эпитет:) В любом случае, называть так бозон Хиггса всегда было нельзя, и, учитывая его столь магическое для обывателя свойство "создания массы", название преобразовали в "god particle". Будем считать, дань уважения отдали.
• Зачем вообще всё это нужно и какая разница? - для примирения сознания обывателя с размахом и стоимостью фундаментальных исследователей обычно норовят свести разговор к последующим прикладным применениям любого открытия. На мой взгляд, это как раз само собой разумеется и даже обсуждения не стоит. Жили бы в пещерах по-прежнему, если бы не технологии. Но вопрос надо ставить более широко и плевать на мнимую оторванность от реальности. Крупные теоретики крайне редко задумывались о прикладной стороне вопроса и уж точно не она была основным движущим фактором развития идей. Остриё научной атаки редко и очень недолго терпит случайных людей, слишком жёстко там. Вот дальше, за линией фронта - да, пилорама. И не надо думать, что проблема эта чисто российская - это не мы придумали озоновые дыры, СПИД, потепление, куриный грипп и прочие разводы мирового масштаба:) Но сейчас не об этом. Понимание необходимости движения мысли, как показывает практика, очень легко засаливается и замыливается, совершенно не трудно прожить жизнь, вообще ни разу об этом не задумавшись. Тем не менее, со стороны это выглядит примерно так, как если бы, при возможности, человек покупал себе бак с запасом еды и воды на 100 лет, большой унитаз, подключал трубочки в нужные места и переставал бы вовсе двигать телом. А зачем? Я склоняюсь именно к экстремальной оценке прогрессирующей овощеморфности сапиенсов. То есть, не каждый обязан отличать адрон от лептона. И не каждому это дано, более того. Но не понимать, зачем это нужно - значит смириться со схождением своего ряда где-то в районе мусорного бака на заднем дворе шагающей цивилизации.

Спасибо за внимание, кто слушал - молодец. Проблемы физики элементарных частиц занимают меня довольно серьёзно, но какие тут бозоны пока, когда сервис недостроен. Но описывать наиболее интересные события я честно постараюсь:)