Навколо майже знайденого бозону

Минулого тижня всі заголовки новин рясніли прізвищем фізика Хіггса. Найменше видання намагалося усвідомити, що ж там таке ці вчені у Швейцарії винайшли? «Невловимий елемент», «Божественна частинка», «ключ до розуміння Всесвіту» – як тільки не пишуть про цю подію. Тим не менш фізики заявляють, що знайшли частинку з властивостями, які дещо схожі з передбаченими теоретично для бозону Хіггса. Ми вирішили розпитати українських спеціалістів з фізики елементарних частинок про деталі цієї наукової проблеми.

Першим на наші питання відповів кандидат фізико-математичних наук Юрій Штанов – завідувач лабораторії астрофізики і космології Інституту теоретичної фізики ім. М.М. Боголюбова НАН України.

Розкажіть, будь-ласка, що таке бозони.Однакові частинки мікросвіту абсолютно тотожні одна одній. Це означає, що перестановка місцями двох однакових частинок (скажімо, протонів) у деякій системі ніяк не змінює фізичного стану цієї системи. У класичній ньютонівській механіці ця обставина не має особливих наслідків. Там стан системи повністю описується сукупністю значень координат (просторових положень) та імпульсів (або швидкостей) частинок, з яких вона складається, і ці сукупності чисел незмінні при перестановці тотожних частинок. У квантовій механіці, закони якої працюють у мікросвіті, стан системи описується так званою «хвильовою функцією». З принципу тотожності частинок випливає, що ця функція може залишатися незмінною або змінювати знак при перестановці двох тотожних частинок.

Частинки, перестановка яких призводить до зміни знаку, називаються ферміонами, на честь великого італійського фізика Енріко Фермі. А частинки, перестановка яких не змінює хвильової функції, носять назву бозонів, на честь індійського фізика Шатьєндраната Бозе, який у 1924 році першим виявив цей ефект та вивчав його наслідки.

Згідно із законами квантової механіки всі елементарні частинки матерії мають власний момент імпульсу або спін, величина якого приймає дискретні значення, починаючи з нуля, із кроком у половину сталої Планка. Виявляється, що частинки з цілочисельним значенням спіну є бозонами, а з напівцілим – ферміонами. Причина цієї відповідності обгрунтовується у квантовій теорії поля із врахуванням принципу відносності.

У сучасному світі елементарних частинок найвідомішим серед ферміонів є електрон, а найвідомішим бозоном – фотон, або частинка електромагнітного випромінювання. Серед інших ферміонів можна назвати кварки, а також складені частинки – нейтрон і протон, з яких побудовані атомні ядра. Серед бозонів:  масивні векторні бозони – переносники слабкої взаємодії, глюони – переносники сильної взаємодії, а також складені частинки такі як піони.

  А чим гіпотетичний бозон Хіггса відмінний від інших бозонів?

Бозон Хіггса – це фундаментальна частинка з нульовим спіном, що є важливою складовою так званої стандартної моделі елементарних частинок, запропонованої наприкінці 1960-х років.  Маючи нульовий спін, вона справді є бозоном, а названа на честь британського фізика Пітера Хіггса.  Він у середині 1960-х років одночасно із низкою інших фізиків вперше залучив таку частинку для пояснення походження мас всіх елементарних частинок у теорії електромагнітної і слабкої взаємодії.  Відіграючи особливу роль у фізиці частинок, бозон Хіггса до сих пір не був безпосередньо виявлений в експериментах на прискорювачах частинок.  У наші дні ми, вірогідно, є свідками його відкриття на Великому Адронному Колайдері (ВАК).

Чому бозон Хіггса так важко детектувати, якщо він має велику масу?

По-перше, бозон Хіггса важко виявити частково саме через його відносно велику масу. Адже чим більша маса частинки, тим більше потрібно енергії, щоб народити її в експерименті із зіткнення інших частинок. Маса бозона Хіггса, згідно з оголошеними останніми експериментальними даними, приблизно у 125 разів більше маси протона, а це означає, що для отримання цієї частинки протони потрібно розганяти до дуже високих енергій, перед тим як зіштовхувати один з одним. Для того, власне, і був побудований ВАК.

По-друге, ймовірність виявлення будь-якої частинки визначається не лише її масою, але й імовірностями її народження та розпадів. Так, частинка може мати найскромнішу масу, але, тим не менш, уникати виявлення в експерименті через малу вірогідність її народження. При зіткненні протонів високої енергії на колайдері поява бозону Хіггса є дуже рідкісною подією. Народжені бозони дуже швидко розпадаються, і не спостерігаються безпосередньо, а лише непрямо, за продуктами їх розпаду. Крім того, одночасно з бозонами Хіггса завжди народжується багато інших частинок. Серед велетенського моря частинок, що з’являються в результаті зіткнень протонів, треба ідентифікувати саме ті, що виникли в результаті розпаду народженого бозона Хіггса. Це дуже непроста задача, що потребує великої кількості експериментів, інакше кажучи, великої статистики. Це подібно до того, якби було потрібно розрізнити зірки на ясному небі у сонячний день.

Чому ця частинка не взаємодіє з іншими бозонами – фотонами?

Бозон Хіггса є електрично нейтральним, а фотон безпосередньо взаємодіє лише із зарядженими частинками.  У цьому немає нічого особливого: багато елементарних та складених частинок є електрично нейтральними. Але хоча бозон Хіггса не взаємодіє з фотонами безпосередньо, він може взаємодіяти з ними через інші заряджені частинки. Наприклад, бозон Хіггса може розпадатись на кварк і антикварк, а вже ця пара частинок з протилежними електричними зарядами, анігілюючи одна з одною, можуть породжувати пару фотонів. До речі, пошук бозона Хіггса на Великому Адронному Колайдері робиться в тому числі і на основі спостережень пар фотонів, що утворились в результаті такого процесу.

Чому це відкриття таке важливе для фізики частинок? Чи розширює воно фізичну картину світу, чи це просто підтвердження сучасних уявлень, що формувалися із 1960-х років?

Це відкриття важливе через декілька причин. По-перше, на основі бозона Хіггса реалізовано абсолютно новий механізм у фізиці мікросвіту – механізм спонтанного порушення симетрії і генерації мас елементарних частинок.  Відкриття цієї частинки, тим самим, вперше підтвердить цей механізм.  По-друге, бозон Хіггса є єдиною фундаментальною частинкою зі спіном «нуль». І, по-третє, це єдина частинка стандартної моделі, що досі залишалася невиявленою.
Вивчаючи нову частинку та її взаємодії, фізики сподіваються або отримати підтвердження наявної теорії, або виявити якісь нові властивості, що не вписуються в існуючі уявлення або навіть протирічать їм. При будь-якому результаті це буде означати більш глибоке проникнення у таємниці природи.

У зв’язку з цим треба нагадати, що стандартна модель елементарних частинок, навіть із бозоном Хіггса, вірогідно, не є повною, оскільки не містить кандидатури на роль частинки темної матерії, що заповнює наш Всесвіт. Вивчення властивостей нової частинки, можливо, проллє світло і на цю цікаву і вкрай актуальну проблему.

Чи пов’язаний бозон Хіггса з проблемами теорії гравітації?

Оскільки бозон Хіггса певним чином відповідає за маси елементарних частинок, а будь-яка маса є джерелом гравітаційного поля, то, безперечно, такий зв’язок існує. Більше того, в результаті порушення електрослабкої симетрії і генерації мас частинок змінюється також густина енергії фізичного вакууму.

Величина цієї енергії тісно пов’язана з іншим чинником нашого Всесвіту – темною енергією, природа якої є поки що цілком загадковою.  І взагалі, проблема поєднання теорії гравітації з квантовою фізикою елементарних частинок до сих пір чекає на своє вирішення.

«Моя наука» дякує Юрію Володимировичу Штанову за відповіді на питання та за згоду на участь у подальшому спілкуванні з нашими читачами.