Нобелевскими лауреатами по физике в этом году стали Питер Хиггс и Франсуа Энглер. Их выбрали за теоретические работы, в которых описано, каким образом у элементарных частиц появляется масса и как слабое поле перестает быть похожим на электромагнитное. Ключевую роль в этом процессе играет знаменитый ныне бозон Хиггса, существование которого окончательно подтвердили этой весной.
Нобелевский комитет славится своей непредсказуемостью (и на днях в очередной раз подтвердил свою репутацию), однако нынешняя премия — как раз тот редкий случай, когда предсказания экспертов и публики оправдались. Действительно, тянуть далее было уже нельзя: Энглер и Хиггс далеко не молоды и, без всяких сомнений, заслужили свою премию. Трое других ученых, представивших статью с описанием аналогичного механизма нарушения симметрии практически одновременно с нынешними лауреатами, — Джеральд Гуральник, Ричард Хаген и Томас Киббл — остались в стороне. Вероятно, Нобелевский комитет решил, что выделять кого-то одного из них будет еще менее правильно, чем оставить без премии всех.
Первые указания на открытие бозона Хиггса появились в конце 2011 года, но тогда результаты носили предварительный характер. В 2012-м о частице говорили более уверенно, а в марте 2013-го ее открытие подтвердили окончательно. Так как Нобелевский комитет отмечает только экспериментально подтвержденные работы, Хиггсу и Энглеру пришлось ждать своей премии очень долго — 48 лет. Соавтор Франсуа Энглера, Роберт Браут, вполне мог бы стать третьим лауреатом, но, к сожалению, просто не успел дожить до сегодняшнего дня. За те годы, которые отделяют первые работы теоретиков от нынешнего их подтверждения, произошло окончательное становление Стандартной модели. Нобелевская премия за последний «кирпичик» этой модели, хиггсовский бозон, — хороший повод вспомнить про то, как все начиналось.
В начале 1964 года физика элементарных частиц находилась довольно далеко от своего современного состояния. Лишь в том году были опубликованы работы американских ученых Марри Гель-Манна и Георга Цвейга, которые предложили концепцию кварков, так что вместо стройной системы с тремя поколениями элементарных частиц физики имели дело с настоящей кунсткамерой. Строительство мощных ускорителей и изучение космических лучей позволило экспериментально зафиксировать множество частиц, которые явно не могли быть элементарными.
Мир с несколькими десятками элементарных частиц выглядел слишком сложным, нелогичным и некрасивым. Взять хотя бы бета-распад, за счет которого радиоактивен стронций или цезий: нейтрон превращается в протон, электрон и антинейтрино. Или протон становится нейтроном, позитроном и нейтрино — здравый смысл подсказывает, что нейтрон не может состоять из электрона, антинейтрино и протона, который сам состоит из позитрона, нейтрино и нейтрона, так что термин «распад» тут, вероятно, неуместен вовсе. Но если это не распад, то что? Превращение частиц? Превращение частиц было описано в работе Энрико Ферми (тогда еще итальянского физика, позже американца) 1933 года, которую поначалу даже не приняли к публикации в Nature, но одно дело сказать «превращение» и совсем другое — описать то, почему нейтрон превращается именно в протон и электрон, а не в россыпь каких-нибудь иных частиц.
Физики открывали один пример таких странных реакций за другим, и в 1957 году появилась (при участии Ричарда Фейнмана и уже упомянутого Марри Гель-Манна) теория, которая описала превращение одних частиц в другие внутри единой системы, с помощью понятия слабого взаимодействия. Однако с новой фундаментальной силой сразу возникли определенные проблемы: кванты слабого поля должны были иметь массу — хотя бы для того, чтобы не было противоречия с экспериментальными данными. У кванта электромагнитного поля, фотона, массы нет, как нет ее и у квантов сильного поля, глюонов — а переносчики слабого взаимодействия почему-то массивны. Поля несимметричны, как говорят ученые.
Если бы поля были симметричны, то кванты слабого поля, W- и Z-бозоны, были бы лишены массы. Это привело бы к тому, что слабое взаимодействие проявляло бы себя на сколь угодно больших расстояниях, подобно электромагнитным силам, и тогда никаких привычных нам протонов и нейтронов в мире просто бы не было. Но так как они есть, а поля все же разные, симметрию что-то нарушает. Что именно? Физики в разных научных центрах стали искать решение этой проблемы, параллельно с попытками проредить число элементарных частиц.
За некоторое время до появления прорывных работ по нарушению электрослабой симметрии японский исследователь (к тому моменту, впрочем, также работавший в США) Ёитиро Намбу написал статью, в которой вместе с итальянским физиком Джованни Йона-Лазиньо рассмотрел спонтанное нарушение другой симметрии и разделение элементарных частиц на два класса с разными свойствами. Их модель не затрагивала электрослабую симметрию, но в 1962 году такую попытку предпринял физик-теоретик из США Филип Андерсон, который, впрочем, не построил полноценной релятивистской модели. Это удалось сделать сразу трем группам в 1964 году: Роберту Брауту вместе с Франсуа Энглером, Питеру Хиггсу (статья подписана только его именем) и еще одной группе.
Награду мог бы получить, к примеру, Джеральд Гуральник, американский физик-теоретик. Он родился в 1936 году, в 1958 получил степень бакалавра в Массачусетском технологическом институте и продолжил обучение в Гарварде, где защитил сначала магистерскую работу, а потом и диссертацию. В год защиты, 1964-м, он вместе с Ричардом Хагеном и Томасом Кибблом (внесшими такой же вклад) опубликовал в Physical Review Letters статью «Глобальные законы сохранения и массивные частицы». Речь в ней шла о том же самом механизме нарушения симметрии, но Нобелевский комитет, вероятно, решил что не дать премию (в этом году) всем троим не так обидно, как отметить лишь одного из соавторов.
Таким образом, в 1964 году ученые придумали способ разделить два разных поля. Тогда же «зоопарк» из сотни элементарных частиц сократили до небольшого числа кварков и лептонов, но экспериментальная проверка этих теорий затянулась на несколько десятков лет. С кварками удалось разобраться довольно быстро, а вот за бозоном Хиггса пришлось поохотиться.
Теоретические расчеты гласили, что бозон Хиггса имеет массу. Это означало среди всего прочего и то, что обнаружить его можно будет только в экспериментах с частицами, энергия которых значительно больше: а для этого необходимы были мощные ускорители. Такие ускорители имеют длину в десятки километров, их магниты приходится охлаждать жидким гелием, а детекторы частиц размерами напоминают небольшой многоквартирный дом. Каждый детектор забит сложнейшим оборудованием, причем все оно работает в условиях жесткого излучения. Даже получив деньги на разработку, ученым пришлось решать ряд сложных инженерных задач и писать специализированные программы для анализа многих гигабайт данных. Интернет в привычном нам виде, как Всемирная паутина с гипертекстовыми страницами, возник именно в ЦЕРН, Европейском центре ядерных исследований.
Американский ускоритель Теватрон смог лишь наложить некоторые ограничения на массу бозона Хиггса. А вот на Большом адронном коллайдере в итоге удалось набрать достаточную статистику и подтвердить то, что некоторые спровоцированные столкновением протонов реакции действительно дают ровно те продукты, которые должна давать реакция с образованием и последующим распадом бозона Хиггса. Напомним, что термин «распад» условен и его следует читать как «превращение одних частиц в другие». Так уж сложилось исторически, что физика занимается распадами, слабыми и сильными полями, а также кварками определенного цвета и, иногда, с отрицательной странностью.
Так как первым официальным сообщениям об обнаружении «частицы, похожей на бозон Хиггса» была посвящена отдельная статья «Ленты.ру», сейчас отметим лишь три главные детали. Во-первых, ученые не проводили несколько единичных столкновений протонов, а на протяжении многих месяцев подряд сталкивали протонные пучки в непрерывном режиме: летевшие по кольцевой трубе протонные сгустки постоянно проходили друг через друга внутри детекторов. Каждый оборот в кольце приводил к тому, что какие-то протоны сталкивались лоб в лоб и при особенно удачном попадании превращались в месиво из кварков и глюонов, которые взаимодействовали друг с другом, выдавая множество других частиц. Через детекторы шел постоянный поток протонов (по трубе вдоль главной оси детектора) и продуктов реакции (во все стороны от места столкновения).
Во-вторых, физики не ловили сам бозон Хиггса, а искали среди наборов вылетевших в детектор продуктов такие реакции, которые могли бы образоваться с участием искомой частицы. Разумеется, такие же частицы получались и в других реакциях, поэтому стоит сделать третье замечание: исследователям пришлось набрать очень большую статистику, проанализировать множество столкновений и сопоставить их с другими данными, а также теоретическими расчетами.
В декабре 2011 года физики из ЦЕРН говорили о том, что найдена частица массой около 125 гигаэлектронвольт, которая ведет себя как бозон Хиггса. В марте 2013 было сказано официально: это именно бозон Хиггса, со спином равным нулю (иные варианты исключены с вероятностью 99,9 процента), с массой около 125,5 плюс-минус 0,6 гигаэлектронвольт. Распадается он так, как и положено по Стандартной модели, но в будущем неплохо бы изучить этот вопрос дополнительно, поскольку два разных детектора дали тут несколько разные данные. Пока нельзя исключать и то, что у бозона Хиггса окажутся частицы-двойники, хотя вероятность этого, судя по данным ЦЕРН, невелика.
На русском языке качественно и довольно оперативно всю информацию по исследованию бозона Хиггса отражал проект LHC Игоря Иванова на Элементах, так что за техническими деталями и графиками мы отошлем читателя к нему.
Фундаментальные предсказания Хиггса и Энглера не только сбылись, но и были отмечены самой престижной научной премией (Юрий Мильнер предлагает намного больше в денежном выражении, однако его Fundamental Physics Prize еще не получил такой же репутации, как награда Нобелевского комитета). Еще трое авторов теории нарушения электрослабой симметрии либо получат ее в ближайшее десятилетие, либо ограничатся другими наградами: к примеру, Гуральник, Киббл и Хоган уже получили премию Сакураи. Стандартная модель завершена, ее предсказания согласованы с экспериментом, это наиболее полная физическая теория в истории человечества. Значит ли это, что физика закончилась?
Разумеется, нет. По сути ученые-экспериментаторы в 2011-13 годах подтвердили то, что было открыто еще более трех десятилетий назад теоретиками. А вот за рамками Стандартной модели остается еще очень многое, причем речь идет как о более фундаментальных вопросах, так и о явлениях, которые ближе к миру привычных масштабов.
Гравитация и поведение Вселенной в целом в Стандартной модели не фигурируют. Бозоны Хиггса создают массу частиц, мешают им мгновенно менять скорость, но они никак не связаны с гравитацией. Квантовой теории гравитации не существует, и даже гравитационные волны, предсказанные Общей теорией относительности, до сих пор не найдены. Стандартная модель не предусматривает также темной материи, а уж про темную энергию и говорить нечего. Физики в последние несколько десятков лет работают над теорией, которая включит в себя и общую теорию относительности, и Стандартную модель как частные случаи: вот такая теория может быть уже признана единой теорией всего (о разработке новой физики «Лента.ру» беседовала с лауреатом Fundamental Physics Prize Александром Поляковым и специалистом по теории струн Брайаном Грином).
Однако это лишь движение в сторону наиболее фундаментального описания Вселенной. С другой стороны, даже атом средней тяжести (скажем, алюминия или кальция) описать на основе только Стандартной модели крайне сложно с математической точки зрения, а уж о молекуле ДНК и говорить нечего. Формально, из кварков, лептонов и квантов полей состоит все вокруг, однако никому в голову не приходит считать экономику, психологию или литературоведение частью физики. Для цельной картины мира предстоит еще объяснить усложнение материи на разных уровнях, а это наверняка потребует совершенно иных методов.
Впрочем, стоит заметить: Питер Хиггс вдохновлялся работами Ёитиро Намбу, а тот, в свою очередь, исследовал симметрию не только в физике элементарных частиц, но и в физике твердого тела. Филип Андерсон тоже занимался совершенно иными разделами науки, а один из авторов кварковой модели, Джордж Цвейг, вообще стал потом нейробиологом. История показала, что найденные в какой-то определенной области математические решения часто находят себе применение в совершенно неожиданных местах. Как уже было сказано, сводить экономику к физике — заведомо абсурдное решение, однако аналогии между экономическими и термодинамическими процессами уже становились предметом серьезного научного исследования.