В поисках частицы Бога, или Охота на бозон Хиггса

цветов притягиваются друг к другу. Следующая шестерка типов частиц материи называется лептонами, они образуют семью, включающую в себя электроны и призрачные, почти безмассовые частицы, называемые нейтрино, которые проходят почти беспрепятственно через все, что встречают на своем пути. В нашей Вселенной вся известная нам стабильная материя построена из кварков и электронов.

Другие частицы, описываемые Стандартной моделью, не являются строительными блоками материи, они выполняют другую работу. Четыре из них, отвечающие за перенос взаимодействий, существующих в природе, называются бозонами¹⁴. Мы не проваливаемся сквозь пол благодаря электромагнитному взаимодействию, которое переносится фотонами — квантами, “частицами света”. Внутри атомных ядер кварки склеиваются “сильным взаимодействием”, носителями которого являются частицы, метко названные глюонами (от английского glue — клей). Другие частицы, называемые W- и Z- бозонами, являются носителями сил, определяющих слабые взаимодействия, они вступают в дело, когда распадаются некоторые радиоактивные элементы¹⁵. Стандартную модель венчает еще одна частица, теоретически предсказанная Питером Хиггсом и названная в его честь бозоном Хиггса.

Казалось бы, в Стандартной модели есть все, что нужно, чтобы ответить на вопросы об источнике массы. Если все известные нам стабильные вещества состоят из кварков и электронов, то резонно предположить, что массы этих элементарных частиц — наименьшие возможные единицы массы. Тогда легко посчитать, какую массу имеет любой объект, просто просуммировав вклады всех миллиардов кварков и электронов, содержащихся в нем. Однако все не так просто.

Когда при суммировании получается неправильный ответ, это обычно означает, что мы что-то упустили. Вот, к примеру, протон. Он состоит из двух верхних кварков и одного нижнего. Если вы сложите их массы, то получите всего 1 процент массы протона. Но откуда же остальные 99 процентов его массы? То же самое происходит и с нейтроном, который содержит один верхний кварк и два нижних. Если ньютоновское определение массы, согласно которому масса — просто мера количества вещества, было бы правильным, то суммирование масс кварков дало бы правильный ответ. Но Ньютон знал только часть правды. Недостающая масса берется откуда-то еще.

Сложная это штука — масса. А насколько сложная, стало ясно в 1905 году, когда 26-летний Альберт Эйнштейн, работая днем в патентном ведомстве в Берне, в Швейцарии, а вечерами занимаясь физикой, написал и опубликовал статью под названием “Зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии?”. Забегая вперед, скажем, что ответ положительный. Эйнштейн показал, что масса и энергия взаимозаменяемы, более того — масса может рассматриваться как мера содержания энергии в теле. Для научного сообщества эта идея прозвучала как гром среди ясного неба. Она — прямое следствие специальной теории относительности Эйнштейна16. Именно тогда Эйнштейн вывел уравнение m = Е/с², где масса предмета равна его энергии, деленной на квадрат скорости света. Переписав, получаем всем хорошо знакомое уравнение Е = mс², из которого легко увидеть, что из-за гигантских значений скорости света (около 300 000 километров в секунду) даже в объектах с маленькой массой содержится огромное количество энергии.

Открытие Эйнштейна в определенной степени объясняет, почему масса протона больше, чем сумма масс его частей. Масса трех кварков внутри протона равна всего лишь одному проценту массы протона, но они удерживаются вместе благодаря чрезвычайно сильным взаимодействиям. Основная часть массы протона приходится на энергию движения кварков внутри протона и энергию их связи. Это приводит нас к замечательному выводу: большая часть массы любого объекта

—

от вашей любимой собаки до мобильного телефона — определяется огромной энергией, которая в нем заключена и благодаря которой объект остается единым целым.

Взаимосвязь между массой и энергией, открытую Эйнштейном, лучше всего демонстрируют гигантские ускорители, которые физики используют для изучения субатомных частиц. Столкните две частицы друг с другом на достаточно высоких скоростях, и осколки при столкновении, скорее всего, будут содержать более тяжелые частицы, чем исходные. Энергия, выделяющаяся при столкновении, практически мгновенно переходит в массу новых частиц.

Совместными усилиями Ньютон и Эйнштейн заложили основы нашего понимания природы масс, но в 1960-х годах стало ясно, что не хватает чего-то еще. Ученые никак не могли объяснить, откуда элементарные частицы получили свою массу. Именно эту тайну теория Хиггса, кажется, объяснила. И именно с ее помощью ученые надеются найти полное объяснение происхождения массы всей известной нам материи.

Питер Хиггс прибыл в Чапел-Хилл 6 сентября 1965 года. Оставив Джоди, которая была в то время беременна, у ее родителей в городе Урбана, штат Иллинойс, он принялся обустраивать их новый дом. Начав работу в университете, он приступил к своей первой большой работе о происхождении массы. 24 сентября, когда он трудился в факультетской библиотеке, его позвали к телефону — голос в трубке сообщил, что Джоди только что родила их первого сына, Кристофера.

Закончив статью о массе в ноябре, Хиггс послал один экземпляр в редакцию журнала и еще несколько — физикам, которым, как он думал, она будет интересна. Теория Хиггса описывала критический момент рождения Вселенной, хотя тогда, в 1965 году, это было еще не совсем понятно. Молодой ученый показал, что поначалу строительные блоки материи вообще ничего не весили. Элементарные частицы были совершенно невесомыми. Затем, через доли секунды после Большого взрыва

—

события, которое запустило жизнь во Вселенной,

—

что-то случилось¹⁷. Некое энергетическое поле, распространенное во всем пространстве, вдруг включилось, и в тот же самый момент безмассовые частицы, которые носились вокруг со скоростью света, были захвачены этим полем и приобрели массу. И чем сильнее они чувствовали воздействие поля, тем тяжелее становились.

Время начало отсчет 13,7 миллиарда лет тому назад, когда случился самый первый взрыв¹⁸. Вселенная тогда была микроскопическим сгустком огромной энергии, слишком перегретая, чтобы в ней действовали известные нам сейчас законы природы. Но в мгновение ока (если бы там поблизости был кто-нибудь, кто мог бы мигнуть оком) Космос вырос до размеров волейбольного мяча и охладился достаточно (примерно до 10 тысяч триллионов градусов Цельсия), чтобы поле Хиггса ожило. И тут же первые строительные блоки материи были укрощены, они сделались тяжелыми и медлительными, как мухи в супе.

Поле Хиггса определило структуру Вселенной и ее способность поддерживать жизнь в том виде, в котором она существует. Без поля элементарные частицы, строительные блоки материи, вели бы себя как фотоны — кванты света. Частицы бы не собирались в атомы, которые мы наблюдаем сейчас. Не возникли бы химические элементы¹⁹. Не появились бы звезды и планеты, и наша Солнечная система, как и другие уголки Вселенной, осталась бы навсегда безжизненной пустыней.

В основе теории Хиггса — частица, связанная с этим массообразующим полем. Так называемый бозон Хиггса в определенном смысле есть часть поля, оставшаяся после того, как оно наделило частицы массами²⁰. Самая большая мечта ученых сегодня

—

показать, что эта частица существует, и тем самым доказать теорию Хиггса.

Вскоре после того, как Хиггс разослал ученым свою статью, в его офис в Чапел-Хилле пришел первый отклик

—

от Фримена Дайсона. (Во время Второй мировой войны англичанин Дайсон служил в команде бомбардировщиков Королевских ВВС. Он пересек Атлантику в возрасте 23 лет, сжимая в руке письмо, в котором было написано, что он признан лучшим математиком Англии. За истекшее время он стал знаменитым ученым и профессором принстонского Института перспективных исследований.)

Послание было дружественным и более чем лестным. Дайсон говорил, что получил огромное удовольствие от последней работы Хиггса

—

она прояснила ему вопросы, над которыми он ломал голову последнее время. Он попросил Хиггса провести весной семинар в институте и на нем рассказать про свою теорию. Хиггс был ошарашен и принял предложение не раздумывая.