вопросы, Питер Хиггс предложил механизм спонтанного нарушения калибровочной симметрии. Это нетривиальное явление не следует из известных законов физики, а придумано человеком.
В механизме Хиггса вводится специальная зависимость потенциала скалярного поля от величины поля, которая симметрична и является неустойчивой. В природе неустойчивое состояние не может сохраняться долго и переходит в состояние с минимальной энергией. Это общеизвестное явление.
Явление спонтанного нарушения симметрии, то есть явление, при котором зависимость поля от потенциала становится несимметричной, получило название механизма Хиггса. Безмассовые поля (векторные бозоны) поглощают часть скалярного поля и приобретают массу. Оставшееся скалярное поле также имеет массу и проявляет себя как новая скалярная частица — бозон Хиггса.
Обнаружение бозона Хиггса будет являться основным доказательством, что этот механизм правильный, что природа устроена именно так, как мы думаем. Теория не исключает нескольких Хиггсовских бозонов.
Нынешнее время — это эра торжества Стандартной модели. Она замечательным образом объясняет явление нарушения комбинированной четности. Нет ни одного эксперимента, где бы было значимое указание на то, что в ней есть нарушения. За исключением, пожалуй, аномального магнитного момента мюона, где есть некое отклонение от Стандартной модели, и это есть предмет дальнейшей работы и теоретиков, и экспериментаторов.
- То есть других отклонений нет?
В том виде, в котором Стандартная модель существует сейчас, она объясняет все явления, доступные для экспериментальной проверки, и нет явлений, которые не согласовывались бы с экспериментом. Но мы определенно знаем, что Стандартная модель не охватывает всего, и попытки по её подобию объединить все взаимодействия (это называется Великое объединение) встречают существенные затруднения. Дело в том, что константы взаимодействий ведут себя так, что как бы «хотят» сравняться при энергиях ~1015 ГэВ.
В простом расширении Стандартной модели это не происходит в одной точке. Кроме того, в таком подходе устремляются в бесконечность радиационные поправки к массе Хиггсовского бозона, что очень неприятно с теоретической точки зрения. Но здесь на помощь приходит другой класс теорий — суперсимметричные модели.
- Почему тогда считается, что Стандартная модель требует подтверждений?
- Без наблюдения таких фундаментальных явлений, как механизм Хиггса, мы никогда не будем уверены, что природа устроена именно так, как мы предполагаем. Поэтому это первоочередная задача. Предположим маловероятный случай, что Хиггсовский бозон не будет найден. Это будет означать, что мир устроен совсем по-другому, чем мы думали.
- Возможно ли построение с помощью LHC новой картины мира?
- LHC, конечно, ответит на многие вопросы. В частности, будет вестись поиск суперсимметрии. Суперсимметрия — это гипотетическая симметрия, связывающая фермионы и бозоны, это значит, что они могут переходить друг в друга. В суперсимметричных моделях возможно объединение всех взаимодействий. Константы слабого, электромагнитного и сильного взаимодействий сравниваются в одной точке, решается вопрос расходимостью радиационных поправок к массе Хиггсовского бозона. Суперсимметричные модели предсказывают большое количество частиц с массами, доступными для изучения на LHC. И если суперсимметричные частицы будут открыты на LHC, это будет, несомненно, революционный шаг в нашем понимании мира и новое торжество Стандартной модели. В суперсимметричных моделях может быть введена и гравитация.
- Частица Хиггса пока не обнаружена. Какие есть косвенные или прямые подтверждения существования механизма Энглера — Браута — Хиггса?
- Косвенных подтверждений, что Хиггсовский бозон существует, очень много. Он входит в расчёты всех процессов в Стандартной модели, в них обязательно есть обмен Хиггсовским бозоном. Без него невозможно вычислить многие измеряемые величины, такие как массы векторных бозонов и Т-кварка, бегущую константу электромагнитного взаимодействия и другие. Более того, из прецизионных измерений этих величин получаются серьёзные ограничения на массу Хиггса: она не может быть более 165 ГэВ с вероятностью 95%. Нижний предел составляет 115 ГэВ (означающий, что Хиггс с массой менее 115 ГэВ не существует) получен экспериментально на установке LEP в CERN.
- Какие теории ожидается подтвердить с помощью LHC? В каком из этих направлений уже есть намеки на результаты?
- Это Стандартная модель, теория суперсимметрии, вполне возможно, подход дополнительных измерений. Проблемы дополнительных размерностей обсуждались ещё в двадцатых годах прошлого века. Мы привыкли к четырём измерениям — три координаты и время, но чисто математически вы можете ввести хоть сто. А физики с помощью такого подхода пытаются придумать механизм, который бы объяснял мир. Считается, что те энергии, которые нам доступны, позволяют видеть всего лишь четыре измерения, а при больших энергиях нам станут доступны другие. Это явление называется компактификацией измерений. Предполагается возможность такого сценария: бозон Хиггса есть, но нет суперсимметрий. Или же: нет ни бозона Хиггса, ни суперсимметрий.
Теории с дополнительными размерностями претендуют на то, чтобы объяснить все явления. Если масштаб, на котором начинают проявляться дополнительные размерности ~1 ТэВ, то это явление доступно для наблюдения на LHC.
- А почему у LHC именно такая проектная энергия?
- Только из финансовых соображений. Технических причин нет. В девяностых годах в Америке полных ходом шел проект SSC (Superconducting Super Collider) с энергией в четыре раза большей, чем у LHC, и наш институт активно участвовал в строительстве этого ускорителя. Уже был прорыт туннель в сто километров, но потом конгресс США закрыл этот проект по чисто политическим мотивам. Если бы он не был остановлен, то, несомненно, мы бы уже получили ответы на многие вопросы, и не надо было бы строить LHC, полная стоимость которого 5 миллиардов долларов.
При этом стоимость проекта минимальная: изначально туннель в 27 километров был уже готов, он остался от предыдущего ускорителя LEP. Рассматривается вариант, что потом, когда мы научимся делать магниты с большим полем, можно будет увеличить энергию. Технически в настоящее время возможно поднять энергию и в 10 раз, и в 20, это вопрос чисто экономический.
- Какие основные физические результаты были достигнуты после последнего запуска?
- Результаты, которые были достигнуты — демонстрационные, они не являются открытиями, но они очень существенные. Реальную работу на LHC начали с марта, и уже удалось увидеть почти все известные частицы, такие как W-бозон, Z-бозон. И всё, что было зарегистрировано на LHC, хорошо совпадает с теорией.
Для такого короткого время это колоссальный успех. В физике частиц обработка данных проходит годами, а здесь фактически в реальном времени набирается статистика, и сразу выдается результат. Но
