Недавно «отгремели фанфары» по случаю большого научного события – открытия бозона Хиггса. Вручили награды, порадовались вместе с учеными, но… Так до сих пор и осталось неясно одно: а зачем нам нужен этот самый бозон? Зачем физики так долго и упорно его разыскивали? С этими вопросами мы обратились к ведущему научному сотруднику Лаборатории электронов высоких энергий ФИАН Сергею Павловичу Баранову.

    Со дня, когда об открытии новой частицы было объявлено на семинаре в ЦЕРНе (4 июля 2012 года) прошло уже немало времени. Свидетельства в пользу открытия знаменитого бозона с тех пор окрепли и приобрели большую полноту.

    Независимых экспериментальных установок, разумеется, по-прежнему две (ATLAS и CMS), – ввиду уникальности их обеих, равно как и всего ускорителя LHC, – но внутри каждой из коллабораций все это время продолжались накопление новых и обработка ранее накопленных данных. К настоящему моменту итоги этой работы вылились в следующее.

    Новая частица H наблюдается в шести каналах распада: на два Z-бозона, из которых один виртуальный (H → ZZ*); на два W-бозона, из которых один виртуальный (H → WW*); на два фотона (H → γγ); на прелестные (они же красивые) кварки (H → ); на тау-лептоны (H → τ+τ^–); на Z-бозон и фотон (H → Zγ).

    Соотношение между вероятностями различных распадов хорошо соответствует теоретическим ожиданиям. Бозон на уровне достоверности 97,8 % имеет правильные квантовые числа: нулевой спин и положительную четность. Наличие распада на два фотона исключает возможность спина, равного единице, а по угловым распределениям продуктов распада в остальных модах исключается и спин, равный двум.

    Придраться, по большому счету, не к чему, и остается только понять, что этот бозон значит в нашей жизни. Понять – это к нам с вами относится, физики уже поняли.

 
Зона столкновения пучков на Большом адронном коллайдере и расположенный в ней детектор ATLAS (источник)

               – Сергей Павлович, складывается впечатление, что бозон Хиггса – весьма «важная особа», за которой так долго и весьма настойчиво гонялись физики. Но для чего он так понадобился?

    – Действительно, к открытию бозона Хиггса подбирались долго. Истощивший свое терпение Леон Ледерман^[1] даже назвал бозон в одной из своих статей «Goddamned particle», т.е. «проклятая частица», – имея в виду неуловимость бозона. Журнальный редактор отбросил «damned», оставив «God» – получилось «частица Бога». Броский эпитет был подхвачен журналистами и прижился. Мне же больше всего в этой истории кажется удивительным то, что бозон Хиггса нужен не природе, а математикам. Но обо всем по порядку.

Предрассудки

    Бытует мнение, что открытие бозона Хиггса что-то прояснило в ранней истории Вселенной и даже пролило свет на ее происхождение. Это не совсем так. По современным представлениям бозон (или поле) Хиггса действительно отвечает за быстрое расширение Вселенной в эпоху до Большого взрыва (так называемую «инфляцию», или «раздувание»), но ниоткуда не следует, что бозон, открытый недавно в ЦЕРНе, и есть тот самый бозон. Это вполне может быть другой бозон. Название бозонов Хиггса – это собирательное название для целого класса частиц (полей), обладающих определенными свойствами, при этом роль разных бозонов в природе может быть совершенно различна. Во всяком случае требования, которые мы предъявляем к тому «космологическому» бозону и к нынешнему «ЦЕРНовскому», имеют друг с другом довольно мало общего.

Схема столкновений пучков в туннеле Большого адронного коллайдера,
в результате которых был обнаружен бозон Хиггса

    Есть еще одно расхожее мнение, будто бы бозон Хиггса объяснил, откуда у частиц берутся массы, и что в этом и заключается главная его ценность для теории. Тоже нужно уточнить. Объяснить-то объяснил, но количество необъяснимых величин в теории от этого меньше не стало. Произошло что-то вроде переклеивания ярлыков. Раньше, в до-Хиггсову эпоху, мы знали, что у элементарных частиц есть масса (у каждого сорта частиц своя), но не знали, почему величина этой массы именно такова, какова есть. В нынешней «хиггсовской» терминологии мы говорим, что наблюдаемые массы частиц есть результат их взаимодействия с Хиггсовым полем; сила этого взаимодействия определяется величиной соответствующей константы связи (константа строго пропорциональна массе), но почему эти константы именно таковы, мы по-прежнему не знаем. Сколько масс – столько констант.

    Более того, у таких употребительных частиц как протон и нейтрон, из которых построены атомы, – а значит и все, что мы называем веществом, – масса на 99 % обусловлена так называемым кварк-глюонным конденсатом, а вовсе не бозоном Хиггса. На этот счет мнение науки не изменилось: так было до открытия бозона, так осталось и теперь. Строго говоря, механизм Хиггса отвечает только за массы частиц, являющихся квантами слабого взаимодействия (W⁺, W^– и Z⁰ бозонов), за массы лептонов (в том числе электрона) и за так называемую токовую составляющую массы кварков. Доля этой токовой массы в общей массе (называемой «конституентной») у разных кварков различна. Из кварков складываются уже другие частицы, адроны; их превеликое множество (в их числе протон и нейтрон), но заниматься устройством составных частиц – это отдельная история, в одной статье мы все не успеем.

    Вернемся к «истинно элементарным» частицам – W^± и Z бозонам, лептонам, кваркам. Вся их совокупность после изобретения механизма Хиггса стала вести себя по-другому, иначе, чем мы думали раньше, и это позволило нам построить математически непротиворечивую теорию слабых взаимодействий. Вот здесь-то и есть заслуга Хиггса.

Проблемы до-Хиггсовой эпохи

    Но чтобы понять, какие перед теорией стояли проблемы и как бозон Хиггса помог их преодолеть, поговорим сначала о той теории, где эти проблемы решались без помощи бозона Хиггса – о более или менее нам знакомой теории электричества (электродинамике). Те, кто учился в школе, могут помнить закон Кулона: напряженность электрического поля, создаваемого точечным зарядом, ведет себя как обратный квадрат расстояния до заряда (E ~ r^–2). Электрическое поле – материальный объект, и с ним связана объемная плотность энергии, которая пропорциональна квадрату напряженности поля. Если же мы хотим сосчитать полную энергию поля, то эту плотность энергии надо проинтегрировать по всему пространству – по всем расстояниям от нуля до бесконечности, – и тогда мы увидим, что интеграл расходится (причем на малых расстояниях, что есть синоним больших энергий). Это значит, что полная энергия поля, создаваемого точечным зарядом, обращается в бесконечность, а, по соотношению Эйнштейна, где энергия – там и масса, и значит масса любой точечной заряженной частицы (например электрона) должна быть бесконечной – в противоречии с фактами! Строго говоря, мы не можем поручиться, что электрон истинно точечный, но, во всяком случае, его радиус (если он и есть) согласно известным измерениям на много порядков меньше той величины, которую он должен был бы иметь, если бы вся масса электрона была обусловлена энергией создаваемого им поля.

    Проблема эта решается с помощью математического приема, называемого перенормировкой. Суть приема в том, что мы приписываем электрону бесконечно большую отрицательную «затравочную» массу и постулируем, что бесконечный отрицательный затравочный вклад, будучи сложен с бесконечным положительным вкладом от Кулоновского поля, дает в точности наблюдаемую массу частицы. Красиво это или нет, но таким способом мы устанавливаем правила игры для сокращения бесконечностей и с этих пор можем однозначно проводить вычисления, не наталкиваясь на противоречия. И потом сравнивать результаты вычислений с результатами измерений. И до сих пор согласие во всех случаях было просто изумительным. А то, что «затравочная» масса отрицательна – не беда. Ведь ни «затравочная», ни «полевая» масса по отдельности не измеряются, так как мы в принципе никогда не можем отделить заряженную частицу от создаваемого ею поля. А значит, ни одна из этих «масс» сама по себе физической величиной не является, а физический смысл имеет только их сумма.

    Помимо массы в электродинамике существует еще два типа расходимостей, так что перенормировке приходится подвергнуть еще константу взаимодействия с фотоном (заряд электрона) и волновую функцию фотона. Но зато, совершив три раза «сделку с совестью», мы получаем законченный набор правил игры на все случаи жизни. В электродинамике существует замечательная теорема: как бы ни были сложны вычисления, никаких новых типов расходимостей никогда не возникнет, все обязательно сводится к этим трем, с которыми мы уже договорились как обращаться. Теории, в которых все расходимости устраняются конечным числом соглашений, называются перенормируемыми.

    Теория слабых взаимодействий построена в общем и целом по образцу электродинамики, но с некоторыми важными отличиями. Природе зачем-то понадобилось, чтобы частицы, аналогичные фотону и отвечающие за перенос слабых взаимодействий (т.е. W⁺, W^– и Z бозоны), были, в отличие от фотона, массивны. Это экспериментальный факт, – поскольку все упомянутые бозоны открыты, и их массы измерены, – и он имеет самые плачевные следствия для перенормируемости. А именно, по мере усложнения расчетов может возникнуть бесконечно большое количество новых типов расходимостей, требующих соответственно введения бесконечного количества новых правил обращения с ними. Понятно, что теорией это уже назвать нельзя, и от ее предсказательной силы не остается ничего. Бозон Хиггса помог вернуть ту перенормируемую благодать, которой мы наслаждались в электродинамике. Посмотрим же, как ему это удалось – а для этого надо сделать еще два отступления.

Что такое вакуум

    Рассказывая о свойствах бозона Хиггса, приходится отказываться от многих привычных представлений. В частности, от взглядов на вакуум как на пустое пространство (О «пустотности» вакуума напоминает и само его название, имеющее в русском языке общий корень с «эвакуацией» и «вакансией»). В современном определении вакуумом называется не пустота, а состояние с наименьшей возможной энергией. При этом вакуум может быть наполнен физическими полями самой разнообразной природы. Представления о вакууме как о материальной среде стали складываться в первой половине двадцатого века. А в наши дни вакуум чем только не заполнен – тут и Дираково электронное море (дырки в котором называются позитронами), и неизбежные квантовые флуктуации всех существующих в природе полей, и уже вскользь упомянутый глюонный конденсат... и, наконец, бозон Хиггса. Вы спросите, как же мы могли раньше жить и не догадываться о материальном наполнении вакуума? А приблизительно так же, как мы могли жить и не догадываться об атмосферном давлении. Попробуйте поставьте на себя столько ведер воды, чтобы в высоту они достигали десяти метров – это как раз давление в одну атмосферу. Но мы его не ощущаем, потому что давление действует на нас со всех сторон, и силы взаимно уничтожаются. Мы замечаем не само давление, а только его перепад, например, когда дует ветер. Точно так же мы не замечаем и «атмосферу» Хиггсова конденсата, пока она спокойна. Но когда в ней разгуливаются волны, мы регистрируем возбуждение и называем его частицами – бозонами Хиггса, как называем фотонами электромагнитные волны.

    Когда мы предполагаем (или постулируем) существование Хиггсовского поля, мы также приписываем ему определенные свойства. А именно, что это поле само с собой взаимодействует, причем таким образом, что зависимость плотности энергии от величины поля выглядит как на рисунке 1. Такой вид потенциальной энергии ниоткуда не вытекает, это именно постулат, или исходное положение теории: давайте предположим, что свойства поля таковы, и посмотрим, какие отсюда получаются замечательные следствия.

 
Рисунок 1. Зависимость плотности энергии U от величины поля H (Хиггсовского поля)

    Рисунок с одномерной осью для величины поля, конечно, сильно упрощен: поле Хиггса может принимать не только действительные, но и комплексные значения. Кроме того, оно обладает слабым изотопическим спином, то есть может принимать разные направления в слабом изотопическом пространстве. Но для наших качественных рассуждений эти усложнения сейчас не так уж важны. Важно то, что состояние с нулевой плотностью поля Хиггса не является энергетическим минимумом и потому неустойчиво. Любой из минимумов, расположенных справа или слева, может с одинаковым успехом быть вакуумом, и природа обязательно скатится в один из них; в какой именно – дело случая (спонтанный выбор природы), но какой бы минимум природа ни выбрала, величина Хиггсова поля в этом состоянии будет ненулевой. Весь график как целое вполне симметричен, как симметричны и описывающие его уравнения; но любое решение этих уравнений, соответствующее физическому требованию минимальности энергии, поневоле несимметрично. Произошло так называемое спонтанное нарушение симметрии. Это ключевой момент в механизме Хиггса.

    Тут, кстати, полная аналогия со спонтанным намагничением ферромагнетиков: у них наинизшее энергетическое состояние тоже соответствует ненулевому макроскопическому магнитному полю. Направление поля может быть любым, но абсолютная величина его равна не нулю, а вполне определенному значению. И тоже: все направления в пространстве были в исходных уравнениях магнетизма равноправны, но их равноправие в физически реализовавшейся системе утратилось – из равных возможностей система сама выбрала одну. При этом основополагающие-то уравнения не перестали быть симметричными – и этот факт нам скоро пригодится. Постараемся его не забыть.

Что такое масса

    Взаимодействие частиц с заполняющим все пространство полем Хиггса приводит к появлению у частиц массы. Частицы, условно говоря, в этом конденсате «вязнут» и приобретают инерционность. В популярных изложениях обычно упоминают продавца мороженого, облепленного детьми, или королеву, окруженную подданными, – смысл тот, что подвижность увешанных толпой мороженщика или королевы сильно уменьшается, и они как бы «становятся массивными». Более строгие научные аналогии можно найти в физике твердого тела. Так, электрон проводимости движется в кристалле как частица с некоторой «эффективной» массой, сильно отличающейся от его истинной массы. Эта эффективная масса есть в действительности результат взаимодействия электрона с окружающей средой. Для вычисления проводимости гораздо удобнее пользоваться «эффективной массой», чем возиться с полным описанием среды. Так же удобно и вполне допустимо считать частицей и дырку в полупроводнике p-типа. Мы понимаем, что дырка не истинная частица, и что электрон имеет совсем иную истинную массу, но только потому, что можем вынуть электрон из кристалла и исследовать изолированно. Однако мы никогда не можем вынуть элементарную частицу из вакуума, то есть из пространства, – и поэтому та масса, которую частица пробрела от взаимодействия с Хиггсовым вакуумом, и есть ее истинная масса.

Как оно работает

    Итак, мы постулировали выражение для потенциальной энергии поля Хиггса таким образом, чтобы в низшем энергетическом состоянии (в вакууме) плотность поля была ненулевой, смотрим снова на рисунок 1. Природа могла выбрать правый минимум, а могла левый, но в любом случае картинка получается скособоченная – малые возбуждения над вакуумом поневоле асимметричны, они всегда привязаны к минимуму потенциальной энергии.
Далее, мы постулировали взаимодействие элементарных частиц с полем Хиггса, благодаря которому частицы приобрели массу, пропорциональную вакуумному среднему поля Хиггса. Отличие от ситуации, когда масса изначально задается «руками» (т.н. жесткое введение массы) в том, что масса, введенная через Хиггсово поле (т.н. мягкое введение), не есть постоянная величина. Она меняется, если меняется Хиггсово поле.

    А теперь переведем взгляд на верхнюю часть рисунка, на область больших энергий. С этой высоты уже не важны мелкие детали рельефа вблизи донышка потенциальной ямы, и все поведение нашей системы становится симметричным, как то и было свойственно нашим основным уравнениям. Хиггсово поле свободно перекатывается из одной ямки в другую, и его среднее значение стремится к нулю. То есть восстанавливается то поведение, которое было бы у безмассовых частиц (как если бы минимум у потенциальной ямы был один). Восстанавливается наша спонтанно нарушенная симметрия – а в этом случае снова начинает работать теорема о перенормировках. При симметричном устройстве системы наиболее вредные расходимости сокращаются, а остаются только те, с которыми мы умеем справляться процедурой перенормировки.

    В тех науках, где переносчики взаимодействий были уже изначально безмассовыми, как фотоны в электродинамике и глюоны в хромодинамике, – там все сразу было перенормируемо и удобно для вычислений. А вот переносчики слабых взаимодействий – W и Z бозоны – оказались почему-то массивными. И нам пришлось с этим бороться. И тогда мы придумали бозон Хиггса и механизм спонтанного нарушения симметрии, которые нам обеспечили переход от массивных W и Z бозонов при низких энергиях (по существу вблизи вакуума, в области, доступной для нашего наблюдения) к безмассовым бозонам при высоких энергиях (там, где расходятся злосчастные интегралы). Итоги можно выразить в виде почти афоризма – Хиггсов механизм не столько объяснил происхождение массы, сколько помог от этой массы избавиться.

Мир горний и мир дольний (до и после спонтанного нарушения симметрии)

    Итак, смысл существования бозона Хиггса для нас в том, что он нам позволил соединить казалось бы несоединимые вещи: область высоких-превысоких энергий, где у W и Z бозонов масс быть не должно (чтобы не возникали неустранимые расходимости) с областью низких энергий, где у W и Z бозонов масса есть как экспериментальный факт. Природа пошла математикам навстречу и там, в «горних высях», бозонам массу не дала. Частицы обзаводятся массой только для жизни на дне; масса возникает как результат взаимодействия с различными вакуумными конденсатами.

    Природа так поступила не единожды. Помните, мы говорили, что масса протона обусловлена глюонным конденсатом? Так вот, при увеличении энергии глюонный конденсат исчезает, а вместе с ним исчезает и масса у образующих протон кварков. Протон при этом перестает существовать как нечто целое и распадается на несвязанные кварки. То, что получается, называется кварк-глюонной плазмой. Но о ней мы поговорим когда-нибудь в следующий раз; за ее свойства отвечают сильные взаимодействия, а мы пока заняты слабыми. Но некоторый урок из аналогии извлечь можно. Если бы нам не удалось открыть бозон Хиггса как самостоятельную фундаментальную частицу, еще оставалась бы надежда спасти теорию слабых взаимодействий, организовав Хиггсов бозон как составной объект.

    Хотя если посмотреть пошире, за рамки физики элементарных частиц, то окажется, что мы этот урок уже проходили. Совершеннейший эквивалент Хиггсова механизма с составным конденсатом мы видели в физике твердого тела, в теории сверхпроводимости. Там это был конденсат Куперовских электронных пар. Ничто не ново под Луной.

О красоте

    Механизм Хиггса не только разрешил наши технические проблемы, но и позволил обустроить жизнь красиво. Потому что это красиво, когда все столь казалось бы разные взаимодействия удается описать с единых позиций и вывести для них основные уравнения из единого общего принципа. Этот принцип носит название локальной калибровочной инвариантности. Все взаимодействия устроены по одному образцу и отличаются только устройством соответствующего заряда. Электрический заряд – просто число. Положительное или отрицательное, но просто число, а заряд сложной системы получается простым арифметическим сложением зарядов ее частей.

    Слабый заряд в математическом отношении похож на спин, только поворачивается в разные стороны не в нашем обычном пространстве, а в своем калибровочном (слабом изотопическом). Состояние системы задается уже не одним числом, а двумя: полным слабым спином и его проекцией на некоторую ось в калибровочном пространстве. Правило сложения «брутто» для полного спина не годится, но есть свои строгие правила, такие же, как для обычного спина.

    Сильный заряд называется цветом. Он до некоторой степени тоже похож на спин, только еще посложнее. Калибровочное пространство у него не трехмерное, а восьмимерное, а состояние системы описывается тремя числами: «полным цветом» и его проекциями на две некоторые оси в калибровочном пространстве. Профессионалы вместо слов «полный цвет» говорят «размерность неприводимого представления».

    А теперь переходим к этому яркому воплощению демократических свобод и всеобщей толерантности – принципу локальной калибровочной инвариантности. Суть его в том, что наблюдатели, расположенные в разных точках пространства, имеют право установить ориентацию осей в калибровочном пространстве каждый по-своему, как кому понравится, и никто не вправе их этой свободы лишить (с единственным ограничением, что изменение калибровочной системы координат происходит от точки к точке непрерывно). Но при этом мы постулируем, что уравнения движения частиц должны при любом выборе выглядеть одинаково.

    Как удовлетворить этому требованию? Уравнения движения свободных частиц (например, кварков или электронов или других лептонов) содержат производную, и теперь в ней запутывается как «истинное» изменение волновой функции частицы, так и «кажущееся», связанное с изменением системы координат. Избавиться от лишнего слагаемого в производной можно с помощью дополнительных «компенсирующих» полей. То есть в дополнение к исходным полям для лептона или кварка мы вводим в систему уравнений другие поля, тоже меняющиеся при повороте осей в калибровочном пространстве, но так, чтобы это изменение в точности компенсировало «лишние» члены. Понятно, что уравнения для этих компенсирующих полей устанавливаются совершенно однозначно, потому что точно известно, что именно нужно компенсировать. Так вот оказывается, что для электрического заряда таким компенсирующим полем является электромагнитное – вместе с вытекающими прямо из калибровочного принципа уравнениями Максвелла. Для слабого заряда это поля W^± и Z бозонов, а для сильного заряда – поля глюонов. Аналоги уравнений Максвелла в двух последних случаях называются уравнениями Янга-Миллса. (Этот вот трехглавый сильно-слабо-электромагнитный дракон собственно и называется Стандартной моделью. Конечно в совокупности с перечнем всех фундаментальных частиц и их классификацией по типу зарядов.)

    И все бы замечательно, если бы не досадная мелочь. Фермионы (электрон или другие лептоны, а также кварки) участвуют в слабых взаимодействиях по-разному в зависимости от своей спиральности. Экспериментальный факт. Слабые взаимодействия – единственные из нам известных, которые различают лево- и право-спиральные состояния. Это плохо не само по себе, а тем, что понятие спиральности для массивных частиц на поверку оказывается двусмысленным. Напомним, что спиральность – это проекция спина частицы на ее импульс. А если у частицы ненулевая масса, то она всегда движется медленнее, чем со скоростью света, и поэтому частицу всегда можно «обогнать», то есть перейти в систему отсчета, движущуюся в том же направлении, только с большей скоростью. А в такой системе отсчета импульс частицы будет иметь уже противоположное направление, а вместе с ним изменит знак и спиральность. Но если сила взаимодействия, характеризуемая условным «зарядом», зависит от системы отсчета, – то это значит, что такой инвариантный заряд просто нельзя определить. Вернее, нельзя так определить, чтоб он сохранялся. А тогда рушится вся эта красивая схема с выводом всех уравнений из единого принципа. Потому что соблюдение калибровочной инвариантности и существование соответствующего сохраняющегося заряда – это с математической точки зрения одно и то же. Теорема Нетер. Можно бы конечно уравнения и не выводить, а просто их постулировать как есть, на предсказательной силе это не отражается. Но обидно. Страдает чувство, что мы было ухватили в природе какую-то важную закономерность.

    Гипотеза спонтанного нарушения симметрии рисует нам иную картину. В этой картине есть место миру исходно ненарушенной симметрии, где уравнения все калибровочно-инвариантны, масс у частиц нет, понятие спиральности определено однозначно и заряды сохраняются. Ничто не мешает вывести уравнения Янга-Миллса из калибровочного принципа. И потом спуститься в мир дольний. Частицы тогда приобретут массу, а вместе с тем перестанет сохраняться и слабый заряд. Но теперь нам это не страшно, потому что механизм Хиггса ясно указывает, откуда недостающий заряд берется и куда девается лишний. Ответ: сливается в вакуум. В вакуум, где его неиссякаемые запасы аккумулированы в Хиггсовом конденсате. То есть слабый заряд все-таки есть, но какое ж может быть сохранение, если система не замкнута? Мы постоянно обмениваемся слабым зарядом с вакуумом. Так опять соединяются несоединимые вещи – заряд как синоним закона сохранения есть, а самого-то сохранения и нет. Математика!

    Для полноты удовольствия осталось навести ясность со степенями свободы.

    Мы знаем, что у систем с равным единице спином имеется три квантовых состояния. Кому-то припомнятся триплетные уровни в атомной физике, а в нашем случае речь пойдет о поляризации векторных частиц, каковыми являются все калибровочные бозоны. Если частица массивная, то состояний поляризации у нее три (два поперечных и одно продольное), а если безмассовая, подобно фотону, то только два, поперечных. Давайте теперь вспомним про поперечную поляризацию фотонов, нам еще в школе про нее говорили. Теперь самое время начинать волноваться, потому что в мире ненарушенной симметрии у безмассовых прародителей W^± и Z⁰ бозонов было по два состояния поляризации, а у массивных стало по три.

    Откуда взялись эти лишние степени свободы? А вот откуда: в мире ненарушенной симметрии у Хиггсова поля была не одна степень свободы, а четыре. Я говорил уже, что поле Хиггса принимает комплексные значения (а каждое комплексное число эквивалентно двум действительным) и что оно обладает слабым спином (который в своем слабом изотопическом пространстве может быть направлен «вверх» или «вниз»). И не случайно я назвал сейчас безмассовые поля в мире ненарушенной симметрии прародителями калибровочных бозонов, а не самими бозонами, потому что они превратились в известные нам фотон, W⁺, W^– и Z⁰ бозоны не прямо, а образовав друг с другом некоторую квантовую суперпозицию. В этой квантовой суперпозиции поучаствовали и поля Хиггса. И в результате три из четырех Хиггсовых полей сменили прописку и устроились «на работу» третьими (продольными) компонентами в поляризации массивных бозонов. Только одно поле осталось под своим прежним именем, и его-то мы и открыли в ЦЕРНе. Перераспределение степеней свободы составляет один из существенных узлов общей теории электрослабых взаимодействий.

    Идейный прорыв? – да; он состоит в догадке, что исходные законы по замыслу Божьему совершенны и симметричны (и тем обеспечивают нам и перенормируемость и сохранение зарядов), а видимая нами в мире дольнем «кособокость» законов только кажущаяся, она есть результат кособокого устройства вакуума, ставшего таковым из-за вмешательства бозона Хиггса. Вот мы и нашли виноватого. И отчего бы бозону Хиггса не называться поэтому частицей дьявола? Но в божественном совершенном мире есть ли место для человека?

    Чтобы найти ответ на это, следует поговорить о двух других, детских, вопросах.

Что было бы, если бы...

    А что бы было, если бы вовсе не было в природе слабых взаимодействий? Мы это как-нибудь невооруженным глазом заметили бы?

    Да, заметили бы! Тогда бы Солнце не светило. Потому что два протона, столкнувшись, не могли бы превратиться в ядро дейтерия – а это первый шаг в цепочке реакций, превращающих водород в гелий и служащих главным источником солнечной энергии.

    А что бы было, если бы слабые калибровочные бозоны были безмассовыми?

    Тогда, вероятнее всего, Солнце имело бы другие размеры; вероятно, оно было бы больше, чем нынешняя орбита Земли и даже чем орбита любой из планет. Размер всякой звезды определяется равновесием между силами тяготения, зависящими от массы звезды, и тепловым давлением, зависящим от интенсивности энерговыделения в ядерных реакциях. С безмассовыми W бозонами превращение водорода в гелий происходило бы намного легче и быстрее (во многие триллионы раз), и тепловое давление не позволило бы Солнцу сжаться до его нынешних размеров.

    В обоих случаях жизнь в известной нам форме была бы невозможна.

    – Сергей Павлович, позвольте задать Вам еще один детский вопрос: а насколько открытие бозона Хиггса «тянет» на великое? Или, более серьезно, это открытие привнесет что-либо новое в уже существующую картину мира?

    Существует мнение, и я его разделяю, что Нобелевскую премию давать было и необязательно. Ну в самом деле – кому? Механизм Хиггса известен в физике твердого тела уже достаточно давно, с 1965 года, так что в нем самом как таковом большой новизны пожалуй нет. Принципиальная новизна была тогда, когда удалось приспособить его к нуждам физики элементарных частиц и построить с его помощью общую теорию электрослабых взаимодействий. Но теоретики Шелдон Глэшоу, Стивен Вайнберг и Абдус Салам свою Нобелевскую премию за эту теорию уже получили в 1979 году, как и с большой отсрочкой Ётиро Намбу в 2008 году за механизм спонтанного нарушения симметрии в физике элементарных частиц.

    Экспериментальная проверка теории требовала открытия предсказанных ею W и Z бозонов – квантов-переносчиков слабых взаимодействий, и экспериментаторы Карло Руббиа и Ван дер Мер свою Нобелевскую премию за их открытие уже тоже получили в 1984 году. Учитывая, что коллаборации насчитывали по несколько сотен соавторов, заслуга была сформулирована как «решающий вклад в большой проект».

    Над открытием бозона Хиггса трудились две коллаборации уже по три с лишним тысячи человек в каждой, CMS и ATLAS. Кому давать премию? Опять руководителям? Но в коллаборациях действует принцип ротации – руководители каждые два года меняются, – а сами коллаборации существуют уже лет по 20, и можно сказать, только случай застал нынешних руководителей на посту, когда случилось открытие. Вернее – когда набралась статистика, достаточная для осторожных выводов.

    Но с другой стороны, и не давать премию тоже было нельзя. LHC, по большому счету, строился именно ради бозона Хиггса. Бозоном Хиггса оправдывались перед финансовыми организациями.

    Пожалуй, можно не сомневаться, что новая частица открыта и что открыта именно та частица, которая была нужна Стандартной модели. Но остается вопрос, а закончились ли открытия? Это была последняя из еще неоткрытых частиц или только самая легкая из нового семейства? Часть проблем старой теории триумфально разрешилась, но многое осталось необъясненным, в том числе осталась проблема иерархии масс частиц и проблема радиационных поправок к массе самого бозона Хиггса. Для их объяснения естественнее предположить существование каких-то новых объектов на масштабе порядка ТэВ; в противном случае придется предполагать случайную точную подстройку параметров.

               Я скорее соглашусь с Рубаковым В.А.^[2], считающим, что мы вступаем в новую эру и что наш бозон – только кончик ниточки. Да ведь и в мире обычных частиц открытия посыпались градом: впервые, и притом сразу во множестве, обнаружились новые типы мезонов, выходящие за рамки классической схемы кварк-антикварк. Нет-нет, я – за кончик ниточки!

    – На Ваш взгляд, упреки в адрес современных науки и ученых – наука-де деградирует, нет по-настоящему великих ученых – справедливы? Или же все совсем по другому?

Кадр из к/ф Весна (Мосфильм, 1947 г.).
Герой Р. Плятта объясняет специфику работы ученых:
«Как они работают? Вот так сел, задумался… Открыл!
Самое главное – задуматься… Вот так. И полный порядок!»

    Ученый – парадоксальная профессия, его удел – делать то, чего никто не умеет, в том числе и он сам, потому что когда решение найдено, задача переходит из разряда научных в разряд инженерных, и ею тогда занимаются другие люди, а ученый снова остается один на один с неизвестностью.

    С наукой все обстоит несколько иначе, чем представляется обычному наблюдателю. Особенно это касается фундаментальной науки, от которой есть как прямой эффект, так и косвенный. Большинство современных технических новинок и «удобств цивилизации», по сути дела – побочный продукт фундаментальной науки. Например, тот же Интернет, без которого не мыслится сегодняшний день. Использование открытий «по прямому назначению» тоже случается, но не всегда и не быстро. Наука сродни экспедиции, которую мы снаряжаем, не зная, что нас ждет: горы, равнины, пустыни, болота… И мы, по сути дела, пускаемся в путь вслепую, на помощь нам приходят только накопленные знания и опыт (если они есть в этой области) и интуиция ученого.

    Жизнь устроена так, что мы ставим перед собой совершенно «игрушечные», казалось бы, никому не нужные задачи. Ищем этот не понятный бозон Хиггса, проверяем на «прочность» Стандартную модель, пытаемся смоделировать рождение Вселенной. Но под предлогом этих искусственных для далекого от науки человека задач мы развиваем самые передовые технологии, которые потом входят в нашу жизнь и меняют ее в корне.

    После ньютоновской теории в течение 200 лет почти ничего не менялось. И это было время накопления знаний, проверки, что и насколько укладывается в рамки этой физики. А потом появились проблемы, которые не смогли в нее вписаться: определение скорости света, объяснение спектра излучения твердого тела (в результате «выскочила» константа Планка) и многое другое. Мы стали интересоваться хаосом, вдруг осознав, что ньютоновская механика скорее исключение, чем правило жизни. Стали развиваться квантовая механика, общая и специальная теории относительности. Кстати говоря, один весьма игрушечный вопрос – «Почему ночью темно?» (т.н. фотометрический парадокс Ольберса – Прим. редакции) – привел к развитию целого астрофизического направления. И окончательно разрешен этот вопрос был лишь в XX веке: порядка ста лет искали ответ!

    Думаю, и сейчас мы находимся на стадии осмысления, накопления опыта по уже полученным знаниям и открытиям. В, частности, возвращаясь к бозону Хиггса, здесь одна из задач – подтверждение Стандартной модели, поиск того, что может быть за ее рамками. И в какой-то момент этого процесса познания появится еще один детский вопрос, который даст импульс новой физике, которая сейчас не видна.

Беседовала Е. Любченко, АНИ «ФИАН-информ»

___________________________________________

           ^[1] Ледерман Леон Макс – американский физик, лауреат Нобелевской премии по физике 1988 года за открытие мюонного нейтрино («For the neutrino beam method and the demonstration of the doublet structure of the leptons through the discovery of the muon neutrino»). К тексту

           ^[2] Рубаков Валерий Анатольевич – российский физик-теоретик, один из ведущих мировых ученых в области квантовой теории поля, физики элементарных частиц и космологии, академик РАН, доктор физико-математических наук. В настоящее время занимает должность заместителя директора Института ядерных исследований (ИЯИ) РАН. К тексту