Пожалуй, сложно не согласиться, что главным героем научных новостей этого года стал Большой адронный коллайдер (Large Hadron Collider, LHC). Еще летом международная коллаборация ученых проекта заявляет о долгожданном открытии бозона Хиггса, осенью все обсуждают неизбежность Нобелевской премии, а вскоре, кажется, совершенно неожиданно, сообщается о закрытии коллайдера на ремонт и модернизацию. Андрей Владимирович Леонидов, ведущий научный сотрудник сектора физики высоких энергий ФИАН, помог нам разобраться в этих загадках главного научного эксперимента современности.

    - Какие основные итоги работы LHC на сегодняшний день?

    - Грандиозным событием является обнаружение бозона Хиггса. Хотя, кстати, само это словосочетание в научных статьях с LHC не употребляется. Тем не менее, все специалисты практически уверены, что наблюдается именно этот бозон.

    - Откуда тогда берутся такие аккуратные формулировки? Что это – дополнительная перестраховка?

    - Чтобы сказать, что обнаруженная частица – это бозон Хиггса, нужно быть уверенным, что у него спин равен нулю, а не двум. Но весь набор имеющихся экспериментальных данных еще не закрывает абстрактной возможности ненулевого спина. Так что этой осторожностью современная экспериментальная физика делает всё возможное, чтобы быть наукой, а не газетными публикациями. Люди очень аккуратно относятся к качеству материала, который дают, что для современного мира, по-моему, не очень характерно. Такая аккуратность особенно приятна и может только радовать.

    - Почему открытие бозона Хиггса так важно для современной физики?

    - Сама объединенная теория электрослабых взаимодействий была многократно подтверждена экспериментально  и в настоящий момент нет сомнений в её правильности. Но в этой теории есть одно тонкое место, связанное с калибровочной симметрией. Вы, наверное, слышали: основная калибровочная симметрия этой теории, а именно SU(2) симметрия, запрещает иметь исходные массы как для частиц материи – кварков и лептонов, так и для переносчиков слабых взаимодействий – W и Z бозонов. Принцип калибровочная инвариантность - это самое сердце теории и очень сложно представить, что сейчас могло бы его заменить.

    - Но ведь в реальности все эти частицы обладают массой?

    - Да, конечно, да! Но в теории всё, за что только ни возьмись, должно быть без массы. Но давайте начнем с переносчиков слабых взаимодействий. Исходно в теории они массивными быть не могут, а в эксперименте волшебным образом ведут себя, как если бы они были массивными. И как устроить непротиворечивую конструкцию, которая обеспечивает такое поведение? Нужно придумать такой механизм, чтобы при наших сравнительно низких энергиях частицы были эффективно массивными, а при высоких– безмассовыми.

    - А почему при высоких энергиях частицы всё равно должны оставаться безмассовыми?

    - Потому что теория вообще безмассовая, а массу вы можете дать только эффективным образом и только при низких энергиях. За счет спонтанного нарушения калибровочной симметрии, которое никаким нарушением симметрии на самом деле не является. Оно лишь имитирует нарушение – при низких энергиях появляется эффективная масса, а при высоких всё остается по-прежнему. Вот этот механизм обеспечивается за счёт наличия в модели поля Хиггса. Оно позволяет эффективно набрать лептонам массу одновременно с W и Z бозонами, не нарушая калибровочной симметрии. То есть одно комплексное скалярное поле решает сразу две проблемы. Из того, что я рассказал, видно, что это довольна тонкая конструкция и поэтому крайне интересная.

    - Как теперь дальше развивать эту конструкцию и Стандартную модель?

    - Начнем с того, что мы и так уже знаем очень многое. Знаем, что происходит с частицами материи, умеем хорошо описывать различные процессы. Но нам теперь нужно изучить и проверить механизм, который осуществляет вот это самое спонтанное нарушение. А придумать можно самые разные варианты этого механизма. Например, в сверхпроводнике тоже есть спонтанное нарушение симметрии, но оно происходит за счёт конденсации куперовских пар фермиона и нефермиона. И специалистам очень хотелось бы сделать что-то подобное в Стандартной модели.

    - А были попытки построить какие-то такие аналогичные сверхпроводникам теории в Стандартной модели?

    -  Да, конечно. Сверхпроводимость – это 60-ые годы, и с тех пор в  Стандартной модели неоднократно предпринимались разные попытки построить аналог теории куперовских пар. Но все эти попытки проваливаются из-за одной очень специальной черты Стандартной модели, а именно –  отсутствия нейтральных токов, смешивающих частицы материи из разных поколений. Если попробовать упрощено рассказать, у Вас нет нейтрального, то есть не меняющего электрический заряд, тока, который переводит частицы одного поколения в частицы другого. А все эти теории типично предсказывают наличие таких токов на уровне, запрещенном экспериментом.

    -  Почему тогда всем так хотелось построить теорию по образу сверхпроводимости?

    -  Потому что с фундаментальной точки зрения наличие скалярного поля, поля Хиггса –вещь очень неприятная. С такой теорией надо что-то делать, чтобы она была удовлетворительна с высшей точки зрения. И в этой обстановке было исключительно важно провести измерение, которое отвечает на вопрос – действует ли механизм придания массы, оговоренный современной наукой. Первый шаг на этом грандиозному пути сделан – обнаружена частица, которая по своим свойствам годится на роль обычного бозона Хиггса. Причём этот бозон сравнительно легкий, и теперь главная задача всех экспериментов по электрослабой теории на коллайдере – это точно промерить всё, что связано с жизнью этой частицы.  В значительно степени, с этой целью и производится модификация коллайдера.

    - Расскажите подробнее о планах модификации коллайдера.

    - Нужно произвести прецизионные измерения, которые ответят на вопрос – действительно мы наблюдаем бозон Хиггса или какую-то другую частицу. А для этого нужно увеличить чувствительность и, буквально, сделать детектор лучше. Это очень многоплановый процесс, часть из которого произойдет в будущем году. И российские физики, надо сказать, здесь очень активны. 25 ноября 2012 года, кстати, проходило общее совещание всех наших организаций, участвующих в работе ЦЕРН, и оно было очень впечатляющим.

    - Как в этих процессах будет участвовать ФИАН?

    - На текущей фазе ФИАН участвует в основном разработкой специализированного программного обеспечения. Там было сделано очень много всего: в коллаборации CMS, в коллаборации ATLAS. Вообще, участие России в создании этого коллайдера очень впечатляет. А результаты общей всемирной работы впечатляют еще больше. То, что удалось вытащить этот бозон Хиггса в условиях больших фонов – эта теперь знаменитая кривая вместе с горбиком – является выдающимся экспериментальным достижением.

    - Какие фоновые события мешали обнаружению бозона Хиггса?

    - Это очень специальный вопрос. Для того чтобы вытащить полезную информацию пришлось разработать исключительно тонкую процедуру анализа данных и выделения сигнала из шума. Целую экспериментальную стратегию. И, кстати есть еще одна деталь – обнаружение бозона особенно интригует еще потому, что никакой суперсимметрии на коллайдере пока не обнаружено. Те проблемы со свойствами скалярного поля, о которых я говорил раньше, могут решаться суперсимметрией, но её не видно. Так что кто и как в природе отвечает за решения проблемы самосоглованности теории при высоких энергиях сейчас не очень ясно.

    - Получается, ситуация перевернулась с ног на головы. Раньше физики знали, где искать бозон Хиггса и, наконец, его нашли, а теперь дальнейшие эксперименты идут вслепую?

    - Не совсем так, конечно, но ситуация поменялась. Физика стала больше экспериментальной, чем теоретической. И теперь в значительной части именно то, что мы увидим на эксперименте, будет определять дальнейшие теоретические шаги. Многие проекты и смелые расширения Стандартной модели закрыты или почти закрыты экспериментами, а вопреки этим эстетским ожиданиям реализуется простейшая версия Стандартной модели.

    - То есть многочисленные усложнения Стандартной модели оказались лишними?

    - Любое рассуждение всегда не может считаться окончательным. Какой-нибудь кусочек, какой-нибудь параметр всегда могут дорабатываться, но у всех таких вещей есть пределы. И, на мой взгляд, они почти достигнуты. Хотя, в скобках надо сказать, что Стандартная модель не является самым простым вариантом спонтанного нарушения симметрии. Была в своё время очень красивая и экономная модель Джорджи- Глэшоу, которую все теоретики очень любят. Но она предсказывала отсутствие наблюдаемых в рамках одного поколения нейтральных токов. Так что не всегда соображения простоты и изящества гарантируют правильность ответа.  Поэтому не будем сейчас загадывать, а лучше подождем новых экспериментальных результатов.

М. Петров, АНИ «ФИАН-Информ»

25.02.2013