Бозон Хиггса (на жаргоне физиков - просто хиггс) ищут и не могут найти уже несколько десятилетий. Его существование вытекает из теоретической модели, предложенной в 1964 году английским физиком Питером Хиггсом. Он придумал механизм, который обеспечивает появление массы у трех родственных частиц, промежуточных векторных бозонов. Они служат переносчиками слабого взаимодействия, которое отвечает за процессы бета-распада атомных ядер.
Теория утверждает, что оно непосредственно связано с электромагнитным взаимодействием, которое переносят фотоны. Поскольку фотоны не имеют массы покоя, радиус действия электромагнитных сил бесконечен. Слабое взаимодействие, напротив, проявляет себя лишь на очень малых дистанциях, сильно уступающих размерам атомных ядер. Это означает, что его переносчики обязаны иметь большие массы, во много десятков раз превосходящие массы протона и нейтрона.
Такая ситуация ставит перед теоретиками нелегкую задачу. Если электромагнетизм и слабые ядерные силы являются всего лишь различными сторонами одного и того взаимодействия (его называют электрослабым), то почему же их переносчики имеют столь различные массы? Теория Хиггса как раз и решает эту проблему. Она постулирует существование скалярного поля, пронизывающего все пространство и в чем-то напоминающего эфир, столь любимый физиками XIX века.
Все частицы, за исключением фотонов и переносчиков тяготения, гравитонов, приобретают массу просто потому, что это поле сопротивляется их движению. Иначе говоря, то, что мы считаем массой – просто проявление трения частиц о хиггсовское поле. Его кванты должны проявлять себя в виде сильно нестабильной частицы, хиггсовского бозона. Вычисления и данные эксперимента показывают, что ее масса скорее всего лежит в диапазоне от 115 до 190 протонных масс.
Промежуточные векторные бозоны были открыты в ЦЕРНе уже четверть века назад. А вот доказательство существования бозона Хиггса до сих пор остается самой заветной мечтой физиков-экспериментаторов. В ЦЕРНе вот-вот заработает крупнейший в мире протонный ускоритель на встречных пучках, Большой Адронный Коллайдер. Одним из главных стимулов к постройке этой гигантской и очень дорогой машины была как раз надежда на то, что уж там-то заветный хиггс будет обнаружен.
Однако физики вовсе не рассчитывают зарегистрировать хиггс в чистом виде. Если он существует, то крайне нестабилен и почти мгновенно распадается на другие частицы. Причем возможностей тут очень много, буквально десятки. Существование хиггса будет доказано, когда экспериментаторы надежно идентифицируют вторичные частицы, появление которых с высокой степенью вероятности можно будет объяснить именно распадом хиггсовского бозона. По целому ряду причин это очень непростая задача.
И вот здесь на середину сцены выходят промежуточные векторные бозоны. Как уже говорилось, их всего три, причем только два несут электрические заряды. Заряженные представители этого семейства обозначаются как W+ и W-, в то время как нейтральному присвоена буква Z. Теория утверждает, что бозон Хиггса легче всего распадается на парные состояния этих частиц. Отсюда следует, что для его открытия надо сначала научиться надежно регистрировать такие пары.
Именно этим уже много лет занимаются физики, работающие в Фермилабе. В последние годы они уже наблюдали рождение пар W-бозонов, а затем и пар, объединяющих W-бозоны и Z-бозоны. И вот теперь многосотенный интернациональный коллектив физиков, так называемая коллаборация DZero, объявил о долгожданной идентификации пар Z бозонов. Все эти результаты в совокупности могут стать подлинной прелюдией к регистрации хиггса.
Эти эксперименты возглавляют профессор Северо-Восточного университета Дариен Вуд и выпускник Московского физико-технического института Дмитрий Денисов. Мне повезло – удалось поговорить с обоими. Вот что они рассказали.
Дариен Вуд: Это был очень сложный поиск. Z-бозон тяжелее W-бозонов, так что его парные комбинации рождаются чрезвычайно редко. Мы изучали результаты столкновений пучков протонов и антипротонов, разогнанных в главном ускорителе Фермилаба, Тэватроне. На 200 триллионов соударений этих частиц пришлись лишь три события, сигнализирующие о рождении парных Z-бозонов. Точнее, мы идентифицировали не сами Z-бозонные пары, а продукты их распада на более легкие частицы, электроны или мюоны. Однако зарегистрированные сигналы настолько специфичны, что мы можем с уверенностью говорить о первом в мире наблюдении парных Z-бозонов.
Все наши результаты получены с помощью чрезвычайно чувствительного многоцелевого детекторного комплекса DZero, по имени которого названа наша группа. Эта установка весом в 5 тысяч тонн способна одновременно измерять энергии и импульсы сотен частиц, которые рождаются при взаимодействиях пучков в Тэватроне. Мы будем продолжать на ней работать и не исключено, что сможем обнаружить и бозон Хиггса. Но это надо сделать в ближайшие полтора-два года, пока будет работать Тэватрон. Если же ничего не выйдет, то эстафета перейдет к Большому Адронному Коллайдеру в ЦЕРНе».
Дмитрий Денисов: «Я тоже хотел бы подчеркнуть, что парное образование Z-бозонов – это чрезвычайно редкий процесс. Оно к тому же происходят на фоне множества других событий, которые очень усложняют его регистрацию. Так что пришлось сильно потрудиться, чтобы получить надежные данные.
В чем смысл этого результата? Если масса бозона Хиггса превышает примерно 140 протонных масс, он скорее всего распадется на пары типа WW и ZZ (при меньшей массе наиболее вероятен распад на b-кварк и его антикварк). Согласно стандартной модели элементарных частиц, у хиггсов больше шансов распадаться на пары W-бозонов, нежели на Z-бозонные пары. Однако такие исходы тоже возможны, и надо научиться их регистрировать. В противном случае может случиться так, что мы упустим хиггс только из-за того, что не сможем зарегистрировать его распад на Z-бозоны.
Сейчас мы уверены, что располагаем техническими средствами и методами анализа данных, которые позволяют надежно отслеживать все парные состояния промежуточных векторных бозонов. Это означает, что мы поднялись на последнюю, самую высокую ступеньку лестницы, которая потенциально ведет к открытию хиггсовского бозона. Конечно, нельзя исключить, что этой частицы вообще не существует. Механизм Хиггса, строго говоря, не вытекает из стандартной теории элементарных частиц, в то время как рождение бозонных пар она предсказывает достаточно надежно. Так что мы теперь дошли до последнего процесса, который четко в нее укладывается. А что будет дальше – вопрос открытый. Так что следите за сообщениями из Фермилаба!»
Алексей Левин