Бозон Хиггса пытаются найти десятки лет, но пока безуспешно. Между тем без него ключевые положения современной теории микромира зависают в воздухе.
Исследование частиц началось не так давно. В 1897 году Джозеф Джон Томсон открыл электрон, а через 20 лет Эрнест Резерфорд доказал, что ядра водорода входят в состав ядер прочих элементов, и позднее назвал их протонами. В 1930-х были обнаружены нейтрон, мюон и позитрон и предсказано существование нейтрино. Тогда же Хидеки Юкава построил теорию ядерных сил, переносимых гипотетическими частицами в сотни раз тяжелее электрона, но много легче протона (мезонами). В 1947 году следы распадов пи-мезонов (пионов) нашли на фотопластинках, экспонированных в космических лучах. Позднее обнаружили и другие мезоны, причем некоторые из них тяжелее не только протона, но и ядра гелия. Физики также открыли множество барионов, тяжелых и поэтому нестабильных родственников протона и нейтрона. Когда-то все эти частицы называли элементарными, но такая терминология давно устарела. Сейчас элементарными принято считать только несоставные частицы — фермионы (с половинным спином — лептоны и кварки) и бозоны (с целочисленным спином — переносчики фундаментальных взаимодействий).
Индивидуальные названия элементарных и составных частиц обычно не связаны с именами конкретных ученых. Однако почти 40 лет назад была предсказана еще одна элементарная частица, которой присвоили имя живого человека, шотландского физика Питера Хиггса. Подобно переносчикам фундаментальных взаимодействий, она имеет целочисленный спин и принадлежит к классу бозонов. Однако спин ее равен не 1, а 0, и в этом отношении у нее нет аналогов. Вот уже десятки лет ее ищут на самых крупных ускорителях — закрытом в прошлом году американском «Тэватроне» и функционирующем сейчас Большом адронном коллайдере под пристальным вниманием мировых СМИ. Ведь бозон Хиггса очень нужен современной теории микромира — Стандартной модели элементарных частиц. Если его не удастся обнаружить, ключевые положения этой теории зависнут в воздухе.
Элементарные частицы Стандартной Модели. Фермионная группа (с полуцелым спином) состоит из лептонов и кварков т.н. трех поколений. Заряженные лептоны - это электрон и его массивные аналоги мюон и тау-частица (и, естественно, их античастицы). У каждого лептона имеется нейтральный партнер в лице одной из трех разновидностей нейтрино (тоже с античастицами). Семейство бозонов, спин которых равен единице – это частицы, которые переносят взаимодействия между кварками и лептонами. Некоторые из них не имеют ни массы, ни электрического заряда - это глюоны, обеспечивающие межкварковые связи в мезонах и барионах, и фотоны, кванты электромагнитного поля. Слабые взаимодействия, которые проявляют себя в процессах бета-распада, обеспечивает тройка массивных частиц - двух заряженных, и одной нейтральной.
Калибровочные симметрии
Начало пути к бозону Хиггса можно отсчитывать от короткой статьи, опубликованной в 1954 году перебравшимся в США китайским физиком Янг Чжэньнином и его коллегой по Брукхэйвенской национальной лаборатории Робертом Миллсом. В те годы экспериментаторы открывали все новые и новые частицы, изобилие которых никак не удавалось объяснить. В поисках перспективных идей Янг и Миллс решили опробовать возможности очень интересной симметрии, которой подчиняется квантовая электродинамика. К тому времени эта теория доказала свою способность давать великолепно согласующиеся с опытом результаты. Правда, в ходе некоторых вычислений там появляются бесконечности, однако от них можно избавляться с помощью математической процедуры, названной перенормировкой.
Существует четыре основных способа (как говорят физики, канала) рождения бозона Хиггса. Основной – это слияние глюонов (gg) при столкновении протонов и антипротонов, которые взаимодействуют посредством петель тяжелых топ-кварков. Второй канал – это слияние виртуальных векторных бозонов WW или ZZ (WZ), излучаемых и поглощаемых кварками. Третий канал рождения бозона Хиггса – это т.н. ассоциативное рождение (совместно с W- или Z-бозоном). Этот процесс иногда называют Higgsstrahlung (по аналогии с немецким термином bremsstrahlung - тормозное излучение). И, наконец, четвертый – слияние топ-кварка и антикварка (ассоциативное рождение совместно с топ-кварками, tt) из двух топ-кварк-антикварковых пар, порожденных глюонами. Сам бозон Хиггса «невидим», однако его можно обнаружить по «отпечаткам пальцев» - то есть по характерной картине распада. Существуют множество вариантов распада, которые в зависимости от массы бозона имеют различные вероятности, показанные кривыми на приведенном графике. Наибольшую вероятность имеют каналы распада бозона Хиггса на самые массивные пары частица-античастица – скажем, в районе 120 ГэВ это будут пары b-кварк-антикварк и WW.
Симметрию, заинтересовавшую Янга и Миллса, в 1918 году ввел в физику немецкий математик Герман Вейль. Он назвал ее калибровочной, и это название сохранилось до наших дней. В квантовой электродинамике калибровочная симметрия проявляется в том, что волновую функцию свободного электрона, которая представляет собой вектор с вещественной и мнимой частью, можно непрерывно поворачивать в каждой точке пространства — времени (из-за чего симметрия называется локальной). Эта операция (на формальном языке — изменение фазы волновой функции) приводит к тому, что в уравнении движения электрона появляются добавки, которые необходимо скомпенсировать, чтобы оно сохранило силу. Для этого туда вводится дополнительный член, который описывает электромагнитное поле, взаимодействующее с электроном. Квантом этого поля оказывается фотон, безмассовая частица с единичным спином. Таким образом из локальной калибровочной симметрии уравнения свободного электрона следует существование фотонов (а также и постоянство электронного заряда). Можно сказать, что эта симметрия предписывает электрону взаимодействовать с электромагнитным полем. Любой фазовый сдвиг становится актом такого взаимодействия — например, испусканием или поглощением фотона.
Связь калибровочной симметрии с электромагнетизмом была выявлена еще в 1920-е годы, однако особого интереса не вызывала. Янг и Миллс первыми попытались применить эту симметрию для конструирования уравнений, описывающих частицы иной природы, нежели электрон. Они занялись двумя «старейшими» барионами — протоном и нейтроном. Хоть эти частицы и не тождественны, но по отношению к ядерным силам они ведут себя практически одинаково и имеют почти одинаковую массу. В 1932 году Вернер Гейзенберг показал, что протон и нейтрон можно формально считать различными состояниями одной и той же частицы. Для их описания он ввел новое квантовое число, изотопический спин. Поскольку сильное взаимодействие не делает различий между протонами и нейтронами, оно сохраняет полный изотопический спин, подобно тому как электромагнитное взаимодействие сохраняет электрический заряд.
Янг и Миллс задались вопросом, какие локальные калибровочные преобразования сохраняют изоспиновую симметрию. Было ясно, что они не могут совпадать с калибровочными преобразованиями квантовой электродинамики — хотя бы потому, что речь шла уже о двух частицах. Янг и Миллс проанализировали совокупность таких преобразований и выяснили, что они порождают поля, чьи кванты предположительно переносят взаимодействия между протонами и нейтронами. Квантов в данном случае было три: два заряженных (положительно и отрицательно) и один нейтральный. Они имели нулевую массу и единичный спин (то есть были векторными бозонами) и перемещались со скоростью света.