К. филос. н. Горбатюк Т.В.

Национальный университет биоресурсов и природоиспользования, Украина

ОТКРЫТИЕ БОЗОНА ХИГГСА КАК НОВЫЙ ЭТАП РАЗВИТИЯ ЗНАНИЯ О ПРИРОДЕ МИКРОМИРА: МИРОВОЗЗРЕНЧЕСКИЙ АСПЕКТ

Поиски первоисточника и принципов существования мира захватывали воображение практически всех известных мыслителей в истории человечества. С развитием науки и научных представлений эти представления все более углублялись и становились более фундаментальными.

Усилиями нескольких поколений физиков ХХ века, многие из которых были отмечены Нобелевской премией, за прошедшие полвека произошел гигантский прогресс понимании того, как устроена материя на самом фундаментальном, глубинном уровне. Была создана так называемая Стандартная модель, которая объединяет на основе простых и общих принципов все фундаментальные взаимодействия, известные сегодня, а именно электромагнитное, слабые и сильное, она же с невероятно высокой точностью объясняет большое количество фактов и характеристик нашего мира.

Одним из краеугольных камней Стандартной Модели есть «бозон Хиггса». Теория предсказывает, что должна существовать новая нейтральная элементарная частица с массой более ста масс протона, но гораздо меньшего размера. До сих пор эта частица проявляла себя лишь косвенным образом. Непосредственно ее увидеть невозможно – она живет слишком короткое время, – но ее можно обнаружить по продуктам распада на более легкие и известные элементарные частицы. Охотой за «бозоном Хиггса» (концепция которого была предложена одновременно и независимо в работах трех групп авторов в 1964 году: Р. Броут и Ф. Энглерт [1], П. Хиггс [2], Д. Гуральник, К. Р. Хаген, и Т. Киббл [3]), заняты, соревнуясь и дополняя друг друга, детекторы на Большом андронном колайдере (БАК).

Основные четыре детектора, получили название ATLAS, CMS, ALICE и LHCb. По сути БАК – это четыре огромных микроскопа, с помощью которого физики «рассматривают» детали строения материи на рекордно мелком масштабе. Именно с их помощью, каждую частицу, рожденную при столкновении протонов, зарегистрировали: установили точное время появления «новорожденной», ее массу, заряд, скорость и направление вылета.

CMS (Compact Muon Solenoid) и ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) – именно те две установки, основной задачей которых является открытие хиггсовського бозона и поиск «новой физики» – физических явлений, лежащих за пределами современной Стандартной модели. Сложность заключается в том, что в каждом столкновении рождается очень много частиц, которые создают фон для продуктов распада искомого бозона.

Бозон Хиггса – это последний недостающий элемент современной теории элементарных частиц так называемой Стандартной модели. Это гипотетическая частица, которая отвечает за массу всех других элементарных частиц. Однако теория не позволяет точно установить массу бозона Хиггса. Ученые сейчас рассматривают две возможности – существование "легкого" и "тяжелого" вариантов.

Поиски бозона Хиггса были начаты еще в восьмидесятых ХХ века. Эксперименты проведены на электрон-позитронного колайдере LEP в 1980-е годы, позволили исключить диапазон масс менее 114 ГэВ. Значение массы в 100 ГэВ примерно в 107 раз больше массы протона.

В июле 2009 на американском колайдере Тэватрон исключили возможность существования бозона Хиггса в интервале масс от 158 до 175 ГэВ, а в ноябре этого же года, в Фермилабе «закрыли» интервал с 163 до 166 ГэВ.

Первые признаки существования бозона Хиггса обнаружены физиками как на БАКе, так и на американском колайдере «Тэватрон». Соответствующие результаты были представлены на научной конференции по физике элементарных частиц в Гренобле EPS-HEP 2011.

На этом же мероприятии были представлены результаты обработки последних данных с БАКа. Эти данные по своему объему в 30 раз превышали те, которые были получены в 2010 году, соответственно, их обработка позволила ученым получить ряд интересных результатов. Суть докладов, представленных на конференции, в которых рассказывалось о поиске бозона Хиггса, заключалась в демонстрации первых серьезных признаков его существования.

4 июля 2012 в Женеве в Европейской организации ядерных исследований (CERN) завершился семинар, на котором были представлены последние данные работы Большого адронного колайдера, в частности, результаты усилий поиску бозона Хиггса.

"Мы наблюдали новый бозон с массой 125,3 ± 0,6 ГэВ со статистической значимости в 4,9 сигма», – объявил Д. Инкандела, руководитель коллаборации CMS [4].

«В наших данных мы наблюдали ясные свидетельства существования новой частицы на уровне точности в 5 сигма в области масс в 126 ГэВ. Отличная работа БАК и детектора ATLAS и огромные усилия десятков людей позволили нам сегодня рассказать о столь замечательных результатах, однако, чтобы довести наши результаты до уровня официальной научной публикации, необходимо еще какое-то определенное время», – заявила в ходе своего доклада руководитель эксперимента ATLAS Ф. Джанотти [5].

Выводы пока являются предварительными, но уровень сигнала в 5 сигма вблизи массы в 125 ГэВ, – это кардинально новый результат. Это действительно новая частица. Значение этого открытия очень велико, и именно поэтому ученые должны быть чрезвычайно осторожными и внимательными, проводя измерения и перекрестные проверки результатов.

Однако вопрос о том, является ли эта частица бозоном Хиггса Стандартной модели или «мостом» к «новой физике», оставлен открытым. Это связано с рядом сложностей наблюдения элементарных частиц в современной экспериментальной физике.

Что касается того, что уже не изменится и что можно сказать сейчас. Суть этого такова: два эксперимента – CMS и ATLAS – наблюдали одинаковые элементарные частицы, хотя их можно назвать и состояниями. Масса этой частицы примерно 125 ГэВ. Уровень статистической значимости составляет 5 сигма (это статистическое стандартное отклонение). Иными словами, вероятность того, что открытие ложное, составляет одну сотую долю процента.

CMS и ATLAS – это две крупнейшие установки БАК, основной задачей которых являлось открытие хиггсовского бозона и поиск «новой физики» – физических явлений, лежащих за пределами современной Стандартной модели. Эти установки имеют различную конструкцию, различные устройства и набор детекторов, но дублируют друг друга по задачам: проверка полученных данных различными методами уменьшает вероятность системных ошибок.

Еще более обнадеживает, что оба эксперименты рассматривают это состояние в различных каналах распада частиц. Теперь вопрос в том, что это такое, что это за частица. И здесь есть два варианта.

Первый вариант – это тот самый бозон Хиггса, который давно искали ученые, и предсказывала Стандартная модель.

Однако чтобы точно это утверждать, нужно определить спин этой элементарной частицы, ее собственный момент импульса. Если спин равен нулю, то это скалярная частица, т.е. бозон Хиггса Стандартной модели.

Бозон Хиггса – это последняя неоткрытая элементарная частица Стандартной модели, однако без нее нельзя объяснить существование массы всех других частиц, поэтому ее называют «частицей бога». Стандартная модель – это своеобразная «таблица Менделеева» физики элементарных частиц. Эта теоретическая модель мира элементарных частиц, сформирована более 40 лет назад, и в течение этого времени прекрасно подтверждалась всеми экспериментальными данными. Согласно этой модели, масса элементарных частиц определяется силой их взаимодействия с полем хиггсовского бозона. Если открытая в CERN частица окажется бозоном Хиггса, то верность Стандартной модели будет окончательно подтверждена [6]. Однако у ученых уже не первый год существуют основания предполагать, что эта модель неполна и за ней прячутся новые, неизвестные пока нам явления, которые называют «новой физикой». С этим и связан второй вариант развития событий.

Вторая возможность – спин найденной нами частицы равен двум (спин 1 исключено по другим причинам). Если это так, то это не бозон Хиггса Стандартной модели, а ранее неизвестная нам даже теоретически элементарная частица – это выход в новую физику и это было бы более интересно.

Чтобы определить спин частицы, надо использовать весь имеющийся статистический материал, а он еще не весь использованный сегодня. Надежду дает то, что мы наблюдаем нашу частицу в различных физических каналах – это разные моды распада, которые дают разные частицы. У нас очень чистая мода распада – распад на два Z-бозона, которая может дать ответ на наши вопросы. Для этого надо измерить угловое распределение в этих распадах, но сейчас у нас в этом канале всего 8 частиц, поэтому статистика, слишком мала для анализа углов.

Все результаты, обнародованы 4 июля 2012 года, являются предварительными, говорится в официальном сообщении CERN. Они основываются на данных, собранных в 2011-2012 годах, однако информация последних месяцев все еще находится в обработке.

Следующая задача – точно определить природу найденной элементарной частицы и ее место в нашей картине понимания устройства Вселенной.

Главный вопрос в том, является ли эта частица долгожданным бозоном Хиггса Стандартной модели, последним отсутствующим ее «ингредиентом», или это что-то совсем другое, совершенно новое.

Если верно второе, то новая элементарная частица может стать мостиком к пониманию природы таинственных темной материи и темной энергии, которым принадлежит 96% массы Вселенной и о которых мы пока ничего не знаем.

Это веха в нашем понимании природы, великий день. Открытие частицы, похожей на бозон Хиггса, что открывает путь к более детальному изучению, для которого требуется больше статистики. Однако оно позволит детально описать свойства новой частицы и, вероятно, прольет свет на тайны нашей Вселенной.

Открытие бозона Хиггса на Большом андронном колайдере признано самым значительным научным прорывом прошедшего года – по версии журналов Science и Nature [7, 8].

В редакционной статье главный редактор журнала Science Б. Альбертс назвал это достижение триумфом человеческого интеллекта и кульминацией десятилетий работы многих тысяч физиков и инженеров. По его мнению, из этого открытия начинается эра новой физики. Так это или не так, покажет будущее, но, несмотря на пышный букет открытий 2012 года, бозон Хиггса занял верхнюю строчку списка Science на безальтернативной основе [7].

В журнале Nature, первое место в списке достижений за год занимает открытие бозона Хиггса, которое могло бы и не состояться без дипломатических усилий генерального директора CERN Рольфа-Дитера Хойера как руководителя экспериментов на БАК [8].

Это чрезвычайно фундаментальное открытие. Вообще говоря, поиск бозона Хиггса был одной из важнейших мотиваций создания всего ускорителя. Почему? Потому что «Хиггс» – это последняя недостающее звено Стандартной модели, общей теории физики частиц, которая пока еще ни разу не ошибалась в своих прогнозах. Не хватало только бозона Хиггса – это частица, которая объясняет, как возникает масса. Намае «Хиггса» – и все частицы, все люди без массы. «Хиггс» – это механизм возникновения массы во Вселенной. Поэтому, если мы находим этот бозон, Стандартная модель будет закрыта. Но это не единственный сценарий.

10 февраля 2013 Большой адронный колайдер остановлен на 20-месячный апгрейд. После него ученые рассчитывают увеличить суммарную энергию столкновений протонов с нынешних 8 тераэлектронвольт до 14 тераэлектронвольт. Повышение энергии столкновений позволит ученым чаще получать редкие события – например, видеть рождение бозона Хиггса, а также даст больше возможностей для поисков «новой физики» - за пределами Стандартной модели.

Литература:

1. F. Englert and R. Brout Broken Symmetry and the Mass of Gauge Vector Mesons// Physical Review Letters. – 1964. – Vol. 13. – р. 321-323.

2. Higgs P. W. Broken symmetries and the masses of gauge bosons//Physical Review Letters. – 1964. – Vol. 13. – p. 508-509.

3. Guralnik, G.; Hagen, C.; Kibble, T. Global Conservation Laws and Massless Particles. Physical Review Letters. – 1964. – Vol. 13. – р. 585-587.

4. Детектор CMS "видит" новый бозон, сообщили в ЦЕРН// http://ria.ru/science/ 20120704/691545119.html#13573831181043&message=resize&relto=login&action=removeClass&value=registration

5. A Particle Consistent with the Higgs Boson Observed with the ATLAS Detector at the Large Hadron Collider//The ATLAS Collaboration//Science – Vol. 338 – no. 6114 – pp. 1576-158

6. Открытие бозона Хиггса "закроет двери" Стандартной модели – физики//http://ria.ru/science/20120703/690749244.html#13573824414532&message=resize&relto=register&action=addClass&value=registration

7. Cho A. //Breakthrough of the Year//The Discovery of the Higgs Boson//Science – Vol. 338 – no. 6114 – pp. 1524-1525.

8. Ten people who mattered this year.// Nature. – Vol. 492 – no. 7429 – pp. 311-462