Бозон Хиггса

Очевидные факты были таковы: новый бозон имел массу в пределах 125–126 ГэВ и взаимодействовал с другими частицами Стандартной модели именно таким образом, который прогнозировался для бозона Хиггса. Помимо наблюдаемого превышения в канале распада H →γγ, формы распада нового бозона на другие частицы так же соотносятся друг с другом, как это ожидается от бозона Хиггса в Стандартной модели. Хотя оба эксперимента, ATLAS и CMS, ясно показывают, что это бозон, ни тот ни другой не могут точно определить его спин, который может иметь значение 0 или 2. Однако единственная частица с ожидаемым спином 2 – это гравитон, гипотетический переносчик гравитационного взаимодействия. Поэтому спин 0 был гораздо более вероятен. Перефразируя Руббиа, есть соблазн сказать, и не без оснований: «Он выглядит как бозон Хиггса Стандартной модели, он пахнет как бозон Хигг са Стандартной модели, значит, это и есть бозон Хигг са Стандартной модели».

В действительности эти результаты открывают врата в новое долгое путешествие. Открыт бозон, который в глазах всего мира выглядит как бозон Хиггса. Но какой бозон Хиггса? Стандартной модели нужен только один, чтобы нарушалась электрослабая симметрия. Минимальной суперсимметричной Стандартной модели нужно пять. У других теоретических моделей другие требования. Единственный способ выяснить, какая именно частица открыта, – это исследовать ее свойства и поведение в дальнейших экспериментах.

В пресс-релизе ЦЕРНа говорилось так[186]: «Чтобы уверенно установить характеристики новой частицы, требуется значительное время и усилия. Но каков бы ни оказался характер частицы Хиггса, вскоре мы сделаем большой шаг вперед в понимании фундаментальной структуры материи».

После заслуженных поздравлений и одобрительных похлопываний по спине семинар закончился. Когда у Питера Хиггса спросили, что он думает, он поздравил лабораторию с потрясающим успехом и сказал: «Это поистине невероятно, что такое событие случилось еще при моей жизни»[187].

Важный этап в наших попытках понять фундаментальную природу материи подходит к концу. Вскоре начнется новый увлекательный путь.

Эпилог Конструкция массы

Из чего сделан мир?

В середине 1930-х мы могли бы сказать, что вся материальная субстанция в мире состоит из химических элементов, а каждый элемент состоит из атомов. Каждый атом, в свою очередь, состоит из ядра, а ядро – из разного числа положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов. Окружают ядро отрицательно заряженные электроны, связанные силой электрического притяжения. Электрон может иметь ориентацию спин вверх или спин вниз, а на каждой атомной орбитали может находиться два электрона при условии, что у них спаренные спины. Электроны могут перейти с одной орбитали на другую за счет поглощения или испускания электромагнитного излучения в виде фотонов.

Мы бы сказали, что вес 18-граммового кубика замерзшей воды состоит из общей массы 10 800 миллиардов триллионов протонов и нейтронов.

В наши дни ответ стал гораздо точнее.

Протоны и нейтроны в ядре в действительности не являются элементарными частицами. Они состоят из кварков с дробными зарядами. Протон состоит из трех кварков с разными «ароматами» – двух верхних и одного нижнего.

Кварки также различаются «цветом»: красным, синим и зеленым. Два верхних кварка и нижний кварк в протоне имеют разные цвета, и получившаяся комбинация называется «белой». Нейтрон состоит из одного верхнего кварка и двух нижних, и все кварки в нем тоже разных цветов.

Цветовое взаимодействие между кварками переносят восемь разных видов силовых частиц, которые называются общим термином «глюоны». Это взаимодействие становится сильнее не по мере приближения кварков друг к другу, как можно было бы ожидать, но по мере их разделения. Сильное ядерное взаимодействие между протонами и нейтронами – всего лишь остаток, «пережиток» цветового взаимодействия между составляющими их кварками.

Открытие новой частицы в ЦЕРНе позволяет уверенно предположить, что массы кварков возникают благодаря взаимодействию с полем Хиггса. Это взаимодействие преображает безмассовые кварки в частицы с массой. Взаимодействие придает частицам глубину и заставляет их замедляться. Такое сопротивление ускорению мы называем массой.

Но массы кварков очень малы, и на их долю приходится только 1 процент массы протона или нейтрона. Остальные 99 процентов – это энергия, переносимая безмассовыми глюонами, которые движутся между кварками и связывают их.

В Стандартной модели концепция массы как неотъемлемого свойства или количественной характеристики исчезает. Масса полностью состоит из энергии взаимодействий между элементарными квантовыми полями и их частицами.

Бозон Хиггса – часть механизма, объясняющего, откуда берется масса всех частиц Вселенной. Все вещество в мире может состоять из кварков и лептонов, но самой своей вещественностью оно обязана энергии, происходящей из взаимодействия с полем Хиггса и обмена глюонами.