Бозон Хиггса. От научной идеи до открытия «частицы Бога»

Так Миллер описал механизм, при помощи которого безмассовые элементарные частицы (которые в аналогии представляют Тэтчер) взаимодействуют с полем Хиггса (равномерным распределением партийных функционеров) и таким образом приобретают массу, как показано на рис. 20. Чтобы объяснить бозон Хиггса, Миллер продолжал:

«А теперь представьте, что по комнате с партийными функционерами прошел слух. Те, кто находится рядом с дверью, слышат его первыми и скапливаются в группу, чтобы узнать подробности. Потом они разворачиваются и переходят к ближайшим соседям, которым тоже хочется послушать. По комнате проходит волна скоплений. Она может распространиться до всех четырех углов или образовать компактный узел, который переносит новость по линии функционеров от двери до какого-то высокопоставленного лица по ту сторону комнаты. Так как информацию переносят скопления людей и так как именно скопления сообщали дополнительную массу бывшему премьер-министру, тогда скопления – переносчики слуха тоже имеют массу.

Рис. 20

Объяснение механизма Хиггса, которое использовал Дэвид Миллер в своей конкурсной заявке, занявшей первое место. По мере движения Маргарет Тэтчер через «поле» партийных функционеров поле скапливается вокруг нее, и движение замедляется. Так приобретается масса. Источник: © copyright CERN

Бозон Хиггса, как предсказано, является таким скоплением в поле Хиггса. Нам будет гораздо проще поверить, что поле существует и что механизм сообщения массы другим частицам верен, если мы увидим саму частицу Хиггса. И этому тоже есть аналогия в физике твердых тел. Кристаллическая решетка может переносить волны скоплений, и ей не требуется, чтобы электрон двигался и притягивал атомы. Эти волны могут вести себя так, как если были бы частицами. Они называются фотонами и тоже бозоны. Механизм Хиггса и поле Хиггса могут существовать в течение всей жизни нашей Вселенной, но при этом может не существовать бозона Хиггса. Это должно установить новое поколение коллайдеров».

Рис. 21 наглядно это иллюстрирует.

Уолдгрейв получил 117 заявок, что само по себе говорит о важности поисков. Вперед вышли пятеро, но сообщество физиков признало лучшей заявку Миллера. Миллер не забыл забрать свою бутылку «Вдовы Клико», хотя, по всей видимости, так его и не попробовал. «Моя жена, ее сестра и подружка моего сына выпили все шампанское», – рассказал он[143].

Несмотря на стесненные обстоятельства, британское правительство продолжало вкладывать средства в ЦЕРН[144].

Рис. 21

Бозон Хиггса похож на слух, который шепотом передается по «полю» партийных работников. На поле происходит скопление тех, кто желает услышать слух, и формируется локализованная «частица», которая затем движется по комнате. Источник: © copyright CERN

Когда охота за бозоном Хиггса приостановилась, оставалось найти еще несколько частиц Стандартной модели. 2 марта 1995 года две соперничающие исследовательские группы по 400 физиков каждая объявили об открытии истинного кварка. Его удалось установить по продуктам его распада. Энергетические протоны и антипротоны сталкиваются и образуют пару из истинного кварка и истинного антикварка. Обе частицы затем распадаются на прелестный кварк и W-частицу. W-частица распадается на мюон и мюонное антинейтрино. Кварк распадается на верхний и нижний кварки. В конечном итоге получается столкновение, продукт которого мюон, мюонное антинейтрино и четыре кварковых струи. У истинного кварка огромная масса – 175 ГэВ, почти в 40 раз больше массы его партнера третьего поколения – прелестного кварка.

Помимо бозона Хиггса, еще оставалось открыть таунейтрино. О его открытии Фермилаб объявил через пять лет, 20 июля 2000 года. Тогда появилась возможность составить порядок слабых взаимодействий, меняющих один аромат кварка на другой (см. рис. 22).

Еще оставалась какая-то надежда, что Тэватрон или БЭП обнаружат бозон Хиггса, и потому они работали на пределе своих возможностей. Проблема была в том, что невозможно было точно предсказать массу бозона Хиггса. В отличие от частиц W и Z физики не очень понимали, где его искать.

В основном считалось, что бозон должен иметь массу порядка 100–250 ГэВ. Его можно было обнаружить по каналам распада, при котором, как полагали, образуются пары из прелестного кварка и антикварка в связи с истинным и прелестным кварками, двумя высокоэнергетическими фотонами, парами Z-частиц, которые бы, в свою очередь, распались на четыре лептона (электроны, мюоны и нейтрино), пары W-частиц и пары тау-лептонов.

БЭП был мощным и универсальным коллайдером, но его эксплуатационный срок подходил к концу, и его планировали остановить в сентябре 2000 года.

Рис. 22