В поисках частицы Бога, или Охота на бозон Хиггса

Несмотря на гениальные прозрения философов и астрономов прошлого, термин “масса” не использовался систематически до 1687 года, когда Исаак Ньютон заложил основы классической механики в своей великой книге “Principia” (“Начала”) ⁴. По Ньютону, масса — количество материи, зависящее от объема и плотности объекта. Масса объекта определяет его инерцию или сопротивляемость при воздействии на него, а также то, насколько сильно он подвержен силе тяжести. С помощью этих определений Ньютон сформулировал основные законы движения.

Однако у Ньютона было гораздо более глубокое и интуитивное представление о массе и материи, чем то, что он описал в “Principia”. Он считал, что объекты, существующие в мире, состоят из бесчисленных крошечных частиц, созданных Богом, которые никогда и никем не могут быть разрушены. Частицы, имеющие различные формы и размеры, собираются вместе, образуя различные материалы. Все, что человек способен сделать, — это научиться придавать новые формы конгломератам исчезающе малых частиц.

Почти через двадцать лет после публикации “Начал” Ньютон позволил себе порассуждать на тему природы материи в своем следующем великом трактате — в “Оптике”. Он писал: “Я думаю, Бог вначале создал вещество из твердых, массивных, непроницаемых, подвижных частиц... настолько твердых, что они никогда не распадутся на куски и не износятся” ⁵. Размышления Ньютона о материи были не так уж далеки от истины. И сегодня ученые представляют материю состоящей из частиц, которые практически не поддаются разрушению. Физикам потребовалось более полувека, чтобы выяснить, из каких основных строительных блоков собираются атомы. Различные комбинации этих блоков дают разнообразие химических элементов Периодической таблицы — атомов, из которых образуются различные вещества: металлы, кристаллы, жидкости и газы. Соединяясь друг с другом, атомы образуют бесконечное разнообразие молекул.

Ученые называют основные строительные блоки материи фундаментальными или элементарными частицами; по определению их нельзя разбить на более мелкие части. Первая такая частица была обнаружена в 1897 году Дж. Дж. Томсоном в Кавендишской лаборатории в Кембриджском университете ⁶. Томсон, как и многие физики того времени, был заинтригован природой светящихся лучей, которые возникали в стеклянной трубке, заполненной газом при низком давлении, когда напряжение подавалось на электроды, расположенные внутри трубки. Таинственные лучи выходили из катода, отрицательно заряженного электрода, и шли на анод, электрод, заряженный положительно.

Томсон начал серию экспериментов по исследованию этих загадочных “катодных лучей”. В одном эксперименте он использовал 15-дюймовую стеклянную трубку, покрытую с одной стороны фосфоресцирующей краской. Томсон изменил форму анода, проделав в нем щель, поэтому часть лучей, выходящих из катода, должна была пройти через эту щель и, попав на люминофор, высветить на нем яркое пятно. А потом Томсон вставил в стеклянный сосуд на пути лучей второй набор электродов, распоолложенных в перпендикулярной по отношению к лучам плоскости. Подключив эти электроды к гальваническому элементу, ученый обнаружил, что пятно отклонилось от центра в сторону положительного электрода второй пары.

Дальнейшие эксперименты показали, что катодные лучи представляли собой поток крошечных отрицательно заряженных частиц. Томсон назвал их электронами (термин, введенный ирландцем Джорджем Джонстоном Стоуни за двадцать лет до этого) и предположил, что они являются непременными элементами всех известных ученым атомов. Вдохновленный своим открытием, Томсон предложил модель атома, прозванную “сливовым пудингом”: в соответствии с ней атомы представляют собой положительно заряженные шарики, напичканные крошечными отрицательными частицами — электронами.

Но оказалось, что атомный “пудинг” Томсона не соответствовал тому, что сотворила природа ⁷. Идея развалилась, когда Эрнест Резерфорд, уроженец Новой Зеландии, объявил во всеуслышание, что атомы в основном — пустые! В 1911 году он уже точно знал, что почти вся масса атома сосредоточена в центральном положительном ядре. Позднее Резерфорд, исследуя атомное ядро, доказал существование внутри него положительно заряженных протонов.

В середине 1930-х годов физики были уверены, что знают все основные строительные блоки вещества. Итак, ядро атома состоит из протонов и незаряженных нейтронов — еще одного типа частиц (исключение из правил — атом водорода) ⁸. Нейтроны обнаружил в 1932 году английский физик Джеймс Чедвик ⁹. Положительно заряженное ядро окружено отрицательно заряженными электронами, и в целом атом нейтрален. Это было правильным, но неполным представлением. Прошли годы, и ученые обнаружили, что протоны и нейтроны — вовсе не элементарные частицы! В отличие от электронов протоны и нейтроны построены из еще меньших частиц, названных кварками.