Не спійманий - не бозон

Фізики стверджують, що наш світ просто набитий бозона Хіггса. Коли ми помацаємо «частку Бога»?

На Міжнародну конференцію з фізики елементарних частинок, що проходила в Парижі в останній тиждень липня, американські вчені збиралися привезти світову сенсацію. З чуток, які в своєму блозі розповсюдив один із співробітників прискорювача Теватрон в Національній лабораторії імені Енріко Фермі, заокеанським фізикам вдалося знайти бозон Хіггса.

Помилкова тривога

Однак сенсації не сталося. Поспішні заяви вченого-блогера не підтвердилися. Бозон так і залишився загадкою для світової наукової спільноти, а американці лише звузили діапазон енергій, в якому він може бути знайдений. Це в свою чергу не могло не порадувати керівництво і співробітників Великого адронного коллайдера з Європейського центру ядерних досліджень (ЦЕРН). У них ще залишився шанс зробити це відкриття першими і виправдати суму в більш ніж 10 мільярдів доларів, витрачену на будівництво суперускорітеля.

Відео: Бозон Хіггса - частинка Бога. Просто про складне

Поки провідні фізики всього світу намагаються все-таки знайти невловимий бозон Хіггса, «Підсумки» спробували проникнути в суть цих пошуків. Кажуть, що бозон повинен остаточно підтвердити так звану Стандартну модель будови матерії. Але далекому від фізики елементарних частинок людині незрозуміло, навіщо ці божевільні наукові зусилля, якщо і без «упіймання» бозона ми прекрасно існуємо у Всесвіті.

За роз`ясненнями ми звернулися до старшого наукового співробітника сектору теоретичної астрофізики Фізико-технічного інституту ім. А. Ф. Іоффе РАН кандидату фізико-математичних наук Олександру Іванчику. «У сучасній фізиці існує уявлення про кварк-лептонний структурі матерії», - говорить учений. Тобто все у Всесвіті складається з кварків, які входять до складу протонів і нейтронів, з них в свою чергу складаються ядра хімічних елементів, а також лептонів (електрони і нейтрино). Теорія перевірена з досить великою точністю: практично всі твердження про те, з чого складається матерія і які в ній відбуваються реакції, вже отримали експериментальні підтвердження в ЦЕРНі, на Теватрон і на інших прискорювачах, в тому числі і в Росії. Але в теорії є один істотний, фундаментальний неперевірений момент. «Він полягає в тому, що в кварк-лептонний структурі матерії кварки і лептони набувають масу за рахунок взаємодії з полем Хіггса, утвореним бозонами», - продовжує Олександр Іванчик. Більш того, це саме поле Хіггса сьогодні, по теорії, існує всюди. Його порівнюють з певним морем, що заповнює весь простір. Через це море постійно і неминуче проходять елементарні частинки. Кожна з них взаємодіє з бозонами по-своєму, проте в результаті такої взаємодії вони отримують певну масу. Кварки - одну, електрони і нейтрино - іншу. В результаті частка стає об`єктом, і його можна зважити. У свою чергу ці фундаментальні частинки будують спочатку ядра атомів, потім атоми і молекули, з яких врешті-решт утворюються рослини, тварини, люди і планети з зірками.

Більш того, бозон Хіггса в принципі нічим не гірше і не краще відомих елементарних частинок. «Це одна з фундаментальних частинок, з яких побудована матерія», - говорить Олександр Іванчик. Він - третій підклас фундаментальних частинок і повинен бути присутнім поряд з відомими кварками і лептонами в сучасній теоретичної моделі побудови матерії.

невидиме море

Але чому ж, якщо бозон Хіггса всюдисущий, його досі не можуть знайти? Виявляється, як такої, у вигляді частки він був присутній виключно в перші моменти утворення Всесвіту, коли температури і енергії були дуже високими. Пізніше, коли сталося охолодження, бозони випали на своєрідний конденсат, утворили «море». У такому вигляді вони і існують зараз. В цьому випадку можна провести аналогію з водою. Поки температура висока, в повітрі присутні пари води, але ми їх не бачимо. Як тільки температура впала, вода сконденсувалася, і ми побачили рідину. «Може бути, це не зовсім коректна аналогія, але з бозонами Хіггса все приблизно так само», - розповідає Олександр Іванчик. Поки Всесвіт була розігрітій, бозони Хіггса літали самі по собі, але при цьому характер взаємодії з іншими елементарними частинками не надавав їм масу. Як тільки температура різко впала, поле Хіггса стало концентруватися і утворило конденсат Хіггса, який рівномірно і однорідно заповнив весь простір. При цьому самих бозонів як таких не стало, вони утворили однорідне поле. Наступна аналогія ілюструє механізм появи маси у елементарних частинок: людина, що біжить по землі, робить це зі звичною легкістю, практично не відчуваючи свою вагу, але якщо він спробує пробігти, перебуваючи по шию у воді, то це буде важко. Так само і з морем Хіггса: як тільки кварки і лептони потрапляють в нього, вони отримують масу. Самі ж бозони як такі зараз не існують. Вони можуть утворюватися і проявлятися у вигляді порушення поля Хіггса. Однак це порушення може бути викликано тільки при величезних енергіях, подібних до тих, що були в перші моменти народження Всесвіту. Ці енергії і намагаються створити на Теватрон і Великому адронному колайдері в ЦЕРНі.

Відео: Нові відкриття в квантовій механіці і їх комерціалізація. Фізики Олексій Рубцов і Олексій

Однак, як пояснив завідувач відділом експериментальної фізики високих енергій Науково-дослідного інституту ядерної фізики імені Д. В. Скобельцина МГУ доктор фізико-математичних наук Едуард Боос, «на прискорювачах сам бозон як такої не побачать». Такі елементарні частинки живуть дуже мало, близько 10-24 секунди. Вони майже моментально розпадаються на інші частинки, а ті - ще на щось. В результаті утворюються стабільні частинки, потоки яких реєструються. І тільки обробивши весь ланцюжок в зворотному порядку, вчені зможуть стверджувати, що бозон утворювався. Зареєструвавши бозон Хіггса, фізики зможуть з упевненістю говорити, що він є, це дозволить підтвердити існуючу теорію кварк-лептонний структури матерії. «Що буде вже чималим кроком», - говорить Олександр Іванчик. Після цього стандартна модель перестане бути чимось на зразок припущення про те, що світ стоїть на трьох черепах, тобто трьох фундаментальних частинках. Але що робити з бозоном далі - це не менш інтригуюче питання. По крайней мере, сьогодні мало хто з фізиків намагається припустити, як можна буде застосувати бозон на практиці.

довга перспектива

Поки що прикладне значення мають лише технології, спрямовані на пошук бозона. Прискорювальна техніка високих енергій застосовується в медицині, фізиці твердого тіла, дефектоскопії. Однак поки невідомо, що вдасться створити за допомогою бозона Хіггса. «Можливо, цей напрямок фундаментальної фізики дасть прикладне значення років через 50 або 100, - каже Олександр Іванчик. - Коли був виявлений електрон, не відразу було зрозуміло, що з ним робити. Тепер йому знайшли застосування. Вчені знають, що можуть робити з протонами і нейтронами. Вміють поводитися з фотонами високих енергій та іншими частинками, які отримуються на прискорювачах. Тому рано чи пізно навчаться працювати і з бозоном Хіггса ».

Для детального вивчення властивостей бозона вже зараз планують будувати новий коллайдер. «Великий адронний коллайдер буде використаний, як велика кувалда, яка розколе волоський горіх, де знайдуть бозон Хіггса, а наступний прискорювач, як скальпель, буде різати шкірку бозона Хіггса і вивчати його в деталях», - продовжує вчений.

Більш того, ймовірно, і на прискорювачах наступного покоління підпорядкувати бозон Хіггса не вдасться. Вони тільки дозволять досконально вивчити властивості цієї частки. Управляти ж бозоном, за припущенням учених, зможуть лише на коллайдерах не слід, а, може бути, через покоління. Можна гіпотетично вибудувати модель використання цієї фундаментальної частинки. Прискорювальна техніка свого часу проявила себе, наприклад, в сільському господарстві: при опроміненні деяких культур виходили види рослин, які володіли новими властивостями, були більш життєздатними. Подібна селекція приводила до якісного стрибка в еволюції. Ці зміни відбувалися на генному, молекулярному рівні. Наступним кроком було вплив на атомарному структуру матерії, а потім і на ядра атомів. Яскравий приклад практичного застосування цих технологій - медична діагностика і неінвазивні методи лікування, а також дефектоскопія матеріалів.

Управління бозона Хіггса буде наступним рівнем. Відомо, що з`явиться можливість оперувати кварками, внутрішньоядерними структурами. Вміючи управляти суб`ядерними рівнем, можна буде створити практично всі відомі на сьогодні форми стандартної матерії. Тобто той ланцюжок, яка відбувалася у Всесвіті природним чином, може бути відтворена на прискорювачах. Ймовірно, будуть створені нові форми матерії і антиматерії. «Можливо, люди зможуть навіть передбачати глобальні космічні катастрофи», - припускає заступник директора Петербурзького інституту ядерної фізики ім. Б. П. Константинова РАН з наукової роботи кандидат фізико-математичних наук Віктор Єжов. Але це поки навіть за об`єктивними показниками відбудеться не завтра і навіть не післязавтра. Адже один тільки Великий адронний коллайдер будувався 20 років. Якщо стільки ж піде і на будівництво прискорювачів наступних поколінь, то до управління бозона Хіггса залишається чекати як мінімум 40 років. За умови, що вони існують.

А сумніви є. Стандартна модель в нинішньому вигляді деяким вченим здається дуже простою, щоб бути правдою. Якщо ж бозон Хіггса так і не знайдуть, то це буде досить серйозне випробування для всієї теорії будови матерії, її потрібно буде серйозно переглядати, все-таки бозон - це одна з трьох черепах, на яких сьогодні стоїть Всесвіт. Очевидно, що відсутність однієї з фундаментальних черепах стане тріумфом для усунутих сьогодні на другий план теорій.