Астрофизика
Новая частица -бозон Хиггса?
М.Н. ДУБИНИН,
доктор физико-математических наук В.И. САВРИН,
доктор физико-математических наук НИИЯФ МГУ
История разработки стратегии и экспериментальных поисков бозона Хиггса стандартной модели взаимодействий частиц на Большом адронном кол-лайдере (БАК) Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН, Швейцария) насчитывает более 20 лет. В 2009-2012 гг. международные группы ученых провели эксперименты на детекторах БАК: CMS (Compact Muon Solenoid - компактный мюонный соленоид) и ATLAS (А Toroidal LHC Apparatus - тороидальный детектор БАК). В результате была открыта новая частица - бозон с массой 125 ГэВ (Земля и Вселенная, 2012, № 6).
Свойства этой частицы не противоречат гипотезе о бозоне Хиггса -единственном и важнейшем недостающем компоненте стандартной модели.
Каждый коллектив ("коллаборация"), работающий на детекторах CMSи ATLAS, представляет собой объединение
« - -
ЧЦ L
йЛ
научно-исследовательских групп ученых из более чем ста институтов и состоит из тысячи научных сотрудников. В таких объединениях ЦЕРН работают 820 российских физиков, в том числе 30 ученых из НИИЯФ МГУ, внесших весомый вклад в создание БАК.
© Дубинин М.Н., Саврин В.И.
21
ПОЧЕМУ У ЧАСТИЦ ЕСТЬ МАССА?
Представления о природе элементарных частиц в настоящее время сильно отличаются от принятых во второй половине XX в. Тогда начальным источником информации о частицах были бета-распад и космические лучи, а ускорители элементарных частиц (коллайдеры) только начинали проектировать и строить. Напомним, что в середине прошлого века произошло объединение квантовой теории со специальной теорией относительности (СТО), которое привело к появлению теории взаимодействующих квантовых полей и связанных с ними частиц. Эта теория подтверждена на опыте. Возьмем две расположенные на некотором расстоянии заряженные частицы, которые притягиваются или отталкиваются, и станем перемещать одну из них около ее начального местоположения. Электромагнитная сила, с которой одна частица воздействует на другую, не может привести к моментальным изменениям в местоположении последней, поскольку, согласно
СТО, ни один сигнал не может распространяться быстрее скорости света. Возмущенная нами частица становится источником связанного с ней электромагнитного поля, переносящего через пространство энергию и влияющего на состояние другой частицы. Согласно квантовой теории, энергия может переноситься только дискретными порциями (квантами), которые следует интерпретировать как частицы, передающие силы взаимодействия. В квантовой теории поля взаимодействия одних частиц - источников полей (электромагнитного, слабого и сильного) связываются с другими частицами - переносчиками взаимодействий. В случае взаимодействия электрических зарядов (например, электронов) переносчиком будет фотон (у-квант электромагнитного поля).
Кроме электронов (е) в природе существуют более тяжелые частицы с зарядом -1, мюон (п) и х-лептон, также участвующие в электромагнитном и слабом взаимодействиях. У каждой из них есть частица-
партнер - нейтрино почти без массы (в природе три разновидности нейтрино: Ое, от). В дополнение к электрону, мюону, х-лептону и соответствующим им трем типам нейтрино (эти шесть частиц называют лепто-нами) в природе существуют дробно заряженные кварки шести типов (обозначаются символами и, с1, с, э, Ь, 1) с сильно отличающимися массами. Наиболее легкие кварки, и и С с зарядами 2/3 и -1/3, образуют связанные состояния из трех кварков соответственно: р = (ииС) с зарядом 2/3 + + 2/3 - 1/3 = 1 и п = (иСС) с зарядом 2/3 - 1/3 - 1/3 = 0, которые хорошо известны как протон р и нейтрон п, составляющие ядра атомов. В соответствии с представлением о частицах - переносчиках взаимодействий, слабые взаимодействия между электронами, мюонами, нейтрино и кварками осуществляются массивными частицами, называемыми W- и 2-бозонами. У W-бозона электрический заряд +1 или -1, равный по величине заряду электрона, а 2-бозон электрически нейтрален. Сильные
Таблица
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПЕРЕНОСЧИКИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ МЕЖДУ НИМИ
Взаимодействия Какие частицы участвуют Частицы-переносчики
Электромагнитное Лептоны е, п, х и все кварки Фотон у, не имеющий массы
Слабое Все лептоны и кварки Массивные W- и 7-бозоны
Сильное Все кварки - и, С, с, э, Ь, 1 Восемь глюонов, не имеющих массы
Гравитация Все массивные частицы Гравитон, не имеющий массы
Событие рождения бозона Хиггса в детекторе CMS с последующим распадом на два фотона с импульсами 50 ГэВ каждый (желтые пунктирные линии, переходящие в зеленые) и рождением других частиц. Пучки протонов летят навстречу друг другу вдоль оси голубого цилиндра. Большое количество частиц вылетает под малыми углами к оси сталкивающихся пучков протонов. Рисунок церн.
взаимодействия между дробно заряженными кварками переносятся частицами без массы -глюонами. Например, и- и С-кварки внутри протона и нейтрона притягиваются друг к другу, обмениваясь глюонами. Различия масс в семействах шести кварков и шести лепто-нов огромны. Наиболее
тяжелый кварк 1 имеет массу в 35 тыс. раз больше, чем наиболее легкий кварк и. Масса электрона е в 3,5 тыс. раз меньше массы х-лептона. Еще более впечатляют различия масс нейтрино и заряженных лептонов, например массы нейтрино ох и х-лептона отличаются приблизительно в 1013 раз. Окружающая нас Вселенная состоит из частиц со сравнительно небольшой массой, а именно электронов е, электронных и мюонных нейтрино ое, оп, ох, фотонов у и двух типов "легких" и-и С-кварков,массы которых наименьшие из всех кварков. Остальные лептоны и кварки гораздо тяжелее и обладают очень малым временем жизни, практически сразу распадаясь в легкие
кварки, лептоны, фотоны и нейтрино. Они были получены искусственным путем на ускорителях частиц и исследованы по распадам.
Откуда берутся массы лептонов и кварков и чем объясняются их огромные различия по величине? Этот вопрос столь же оправдан, сколь схожа по своей "простоте" проблема происхождения разных типов взаимодействий элементарных частиц (электромагнитного, слабого, сильного и гравитационного), существенно отличающихся по силе.
Математический формализм, обеспечивающий правильное описание взаимодействий и свойств частиц, представляет собой квантовую теорию, включающую в себя полевые
функции (или просто поля) перечисленных выше частиц, которая называется стандартной моделью взаимодействий. Слово "модель" не должно вводить читателя в заблуждение, поскольку речь идет о завершенной, хорошо разработанной концепции, обладающей огромной предсказательнойсилой. Стандартная модель взаимодействий кварков и лептонов представляет собой замечательное достижение физики XX в. Она строго математически реализует вышеупомянутые представления о том, что фундаментальными частицами являются лептоны и кварки, электромагнитное и слабое взаимодействие которых осуществляется за счет обмена фотона-
ми и калибровочными W-и 2-бозонами, а сильное взаимодействие кварков происходит за счет обмена глюонами. Такая модель достаточно сложна (модель квантовой теории поля включает в себя классическую механику, электродинамику, квантовую механику, специальную теорию относительности и теорию групп), что необходимо для точных количественных расчетов, например времени жизни тяжелых лептонов или вероятности рождения тех или иных частиц при столкновении пучков определенной энергии. Полученные в результате расчетов многие величины подтверждены экспериментальными измерениями распадов частиц, а также при столкновениях
Детектор CMS ЦЕРН диаметром 20м (вид с торца). Четыре внешних слоя мюонных камер окружают ярмо магнита, внутри которого находятся адронный и электромагнитный калориметры. Трековые детекторы, пиксели и микрострипы расположены вдоль оси цилиндра. Фото ЦЕРН.
частиц на ускорителях (в ряде случаев с очень высокой точностью порядка сотых долей процента).
Чтобы объяснить возникновение масс леп-тонов и кварков, а также переносчиков слабого взаимодействия W- и 2-бозонов, нужно включить в стандартную модель дополнительные частицы, названные бозонами Хиггса. Частицы
Детектор ATLAS диаметром 25м с извлеченной из области ярма магнита торцевой частью. Фото ЦЕРН.
могут быть обеспечены массой в том случае, если предположить существование самодействующего скалярного поля -поля Хиггса (имя одного из авторов гипотезы), заполняющего всю Вселенную. Частицы стандартной модели приобретают массу в результате взаимодействия с полем Хиг-гса. При таком механизме возникновения масс, называемом спонтанным нарушением симметрии, все взаимодействия полей сохраняют калибровочную симметрию,
а нарушает ее конденсат поля Хиггса. Кванты скалярного поля, бозоны Хиггса, должны рождаться при столкновении пучков электронов, позитронов, протонов или антипротонов большой энергии.
В связи с фундаментальной гипотезой о существовании, согласно стандартной модели, заполняющего Вселенную поля Хиггса можно вспомнить обсуждавшуюся в начале XX в. гипотезу о существовании "эфира" -материальной среды, в которой распространяются электромагнитные волны. Экспериментальные поиски эфира с помощью интерферометров света удаленных звезд в начале XX в. не были успешными, но привели к созданию специальной
теории относительности (СТО) - крупнейшему достижению мировой науки. Поле Хиггса не служит, в отличие от эфира, материальным носителем для распространения каких-либо волн. Его предназначение заключается в том, чтобы обеспечить генерацию масс частиц за счет взаимодействия с ними. Представим себе пенопластовые шарики, разложенные на гладкой поверхности стола. Легкое дуновение ветра приведет к их разлету, так как масса шариков очень мала. Если залить поверхность стола маслом (простой аналог поля Хиггса), то шарики не улетят, как будто они стали тяжелыми. Другую наглядную аналогию "механизма Хиггса" может предоставить СТО, со-
гласно которой частицы, не имеющие массы (например, фотоны), должны перемещаться со скоростью света, в то время как массивные частицы не могут достичь этой предельной скорости. Скалярное поле Хиггса, заполняющее все космическо
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.