С днем рождения, БАК!

Десятого сентября исполняется десять лет со дня официального запуска Большого адронного коллайдера (БАК) — крупнейшего на планете и самого мощного ускорителя заряженных частиц. Коллайдер строили, чтобы, прежде всего, доказать существование бозона Хиггса — частицы, необходимой для подтверждения Стандартной модели физики элементарных частиц. В 2012 году частицу обнаружили. Тем не менее, у физиков осталось еще немало теорий и предсказаний, которые они хотят экспериментально подтвердить на БАК, и закрытие установке не грозит. В честь юбилея коллайдера мы предлагаем вам выяснить, какая часть вашей массы обеспечивается бозонами Хиггса. Введите значение в килограммах и нажмите кнопку «Узнать!»

А вот ролик, в котором объясняется, что такое Большой адронный коллайдер и зачем его построили.

Также мы решили ответить на некоторые вопросы, порой сложные и непростые, которые часто задают в интернете по поводу Большого адронного коллайдера.

Говорят, что бозон Хиггса понадобился теоретикам, потому что без него все элементарные частицы не могли иметь массу, то есть были бы безмассовыми, как фотон. А как это выяснилось, почему частицы оказались безмассовыми?

В Стандартной модели, которая фактически представляет собой квантовую теорию поля, все процессы описываются в терминах квантовых полей, а элементарные частицы отвечают колебаниям этого поля. Например, электромагнитные процессы описываются электромагнитным полем, колебаниями которого являются фотоны. Основной принцип этой модели — принцип симметрии. Другими словами, когда физики строили Стандартную модель, они предполагали, что поля останутся неизменными, если над ними произвести некоторые преобразования, сохраняющие симметрию модели (такие преобразования называют калибровочными). Подробнее о том, как такие простые требования помогают физикам построить теорию, можно прочитать в материале «На пути к теории всего».

Самый простой пример системы, которая обладает симметрией, — это цепочка взаимодействующих спинов (стрелочек), которые могут быть ориентированы либо вверх, либо вниз. Легко сообразить, что суммарная энергия такой конфигурации не изменится, если повернуть каждую стрелочку на 180 градусов — это преобразование эквивалентно развороту всей системы, которое не может сказаться на ее внутренней структуре. Симметрия полей Стандартной модели гораздо сложнее, однако принцип остается тем же. Например, наблюдаемые величины в электродинамике не изменятся, если сдвинуть 4-потенциал на полную производную от скалярной функции. Важно заметить, что эта симметрия не сохранялась бы, если бы фотоны в модели были массивными.

Так вот, теория электрослабого взаимодействия, расширяющая электродинамику, устроена похожим образом: чтобы сохранить симметрию модели, нужно потребовать, чтобы ее элементарные частицы — фотоны и векторные бозоны, — были безмассовыми. К сожалению, в действительности векторные бозоны массивны. Чтобы разрешить это противоречие и сохранить симметрию модели, нужно добавить в теорию новое скалярное поле. Если новое поле будет двигаться в потенциале, который имеет минимумы при ненулевой напряженности, оно «застрянет» в одном из минимумов, и все пространство заполнится однородным фоном, за который будут «цепляться» элементарные частицы. В результате на низких энергиях теория будет выглядеть так, будто частицы приобрели массу. Этот механизм в настоящее время называют механизмом Хиггса, а частицу, отвечающую колебаниям нового поля, — бозоном Хиггса. В то же время, на высоких энергиях массой частиц можно пренебречь, и симметрия теории восстанавливается.

Почему для поисков бозона Хиггса потребовалось создавать такую большую и дорогую установку — Большой адронный коллайдер? Как определили, что нужна именно такая?

Изначально ученые не знали, какую массу имеет бозон Хиггса — в Стандартной модели она является «свободным» параметром, который вводится в теорию «руками» и может быть определен только с помощью эксперимента. Всего таких параметров в Стандартной модели более 20, и объяснить, почему они приняли на практике строго определенные значения, ученые пока не могут. Тем не менее, можно было предположить, что бозон Хиггса очень тяжелый — его масса должна превышать массы векторных бозонов, лишь чуть-чуть не дотягивающие до ста гигаэлектронвольт. В самом деле, в настоящее время известно, что масса бозона Хиггса примерно равна 125 гигаэлектронвольт.

Ученые умеют получать такие массивные частицы только одним способом — разгонять менее массивные частицы (например, протоны) до огромных энергий с помощью ускорителя, а затем сталкивать их в надежде, что в продуктах реакции будут заметны следы новых частиц. Чем больше энергия столкновения, тем выше вероятность «увидеть» новую частицу. На всех установках, предшествовавших Большому адронному коллайдеру, эта вероятность была слишком низка, и ученые не могли подтвердить существование бозона Хиггса — и тем более не могли измерить его массу и другие параметры.

С другой стороны, удерживать частицы, разогнанные до околосветовых скоростей, очень сложно. В кольцевых коллайдерах, к числу которых относится Большой адронный коллайдер, заряженные частицы удерживаются с помощью сложной системы электромагнитных катушек, которые заставляют частицы поворачивать с помощью электромагнитных полей. Чем больше энергия частицы — тем больше должна быть напряженность магнитного поля, в котором она движется, и тем больше должен быть радиус кривизны ее траектории. Соответственно, стоимость ускорителя вырастает пропорционально энергии, которую он может получить. Например, длина ускорителя ISR, работавшего в 1971–1984 годах и ускорявшего протонные пучки до энергии около 31 гигаэлектронвольт, не превышала одного километра. Ускоритель «Теватрон», получавший пучки с энергией порядка тысячи гигаэлектронвольт, имел протяженность более шести километров. А Большой адронный коллайдер, протянувшийся почти на 27 километров, работает с энергией около 6,5 тысяч гигаэлектронвольт. Более короткий и дешевый ускоритель просто не смог бы получить бозон Хиггса.

Говорят, что вся Вселенная заполнена полем Хиггса — скалярным полем, которое «тормозит» все ускоряющиеся объекты. Но что поддерживает присутствие этого поля? Что является его источником?

Полю Хиггса не нужен источник, чтобы заполнить Вселенную, — этот процесс происходит «сам по себе», поскольку он энергетически выгоден. Потенциал поля Хиггса по своему виду напоминает «мексиканскую шляпу» — при нулевой напряженности поле Хиггса имеет локальный максимум, а при некотором ненулевом значении — минимум. Точнее, целый набор глобальных минимумов, отвечающих одинаковой напряженности поля, но отличающихся фазой. Как бы то ни было, полю выгодно «высадиться» в один из таких минимумов. Конечно, в некоторых областях пространства поле может сместиться из минимума и его напряженность будет отличаться от равновесной, однако такие конфигурации не смогут долго существовать. Если же раскладывать поле относительно равновесного значения, получится, что в модели появляются члены, совпадающие с членами, придающими массу элементарным частицам. Сильно упрощенное объяснение, как работает механизм Хиггса, можно найти в материале «Хиггсовский механизм в аналогиях».

Что случится, если поле Хиггса выключится?

Очень маловероятно, что поле Хиггса «выключится» — как уже отмечалось в предыдущем вопросе, это энергетически невыгодно, и области, в которых напряженность поля Хиггса внезапно упала бы до нуля, быстро возвратятся в равновесное состояние. Тем не менее, существует другая опасность, связанная с полем Хиггса, — процесс, известный как распад ложного вакуума. Дело в том, что аналогия с «мексиканской шляпой», описывающая напряженность поля Хиггса, в действительности не совсем верная. На самом деле «поля» шляпы не уходят бесконечно высоко после минимума, а загибаются вниз на достаточно большой энергии; в результате в модели возникает еще одно равновесное положение, энергия которого меньше энергии минимума, в котором мы живем. Такое положение называют истинным вакуумом, а текущее положение — ложным вакуумом. «Почувствовать» истинный вакуум в прямых экспериментах нельзя, однако теоретические расчеты подтверждают, что потенциал Хиггса имеет именно такую форму.

Конечно, для того чтобы поле «перескочило» из ложного вакуума в истинный, ему надо преодолеть очень высокий потенциальный барьер, а потому вероятность такого процесса крайне мала. По крайней мере, достоверно известно, что этот процесс так и не произошел за 13,8 миллиарда лет существования Вселенной (мы до сих пор живем в ложном вакууме!). Тем не менее, рано или поздно он должен будет произойти — и тогда огромная энергия поля Хиггса высвободится, а известный нам мир, скорее всего, прекратит свое существование. Впрочем, распад ложного вакуума пока еще сравнительно плохо изучен теоретически, и физикам многое предстоит понять. Возможно, в действительности какие-нибудь неизвестные или неучтенные ранее процессы мешают распаду и обещанный «конец света» никогда не наступит.

Что же именно произойдет, если напряженность поля Хиггса внезапно обратится в ноль? Конечно, протоны, нейтроны и ядра атомов не перестанут существовать — кварки в них удерживаются с помощью сильного взаимодействия, для которого важен цветной заряд частиц, а не их масса. Однако более сложные структуры — атомы и молекулы, — не смогут образоваться, а химические реакции не смогут идти, поскольку электроны потеряют массу, а их связь с ядрами ослабнет. Кроме того, в «безхиггсовом» мире векторные бозоны потеряют свою массу; следовательно, слабые силы будет действовать на неограниченно больших расстояниях, подобно электромагнетизму и гравитации. Понятно, что привычная для нас жизнь в таком мире невозможна. Более подробно о последствиях «выключения» поля Хиггса можно прочитать в статье «The Known Particles — If The Higgs Field Were Zero».

Бозоны Хиггса — это колебания, изолированные волны поля Хиггса. А какие природные процессы могут порождать бозоны Хиггса?

Как и любая другая частицы, бозон Хиггса может образоваться при столкновении частиц, разогнанных до достаточно большой энергии, — при условии, что процесс не нарушает законов сохранения энергии, импульса, заряда, спина и ряда других характеристик элементарных частиц. Поскольку бозон Хиггса довольно массивный, на практике эти законы означают, что исходные частицы должны иметь очень большую энергию. Основной канал рождения бозона Хиггса (то есть наиболее вероятный) — слияние двух глюонов, однако он также может родиться при столкновениях пар W-бозонов и Z-бозонов, а также при столкновениях W-бозона или Z-бозона с топ-кварком. Недавно ученые окончательно подтвердили, что все эти процессы действительно могут идти.

В природе частицы очень редко разгоняются до больших энергий, а столкновения таких высокоэнергетических частиц происходят еще реже. Единственный источник, который может обеспечить рождение бозона Хиггса — это космические лучи, отдельные частицы которых «разгоняются» 4×10¹⁸ электронвольт. Эта энергия в миллионы раз превосходит энергию Большого адронного коллайдера. Возможно, при столкновениях таких частиц образуются не только бозоны Хиггса, но и более экзотические продукты, однако проверить это на практике невозможно — чтобы восстановить картину событий, происходящих при столкновении, нужно точно измерить энергию и импульс всех «осколков», а также набрать большую статистику. К сожалению, для космических лучей нельзя сделать ни того, ни другого.

Правда ли, что если поле Хиггса исчезнет, частицы и вообще все объекты будут иметь примерно ту же самую массу, что и с ними?

Вообще говоря, механизм Хиггса отвечает только за массу элементарных частиц — векторных бозонов, кварков и лептонов (в частности, электрона). Однако бо́льшая часть массы материи связана с барионами — протонами и нейтронами, масса которых объясняется энергией глюонного поля, удерживающего кварки вместе. В самом деле, суммарная масса кварков, из которых состоит протон, не превышает десяти мегаэлектронвольт, тогда как масса составной частицы лишь чуть-чуть не дотягивает до 940 мегаэлектронвольт. Характерный масштаб ядерных сил, удерживающих нуклоны в ядре, также много меньше этой величины: в среднем энергия связи колеблется от 2,2 мегаэлектронвольта на нуклон до 8,8 мегаэлектронвольта на нуклон. Энергия других сил, связывающих частицы или атомы между собой, еще меньше. Таким образом, вклад механизма Хиггса в массу материи не превышает одного процента. Тем не менее, при отсутствии механизма Хиггса большинство физических процессов шли бы совершенно по-другому (например, электрон был бы безмассовым), а потому пренебречь полем Хиггса нельзя.

Можно ли сказать, что Большой адронный коллайдер строился только ради бозона Хиггса? Что еще от него ожидали физики (и какие предсказания уже не сбылись)?

Нет, нельзя. Было много теорий и предсказаний, которые должен был проверить коллайдер, — иначе деньги на его постройку просто не выделили бы. В частности, в задачи БАКа входило изучение топ-кварков и кварк-глюонной плазмы, фотон-фотонных и фотон-адронных столкновений, подтверждение механизма электрослабой симметрии и проверка Стандартной модели в целом, поиск суперсимметрии и «новой физики». С большинством из этих задач коллайдер отлично справился, хотя на некоторые поставленные вопросы и был получен отрицательный ответ. Поэтому нельзя сказать, что БАК проработал бы «вхолостую», если бы бозон Хиггса так и не был найден.

Более подробно об открытиях и разочарованиях Большого коллайдера можно прочитать в нашей подборке «Второй сезон коллайдера». В частности, про возможные отклонения от Стандартной модели рассказывает материал «Разрешите отклониться», про развитие историй про таинственный двухфотонный пиком и другими отклонения — серия новостей [1, 2, 3]. А про малоизвестные подробности работы ученых можно прочитать в материалах «Прелестный кварк летит вперед», «Рудник нолей и единиц» и «Стойкий оловянный магнит».

Открыл ли коллайдер что-то еще, кроме бозона Хиггса?

Как минимум, благодаря коллайдеру ученые впервые смогли получить тетракварки и пентакварки — частицы, состоящие из четырех и пяти кварков соответственно. Хотя существование таких объектов предсказывалось теоретически, до 2016 года ученые не могли их обнаружить, и все известные частицы состояли либо из трех (барионы), либо из двух (мезоны) кварков. Также на Большом адронном коллайдере впервые удалось получить дважды очарованные барионы — частицы, содержащие сразу два массивных c-кварка, принадлежащих второму поколению. Затем ученые еще более пристально изучили новые частицы, измерив их массу и время жизни. Кроме того, эксперименты на ускорителе помогли изучить такие редкие процессы, как рассеяние фотона на фотоне и образование кварк-глюонной плазмы.

Дмитрий Трунин