З чого складається наша реальність на елементарному рівні і як вчені це досліджують?

«Тунель протяжністю 27 км, розташований на території двох держав — Франції та Швейцарії, на глибині до 175 метрів. Має всередині надвисокий вакуум (тиск у 10−13 атм) і температуру до -271,2 ºC…». Ці показники схожі на опис секретної військової лабораторії, проте призначення тунелю наче найбільш мирне. Йдеться про тунель, у якому розташоване головне кільце найбільшого у світі прискорювача елементарних частинок LHC (Large Hadron Collider — Великий адронний колайдер).

Він створений для розширення меж наших знань про будову Всесвіту. Великий адронний колайдер є останнім поповненням у комплексі прискорювачів Європейської організації ядерних досліджень (CERN), на рахунку якої — фундаментальні відкриття в галузі ядерної фізики та фізики елементарних частинок. Крім того, саме тут створили перший прототип Інтернету, пише у своїй публікації Назар Бартосик — доктор природничих наук, науковий співробітник відділу фізики високих енергій у Національному інституті ядерної фізики в Італії (м. Турин).

Рада CERN проголосила концепцію LHC у 1997-му; його пропонували збудувати в тунелі, який прокладали на той час для попереднього прискорювача — LEP (Large Electron-Positron Collider — Великий електрон-позитронний колайдер). Лише через 10 років затвердили остаточне рішення про його створення. І ще через 15 років, наприкінці 2009-го, LHC почав стабільну роботу, а детектори, розташовані на прискорювачі, отримали перші безцінні експериментальні дані для довгоочікуваних фундаментальних досліджень.

Коротка історія уявлень про будову матерії

3000 років тому не існувало загальноприйнятих поглядів на будову матеріального світу, і стародавні мислителі висували власні уявлення, що ґрунтувалися лише на спостереженнях і логічних роздумах. Історичні записи стверджують, що Демокріт, Платон, Епікур та інші розвивали ідеї атомізму, згідно з якими всі матеріальні речі складаються з неподільних елементів — атомів. Однак такі ідеї об'єктивно не мали причин бути авторитетнішими за інші. Лише згодом з'явилася можливість реально оцінювати істинність тих чи інших філософських теорій.

Першими ідею атомізму підтвердили дослідження Джона Дальтона 1804 року: він помітив, що різні речовини змішуються між собою в нову речовину не в довільних кількостях, а лише в чітких пропорціях. Цей висновок наштовхнув його на думку про існування так званих «атомів» у кожній речовині, що мають об'єднатися з конкретною кількістю атомів іншої. Протягом тривалого часу атоми вважали елементарними частинками, що не мають власної внутрішньої будови, аж поки 1897 року Джозеф Томсон не відкрив електрон. Про нього він дізнався, досліджуючи катодні промені.

Томсон вирішив, що атоми складаються з електронів, які рівномірно розподілені в позитивно зарядженому об'ємі атома (гарною ілюстрацією є аналогія з пудингом, наповненим родзинками: пудинг — це об'єм атома, що має позитивний електричний заряд, а родзинки в ньому — електрони, заряд яких є негативним).

Ця модель була загальноприйнятою, аж поки 1909 року Ганс Гайгер та Ернест Марсден не помітили, що під час пропускання величезної кількості альфа-частинок через золоту фольгу деякі з них відбивалися в протилежному напрямку. А це абсолютно суперечило очікуванням від моделі Томсона. Згідно з нею, альфа-частинки мали б відхилятися від своєї первісної траєкторії лише незначною мірою через зіткнення з електронами, тоді як рівномірний позитивний заряд просто сповільнював би їх. Тому те, що частинки іноді відбивалися назад, ніби від зіткнення з чимось дуже важким, ніяк не вписувалося в таку модель. Ернест Разерфорд, колега Гайгера, звернув увагу на несумісність результатів з усталеним поглядом і запропонував новий.

Суть моделі полягала в тому, що позитивний заряд атома зосереджений у малій частині його об'єму — ядрі. Подальші дослідження показали, що ядра різних видів атомів мають різну кількість позитивних зарядів, яка точно збігається з атомним номером у періодичній таблиці Менделєєва. У 1906−1907 рр. було отримано перші докази існування ізотопів (таких різновидів атома, які мають з ним однаковий порядковий номер, проте відрізняються масовим числом), а це означає наявність нейтрально заряджених частинок у ядрах. Таким чином, ядро також не могло бути елементарним, а складалося з протонів і нейтронів — стійких за своєю масою частинок. Нарешті цілісна картина, здається, склалася.

І жага вчених дізнатися більше породжувала нові експерименти, технічні засоби та теоретичні моделі, які в 50-х роках призвели до появи потужних прискорювачів, де частинки розганялися до великих швидкостей і стикалися з іншими. Протягом наступних десяти років дослідники відкривали дедалі нові нестабільні частинки, які були чимось абсолютно відмінним від звичних нам протонів, нейтронів та електронів. Цей феномен на той час називали particle zoo (з англ. — зоопарк частинок), адже тоді не існувало жодного очевидного пояснення такій великій їхній кількості.

Стандартна модель і бозон Хіггса

У 1920-х роках уже розвивалося квантове уявлення про світ, започатковане Луї де Броїлем. У сучасну квантову механіку його сформулював Вернер Гайзенберг: на рівні атома не можна говорити про його конкретне розташування в конкретний час. Натомість атом умовно є розмитою хмарою, у кожній точці якої він перебуває одночасно, але з різною ймовірністю. Ця абсолютно контр інтуїтивна (адже ми звикли сприймати світ таким, де кожен об'єкт має чітко визначене розташування у просторі, а будь-яка подія має чітко визначений час) концепція мала безліч експериментальних підтверджень, і саме вона дозволила з високою точністю описувати експериментальні спостереження. Кульмінацією розвитку квантової концепції світу стало формулювання квантової теорії поля. Згідно з нею, світ пронизаний певним набором полів, а матеріальні частинки в цих полях є лише збуреннями.

Досліджуючи способи народження, розпаду та характеристики частинок з уже згаданого «зоопарку», вчені почали знаходити певну систему. Поєднуючи її з квантовою теорією поля, дослідники змогли заглибитися ще на один рівень і знайти модель, яка пояснює і весь цей «зоопарк», і відомі нам протони з нейтронами. Вона отримала назву Стандартна модель, і впродовж останніх сорока років бездоганно пояснює результати всіх експериментів над елементарними частинками. Згідно з цією моделлю, на найбільш елементарному рівні весь наш матеріальний світ складається з ферміонів, які взаємодіють через бозони. Ферміони є 12 різних видів, серед яких, зокрема, є знайомий нам електрон (e), а також u- та d-кварки, з яких складаються протони (uud) та нейтрони (udd). Саме різні комбінації кварків і породжують той «зоопарк частинок».

Бозони є зовсім іншим типом частинок: вони не об'єднуються між собою, а лише взаємодіють із конкретно визначеними ферміонами або іншими бозонами. Наприклад, один із видів бозонів глюон (g) відповідає за силу, яка тримає u- і d-кварки всередині протона. А W-бозон забезпечує зміну композиції кварків у ядерних реакціях. Один елемент у цій таблиці має спеціальне місце — хоч він і є бозоном, проте не відповідає за жодну силу. Це — бозон Гіґґса. Через взаємодію з полем Гіґґса інші ферміони та бозони отримують масу. Над цим механізмом набуття частинками маси працювали одночасно 6 учених, проте в загальний ужиток увійшло саме ім'я Пітера Гіггса. У 1967 році цей механізм інтегрували до Стандартної моделі, але це аж ніяк не означало, що він відповідає дійсності: річ у тім, що не було жодного експериментального підтвердження.

Історія попередніх пошуків

Першим експериментом, де вчені покладали надії на відкриття бозона Гіггса, був LEP. Тоді, протягом 1990−2000-х, науковці сподівалися, що маса бозона — нижче 100 GeV (Гігаелектрон-вольт), адже LEP мав недостатньо потужності для створення важчого бозона Гіґґса. Однак домогтися успіху не вийшло. Наступним кандидатом був американський прискорювач Tevatron. Він був найпотужнішим у світі на той час, але його сили теж не вистачило. Tevatron закрили 2011-го. І хоча ця спроба і була невдалою, прискорювачі LEP і Tevatron надали дуже важливу для LHC інформацію: тепер цю частинку потрібно було шукати лише в межах 122−128 GeV. Якщо бозон Хіггса дійсно існував, то вчені з CERN були приречені на успіх.

Минуло всього 2,5 року після запуску LHC, і в липні 2012-го вчені повідомили про відкриття частинки з масою в районі 125−127 GeV. Про подію говорили в прайм-таймах найбільших телеканалів світу, адже вдалося експериментально підтвердити існування останньої елементарної частинки Стандартної моделі. І це — після 45 років існування її лише у вигляді теоретичної концепції. Для відкриття бозона Гіґґса LHC мав дві необхідні характеристики: високу енергію протонів, до якої їх розганяли, і високу концентрацію цих частинок. Що більша енергія у протонів, які стикаються, то більша маса утвореної частинки в результаті. Це безпосередньо випливає із закону збереження енергії та еквівалентності маси й енергії згідно з теорією відносності (E = mc²). З іншого боку, висока концентрація протонів необхідна для забезпечення великої кількості бозонів Хіггса, що виникають у процесі зіткнень.

Від балона з гелієм до бозона Гіггса

Процес пошуку бозона починається зі звичайного гелію, того самого, яким надувають святкові кульки. Гелій використовують через те, що він має оптимальне співвідношення вартості з простою будовою атома: лише два електрони та ядро з двох протонів. Газ спочатку пропускають між електродами, які створюють сильне електричне поле, щоб забрати з нього всі електрони, залишивши лише протони. Далі їх спрямовують до лінійного прискорювача LINAC2, а потім пропускають через серію з трьох циркулярних прискорювачів, у кожному з яких протони розганяються до дедалі вищих швидкостей. Зрештою вони потрапляють у головний прискорювач LHC.

Зі зростанням енергії зростає і радіус прискорювача. Це зроблено для того, щоб мінімізувати втрати енергії протонів через відхилення від прямолінійної траєкторії. На весь процес прискорення потрібно близько 20-ти хвилин, після чого в LHC з'являються два пучки частинок, які циркулюють у протилежних напрямках зі швидкістю лише на 3 м/с повільнішою за швидкість світла (а людство не знає нічого більше). Обидва пучки розділені на 1380 груп, які містять у середньому по 100 млрд протонів. Кожні 50 наносекунд (тобто 20 млн разів за секунду) дві такі групи перетинаються всередині детекторів. І все це лише для того, щоб кілька пар протонів зіткнулися досить сильно для взаємодії u- і d-кварків, породивши нові частинки, серед яких, ймовірно, буде і бозон Гіггса.

Завдяки тому, що фізика побудована на математиці, вона оперує не просто поняттями в стилі «існує бозон Гіггса», а чіткими цифрами і функціями залежностей.

Організація експерименту

Після затвердження проєкту LHC вирішили створити два детектори, які зможуть зареєструвати бозон Гіггса. Відповідні групи вчених — колаборації — незалежно одна від одної розробляли та втілювали проєкти кожного детектора. Двома найчисленнішими колабораціями, що працюють на прискорювачі LHC, є ATLAS (з англ. A Toroidal LHC ApparatuS) та CMS (з англ. Compact Muon Solenoid). Вони сформувалися ще на початку 90-х років. Кожна має близько 4000 працівників: науковців і технічних робітників. Завдяки незалежності одна від одної колаборації побудували детектори, що відрізняються як зовнішньою будовою (детектор ATLAS має майже в 6 разів більший об'єм і вдвічі меншу вагу, ніж CMS), так і технологіями. Наявність двох схожих за можливостями і різних за будовою та організацією експериментів дає змогу проводити взаємну перевірку.

Після запуску LHC більшість людей у кожній колаборації аналізує дані. Паралельно значна частина вчених займається і технічними завданнями, вони створюють програмне забезпечення для аналізу даних, розробляють нові алгоритми ідентифікації частинок, обчислюють корекції різних параметрів детектора, підтримують оптимальну роботу комп'ютерних систем. Безпосередньо в CERN перебуває відносно невелика частина колаборації. Інші вчені працюють у своїх інститутах по всьому світу, спілкуючись з рештою через Інтернет або наживо — під час конференцій або робочих зустрічей.

Статистичний аналіз наосліп

Хоча над пошуком бозона Гіґґса працює значна кількість людей, фізично знайти цю частинку неможливо: час її життя настільки малий, що вона розпадається на легші частинки скоріше за 1⁄1021 секунди, не досягнувши й найближчого сенсора в детекторі. Тому залишається тільки реєструвати продукти розпаду бозона. Для цього шукають два високоенергетичні фотони. З одного боку, пошук саме фотонів є гарним вибором: фотони легко розпізнати, їхню енергію можна виміряти дуже точно, та й в інших процесах вони народжуються значно рідше, як, приміром, кварки чи лептони. Але є тут і недолік — згідно зі Стандартною моделлю, бозон Гіггса масою 125 GeV розпадається на два фотони лише у двох випадках із 1000, тоді як на два b-кварки — у 600 випадках із 1000.

Під час пошуків бозона Гіггса його фізичні характеристики, зокрема маса, не були відомими заздалегідь. Тому всі пошуки цього бозона проходили «наосліп». Це означає, що впродовж дослідження вчені не могли бачити, чи якось те, що вони шукають, виглядає з реальних даних, отриманих детектором. Ця вимога є психологічним фактором: науковці не повинні видавати бажане за дійсне. На практиці пошук бозона Гіґґса «наосліп» у каналі розпаду відбувається таким чином. Оскільки бозон має хоч і невідому, але конкретну масу, імпульси фотонів, на які він розпався, мають відтворювати цю масу. Мовою фізики можна сказати, що інваріантна маса двох таких фотонів дорівнюватиме масі бозона Гіґґса. Тому потрібно просто відібрати всі зіткнення, що створили два фотони, і в кожному випадку порахувати їхню інваріантну масу. Звісно, два фотони можуть виникнути внаслідок багатьох інших процесів, але тоді фотони будуть незалежні. Тобто значення їхньої інваріантної маси буде цілком випадковим, на відміну від тих, які ми шукаємо: у них інваріантна маса буде завжди однакова.

Враховуючи, що процесів, де утворюються два фотони, багато, доводиться покладатися на статистику. Коли зібрати кілька десятків тисяч пар фотонів і порахувати кількість таких, що мають певне значення інваріантної маси, утворюється спектр із плавною передбачуваною формою, утвореною саме тими випадковими фотонами. Адже за допомогою Стандартної моделі ми можемо порахувати, скільки на LHC має народитися пар фотонів із будь-яким значенням інваріантної маси. І в одному місці пар буде більше, ніж зазвичай, адже разом із випадковими фотонами там ще збиратимуться всі пари від розпаду бозонів Гіґґса. Що більшою буде статистика, то помітніше це буде.

Знайшли. А що далі?

Попри те, що бозон Гіґґса знайшли під час обох експериментів, і сумнівів у його існуванні не виникає, дослідження ще далеко не вичерпані. Зокрема, виходячи з точних вимірювань, на сьогодні ми лише знаємо, що його маса дорівнює 125,09 GeV плюс/мінус 0,2%, і що для такої маси інші його характеристики цілком сумісні з передбаченнями Стандартної моделі. Але значною мірою це є лише наслідком того, що ми зареєстрували недостатньо багато різних процесів народження і розпаду бозона Хіггса, щоб розпізнати можливі відхилення від теорії.

Програма досліджень на LHC розрахована щонайменше до 2023 року: за цей час потрібно зібрати у сто разів більше даних. Це значно зменшить статистичну похибку в десятках вимірювань різних характеристик бозона Хіггса. Крім того, вже зараз тривають дослідження та дискусії щодо можливого перепрофілювання LHC до так званого High Luminosty LHC (англ. — LHC на високій світності), у якому концентрація протонів буде значно вищою, що дасть змогу за десять років збільшити кількість даних іще вдесятеро. І безперервне підвищення точності вимірювання всіх можливих фізичних явищ дасть шанс у якомусь із них помітити, нарешті, статистично значуще відхилення від того, що передбачає Стандартна модель. А це вкаже нам напрямок, у якому слід розвивати нову, розширену теорію світобудови.