Из чего состоит наша реальность на элементарном уровне и как ученые это исследуют?

«Тоннель протяженностью 27 км, расположенный на территории двух государств — Франции и Швейцарии, на глубине до 175 метров. Имеет внутри сверхвысокий вакуум (давление в 10−13 атм) и температуру до -271,2 ºC…». Эти показатели похожи на описание секретной военной лаборатории, однако назначение тоннеля как наиболее мирное. Речь идет о тоннеле, в котором находится главное кольцо крупнейшего в мире ускорителя элементарных частиц LHC (Large Hadron Collider — Большой адронный коллайдер). Он создан для расширения границ наших знаний о строении Вселенной. Большой адронный коллайдер является последним пополнением в комплексе ускорителей Европейской организации ядерных исследований (CERN), на счету которой — фундаментальные открытия в области ядерной физики и физики элементарных частиц. Кроме того, именно здесь создали первый прототип Интернета, пишет в своей публикации Назар Бартосик — доктор естественных наук, научный сотрудник отдела физики высоких энергий в Национальном институте ядерной физики в Италии (г. Турин).

Совет CERN провозгласила концепцию LHC в 1997-м; его предлагали построить в тоннеле, который прокладывали в то время для предыдущего ускорителя — LEP (Large Electron-Positron Collider — Большой электрон-позитронный коллайдер). Лишь через 10 лет утвердили окончательное решение о его создании. И еще через 15 лет, в конце 2009-го, LHC начал стабильную работу, а детекторы, расположенные на ускорителе, получили первые бесценные экспериментальные данные для долгожданных фундаментальных исследований.

Краткая история представлений о строении материи

3000 лет назад не существовало общепринятых взглядов на строение материального мира, и древние мыслители выдвигали собственные представления, основанные лишь на наблюдениях и логических размышлениях. Исторические записи утверждают, что Демокрит, Платон, Эпикур и другие развивали идеи атомизме, согласно которым все материальные вещи состоят из неделимых элементов — атомов. Однако такие идеи объективно не имели причин быть более авторитетными, чем другие. Лишь впоследствии появилась возможность реально оценивать истинность тех или иных философских теорий.

Первыми идею атомизме подтвердили исследования Джона Дальтона 1804 года: он заметил, что разные вещества смешиваются между собой в новое вещество не в произвольных количествах, а лишь в четких пропорциях. Этот вывод натолкнул его на мысль о существовании так называемых «атомов» в каждой веществе, что должны объединиться с конкретным количеством атомов другого. В течение длительного времени атомы считали элементарными частицами, не имеющими собственного внутреннего строения, пока в 1897 году Джозеф Томсон не открыл электрон. О нем он узнал, исследуя катодные лучи.

Томсон решил, что атомы состоят из электронов, которые равномерно распределены в положительно заряженном объеме атома (хорошей иллюстрацией является аналогия с пудингом, наполненной изюмом: пудинг — это объем атома, имеющая положительный электрический заряд, а изюминки в нем — электроны, заряд которых отрицателен).

Эта модель была общепринятой, пока в 1909 году Ханс Гайгер и Эрнест Марсден не заметили, что во время пропускания огромного количества альфа-частиц через золотую фольгу некоторые из них отражались в противоположном направлении. А это совершенно противоречило ожиданиям от модели Томсона. Согласно ей, альфа-частицы должны были бы отклоняться от своей первоначальной траектории лишь незначительным образом из-за столкновения с электронами, в то время как равномерный положительный заряд просто замедлял бы их. Поэтому то, что частицы иногда отражались назад, будто от столкновения с чем-то очень тяжелым, никак не вписывалось в такую модель. Эрнест Разерфорд, коллега Гайгера, обратил внимание на несовместимость результатов с устоявшимся взглядом и предложил новый.

Суть модели заключалась в том, что положительный заряд атома сосредоточен в малой части его объема — ядре. Дальнейшие исследования показали, что ядра различных видов атомов имеют разное количество положительных зарядов, которая точно совпадает с атомным номером в периодической таблице Менделеева. В 1906—1907 гг. были получены первые доказательства существования изотопов (таких разновидностей атома, имеющих с ним одинаковый порядковый номер, однако отличаются массовым числом), а это означает наличие нейтрально заряженных частиц в ядрах. Таким образом, ядро также не могло быть элементарным, а состояло из протонов и нейтронов — устойчивых по своей массе частиц. Наконец целостная картина, кажется, сложилась.

И жажда ученых узнать больше порождала новые эксперименты, технические средства и теоретические модели, которые в 50-х годах привели к появлению мощных ускорителей, где частицы разгонялись до больших скоростей и сталкивались с другими. В течение следующих десяти лет исследователи открывали все новые нестабильные частицы, что были чем-то совершенно отличным от привычных нам протонов, нейтронов и электронов. Этот феномен в то время называли particle zoo (с англ. — зоопарк частиц), ведь тогда не существовало никакого очевидного объяснения такому большому их количеству.

Стандартная модель и бозон Хиггса

В 1920-х годах уже развивалось квантовое представление о мире, начатое Луи де Броилем. В современную квантовую механику его сформулировал Вернер Гайзенберг: на уровне атома нельзя говорить о его конкретном расположении в конкретное время. Зато атом условно является размытым облаком, в каждой точке которого он находится одновременно, но с разной вероятностью. Эта совершенно контр интуитивная (ведь мы привыкли воспринимать мир таким, где каждый объект имеет четко определенное положение в пространстве, а любое событие имеет четко определенное время) концепция имела множество экспериментальных подтверждений, и именно она позволила с высокой точностью описывать экспериментальные наблюдения. Кульминацией развития квантовой концепции мира стала формулировка квантовой теории поля. Согласно ей, мир пронизан определенным набором полей, а материальные частицы в этих полях есть только возмущениями.

Исследуя способы рождения, распада и характеристики частиц из уже упомянутого «зоопарке», ученые начали находить определенную систему. Сочетая ее с квантовой теорией поля, исследователи смогли углубиться еще на один уровень и найти модель, которая объясняет и весь этот «зоопарк», и известные нам протоны с нейтронами. Она получила название Стандартная модель, и на протяжении последних сорока лет безупречно объясняет результаты всех экспериментов над элементарными частицами. Согласно этой модели, на наиболее элементарном уровне весь наш материальный мир состоит из фермион, которые взаимодействуют через бозоны. Фермион есть 12 различных видов, среди которых, в частности, является знакомый нам электрон (e), а также u- и d-кварки, из которых состоят протоны (uud) и нейтроны (udd). Именно различные комбинации кварков и порождают тот «зоопарк частиц».

Бозоны являются совершенно другим типом частиц: они не объединяются между собой, а только взаимодействуют с конкретно определенными фермионами или другими бозонами. Например, один из видов бозонов глюон (g) отвечает за силу, которая держит u- и d-кварки внутри протона. А W-бозон обеспечивает изменение композиции кварков в ядерных реакциях. Один элемент в этой таблице имеет специальное место — хоть он и является бозоном, однако не отвечает ни за какую силу. Это-бозон Хиггса. Через взаимодействие с полем Хиггса другие фермионы и бозоны получают массу. Над этим механизмом обретения частицами массы работали одновременно 6 ученых, однако в общий обиход вошло именно имя Питера Хиггса. В 1967 году этот механизм интегрировали в Стандартную модель, но это отнюдь не означало, что он соответствует действительности: дело в том, что не было ни одного экспериментального подтверждения.

История предыдущих поисков

Первым экспериментом, где ученые возлагали надежды на открытие бозона Хиггса, был LEP. Тогда, в течение 1990−2000-х, ученые надеялись, что масса бозона — ниже 100 GeV (Гигаэлектрон-вольт), ведь LEP имел недостаточно мощности для создания более тяжелого бозона Хиггса. Однако добиться успеха не получилось. Следующим кандидатом был американский ускоритель Tevatron. Он был самым мощным в мире на то время, но его силы тоже не хватило. Tevatron закрыли в 2011-м. И хотя эта попытка и была неудачной, ускорителе LEP и Tevatron предоставили очень важную для LHC информацию: теперь эту частичку нужно было искать лишь в пределах 122−128 GeV. Если бозон Хиггса действительно существовал, то ученые из CERN были обречены на успех.

Прошло всего 2,5 года после запуска LHC, и в июле 2012-го ученые сообщили об открытии частицы с массой в районе 125−127 GeV. О событии говорили в прайм-таймах крупнейших телеканалов мира, ведь удалось экспериментально подтвердить существование последней элементарной частицы Стандартной модели. И это — после 45 лет существования ее лишь в виде теоретической концепции. Для открытия бозона Хиггса LHC имел две необходимые характеристики: высокую энергию протонов, к которой их разгоняли, и высокую концентрацию этих частиц. Чем больше энергия у протонов, которые сталкиваются, тем больше масса образуемой частицы в результате. Это напрямую вытекает из закона сохранения энергии и эквивалентности массы и энергии согласно теории относительности (E = mc2). С другой стороны, высокая концентрация протонов необходима для обеспечения большого количества бозонов Хиггса, возникающих в процессе столкновений.

От баллона с гелием до бозона Хиггса

Процесс поиска бозона начинается с обычного гелия, того самого, которым надувают праздничные шарики. Гелий используют из-за того, что он имеет оптимальное соотношение стоимости с простым строением атома: только два электрона и ядро из двух протонов. Газ сначала пропускают между электродами, которые создают сильное электрическое поле, чтобы забрать из него все электроны, оставив лишь протоны. Далее их направляют в линейного ускорителя LINAC2, а затем пропускают через серию из трех циркулярных ускорителей, в каждом из которых протоны разгоняются до все более высоких скоростей. В конце концов они попадают в главный ускоритель LHC.

С ростом энергии растет и радиус ускорителя. Это сделано для того, чтобы минимизировать потери энергии протонов через отклонения от прямолинейной траектории. На весь процесс ускорения нужно около 20-ти минут, после чего в LHC появляются два пучка частиц, циркулирующих в противоположных направлениях со скоростью лишь на 3 м/с более медленной скорости света (а человечество не знает ничего более). Оба пучки разделены на 1380 групп, которые содержат в среднем по 100 млрд протонов. Каждые 50 наносекунд (то есть 20 млн раз за секунду) две такие группы пересекаются внутри детекторов. И все это лишь для того, чтобы несколько пар протонов столкнулись достаточно сильно для взаимодействия u- и d-кварков, породив новые частицы, среди которых, вероятно, будет и бозон Хиггса.

Благодаря тому, что физика построена на математике, она оперирует не просто понятиями в стиле «существует бозон Хиггса», а четкими цифрами и функциями зависимостей.

Организация эксперимента

После утверждения проекта LHC решили создать два детектора, которые смогут зарегистрировать бозон Хиггса. Соответствующие группы ученых — коллаборации — независимо друг от друга разрабатывали и воплощали проекты каждого детектора. Двумя самыми многочисленными коллаборациями, работающие на ускорителе LHC, является ATLAS (с англ. A Toroidal LHC ApparatuS) и CMS (с англ. Compact Muon Solenoid). Они сформировались еще в начале 90-х годов. Каждая имеет около 4000 работников: ученых и технических рабочих. Благодаря независимости друг от друга коллаборации построили детекторы, которые отличаются как внешним строением (детектор ATLAS имеет почти в 6 раз больший объем и вдвое меньший вес, чем CMS), так и технологиями. Наличие двух схожих по возможностям и различных по строению и организацией экспериментов позволяет проводить взаимную проверку.

После запуска LHC большинство людей в каждой коллаборации анализирует данные. Параллельно значительная часть ученых занимается и техническими задачами, они создают программное обеспечение для анализа данных, разрабатывают новые алгоритмы идентификации частиц, вычисляют коррекции различных параметров детектора, поддерживают оптимальную работу компьютерных систем. Непосредственно в CERN находится относительно небольшая часть коллаборации. Другие ученые работают в своих институтах по всему миру, общаясь с остальными через Интернет или вживую — во время конференций или рабочих встреч.

Статистический анализ вслепую

Хотя над поиском бозона Хиггса работает значительное количество людей, физически найти эту частицу невозможно: время ее жизни настолько мал, что она распадается на более легкие частицы скорее 1⁄1021 секунды, не достигнув и ближайшего сенсора в детекторе. Поэтому остается только регистрировать продукты распада бозона. Для этого ищут два высокоэнергетических фотона. С одной стороны, поиск именно фотонов является хорошим выбором: фотоны легко распознать, их энергию можно измерить очень точно, и в других процессах они рождаются значительно реже, например, кварки или лептоны. Но есть здесь и недостаток — согласно Стандартной модели, бозон Хиггса массой 125 GeV распадается на два фотона только в двух случаях из 1000, в то время как на два b-кварки — в 600 случаях из 1000.

Во время поисков бозона Хиггса его физические характеристики, в частности масса, не были известными заранее. Поэтому все поиски этого бозона проходили «вслепую». Это означает, что на протяжении исследования ученые не могли видеть, как-то, что они ищут, выглядит из реальных данных, полученных детектором. Это требование является психологическим фактором: ученые не должны выдавать желаемое за действительное. На практике поиск бозона Хиггса" вслепую «в канале распада происходит следующим образом. Поскольку бозон имеет хоть и неизвестную, но конкретную массу, импульсы фотонов, на которые он распался, должны воспроизводить эту массу. Языком физики можно сказать, что инвариантная масса двух таких фотонов будет равна массе бозона Хиггса. Поэтому нужно просто отобрать все столкновения, что создали два фотона, и в каждом случае посчитать их инвариантную массу. Конечно, два фотона могут возникнуть в результате многих других процессов, но тогда фотоны будут независимые. То есть значение их инвариантной массы будет вполне случайным, в отличие от тех, которые мы ищем: у них инвариантная масса будет всегда одинакова.

Учитывая, что процессов, где образуются два фотона, много, приходится полагаться на статистику. Когда собрать несколько десятков тысяч пар фотонов и посчитать количество таких, которые имеют определенное значение инвариантной массы, образуется спектр с плавной предсказуемой форме, образованной именно теми случайными фотонами. Ведь с помощью Стандартной модели мы можем посчитать, сколько на LHC должен родиться пар фотонов с любым значением инвариантной массы. И в одном месте пар будет больше, чем обычно, ведь вместе со случайными фотонами там еще будут собираться все пары от распада бозонов Хиггса. Чем больше будет статистика, тем заметнее это будет.
Нашли. А что дальше?

Несмотря на то, что бозон Хиггса нашли во время обоих экспериментов, и сомнений в его существовании не возникает, исследования еще далеко не исчерпаны. В частности, исходя из точных измерений, на сегодня мы лишь знаем, что его масса равняется 125,09 GeV плюс/минус 0,2%, и что для такой массы другие его характеристики вполне совместимы с предсказаниями Стандартной модели. Но в значительной степени это является лишь следствием того, что мы зарегистрировали недостаточно много различных процессов рождения и распада бозона Хиггса, чтобы распознать возможные отклонения от теории.

Программа исследований на LHC рассчитана как минимум до 2023 года: за это время нужно собрать в сто раз больше данных. Это значительно уменьшит статистическую погрешность в десятках измерений различных характеристик бозона Хиггса. Кроме того, уже сейчас ведутся исследования и дискуссии относительно возможного абновления LHC к так называемому High Luminosty LHC (англ. — LHC на высокой светимости), в котором концентрация протонов будет значительно выше, что позволит за десять лет увеличить количество данных еще в десять раз. И непрерывное повышение точности измерения всех возможных физических явлений даст шанс в каком-нибудь из них заметить, наконец, статистически значимое отклонение от того, что предполагает Стандартная модель. А это укажет нам направление, в котором следует развивать новую, расширенную теорию мироздания.