«Бозон Хиггса открыт. Что дальше?»

7 июня 2018 года в культурно-просветительском центре «Архэ» состоялась лекция академика РАН Валерия Рубакова о хиггсовском бозоне и проходящих сейчас на БАКе исследованиях. С любезного согласия «Архэ» публикуем авторизованное В. А. Рубаковым изложение этой лекции, подготовленное Борисом Штерном.

Об открытии бозона Хиггса было сообщено 4 июля 2012 года на семинаре в ЦЕРНе. Было сказано довольно осторожно: открыта новая частица и ее свойства согласуются с предсказанными свойствами бозона Хиггса. И на протяжении последующих лет мы постепенно всё больше убеждались, что свойства точно такие, как предсказывали теоретики, причем в самой наивной модели. Самое главное, что это, как говорят теоретики, не просто новая частица, а представитель нового сектора элементарных частиц — хиггсовского сектора.

Давайте я напомню вам основные положения Стандартной модели. Весь «зоопарк» ее частиц умещается на один слайд. Протоны, нейтроны, π-мезоны — всё это составные частицы. Элементарных частиц не так много. Это семейство лептонов, семейство кварков, составляющие сектор фермионов. Второй сектор — частицы, ответственные за их взаимодействия: фотоны, W- и Z-бозоны, глюоны и гравитоны. Бозоны взаимодействуют не только с фермионами, но и между собой. Самая известная из перечисленных частиц — фотон.

Самые интересные по своим проявлениям — глюоны, именно они связывают кварки в протоне так, что невозможно растащить. W- и Z-бозоны по своей роли похожи на фотон, но они массивны и отвечают за слабые взаимодействия, которые родственны электромагнитным, хотя и выглядят по-другому. Еще должна быть частица гравитон. Ведь гравитационные волны уже открыты, а там, где есть волны, должны быть и частицы. Другое дело, что мы никогда, видимо, не сможем получать и регистрировать гравитоны поодиночке.

И наконец, бозон Хиггса, который представляет собой отдельный сектор на нашем слайде. Это еще одна частица, которая стоит особняком во всем «зоопарке», состоящем из небольшого количества разных видов.

Что такое бозон Хиггса?

Для начала: что же такое бозон? Каждая частица, как волчок, имеет как бы внутренний момент вращения, или спин (это квантовомеханическое явление). Бывает целый и полуцелый спин в единицах постоянной Планка. Частицы со спином 1/2 или 3/2 (любой полуцелый спин) называются фермионами. У бозонов спин целый, что приводит к фундаментальным отличиям в свойствах этих частиц (бозоны любят накапливаться в одном квантово-механическом состоянии, как фотоны в радиоволнах; фермионы, наоборот, этого избегают, из-за чего электроны заселяют разные атомные оболочки. — Ред.). Так вот, у бозона Хиггса спин равен 0 (а это тоже целое число).

Бозон Хиггса — тяжелая частица. Его масса — 125 ГэВ (для сравнения: масса протона — порядка 1 ГэВ, масса самой тяжелой частицы, t-кварка, — 172 ГэВ). Бозон Хиггса электрически нейтрален.

Новые частицы открывают на ускорителях, они рождаются в столкновениях частиц, в данном случае — в столкновениях протонов. После чего регистрируют продукты распада искомой частицы. Бозон Хиггса распадается в среднем за 10^–22 с. Для тяжелой частицы это не столь маленький срок — топ-кварк, например, живет в 500 раз меньше.

И у бозона Хиггса много разных способов распасться. Один из «золотых каналов» распада — распад на два фотона — довольно редкий: так хиггсовский бозон распадается в двух случаях из тысячи. Но этот путь замечателен тем, что оба фотона высокоэнергичны. В системе покоя хиггсовского бозона каждый фотон имеет энергию 62,5 ГэВ, это большая энергия. Эти фотоны хорошо видны, можно измерить направления их движения, энергию. Еще более чистый канал распада — распад на четыре лептона: на две пары e⁺ и e^–, на e⁺, e ^– и µ⁺, µ^– или на четыре мюона. Получаются четыре высокоэнергичные заряженные частицы, которые тоже хорошо видны, у них можно измерить энергию и направление вылета.

Как узнать, что мы видим именно распад бозона Хиггса? Допустим, мы зарегистрировали два фотона. При этом есть много других процессов, приводящих к рождению двух фотонов. Но если фотоны произошли от распада некой частицы, то по ним можно определить ее массу. Для этого надо вычислить энергию двух фотонов в системе отсчета, где они летят в противоположных направлениях с одинаковой энергией — в системе центра масс. В нашей системе отсчета это вполне определенная комбинация энергий фотонов и угла разлета между ними. Она называется инвариантной массой системы частиц. Если фотоны — продукты распада бозона Хиггса, их инвариантная масса должна равняться массе бозона с точностью до ошибок измерения. То же самое, если бозон распался на четыре частицы.

На рис. 2 показано распределение событий по инвариантной массе двух фотонов. Последняя отложена по горизонтальной оси, а по вертикальной отложено число событий. Есть непрерывный фон, и есть «нашлепка» в районе инвариантной массы 125 ГэВ. Возможно, вы будете смеяться, но эта «нашлепка» и есть бозон Хиггса. Подобный пик вырисовывается и в инвариантной массе четырех лептонов (e⁺, e ^–, µ ⁺, µ ^–), на которые он тоже распадается. Только это происходит в одном из десяти тысяч распадов. То есть надо породить миллион бозонов Хиггса, чтобы накопить сто распадов на две лептонные пары. И это было сделано.

Измерить энергию и направление вылета (стало быть, импульс) заряженного электрона или мюона можно с гораздо более высокой точностью, чем в случае фотона. Именно для этого детектор обладает сильным магнитным полем: искривление траектории заряженной частицы в магнитном поле позволяет определить ее импульс (а также знак заряда). Кроме того, изолированных лептонов высоких энергий рождается мало, а уж тем более невелико число четверок изолированных лепто-нов (изолированных, т. е. вне адронной струи). Поэтому фон для распада на четыре лептона мал.

Наконец, исследователями на БАКе отбирались события, в которых инвариантная масса одной пары лептонов противоположного знака равна массе Z-бозона (хиггс распадается на реальный Z и виртуальный Z), что еще сильнее давит фон. Но распад на четыре лептона на самом деле не лучше распада на два фотона, поскольку вероятность распада на два фотона гораздо выше, погрешности в его измерении компенсируются большей статистикой.

Почему бозон Хиггса открыли лишь недавно

Тут два обстоятельства. Во-первых, искомая частица тяжелая. Значит, нужен ускоритель на большую энергию. Во-вторых, надо иметь большую интенсивность пучков, чтобы число столкновений было достаточным. Физики используют слово «светимость», отражающее количество столкновений в единицу времени. У вас должно быть очень много столкновений.

С энергией вроде бы всё было нормально, ведь до Большого адронного коллайдера работал Тэватрон — коллайдер в США. Полная энергия у него была 2 ТэВ. Вроде неплохо, ведь бозон Хиггса — 125 ГэВ. В принципе, по энергии Тэватрон мог рождать бозоны Хиггса. Но у него была недостаточная светимость. Ему не хватило рожденных бозонов Хиггса.

Несколько слов про БАК

Большой адронный коллайдер — сооружение, примечательное во всех отношениях. Это сверхпроводящий ускоритель-накопитель, находящийся под землей. Длина его кольца — 27 км, и всё это кольцо состоит из магнитов, которые удерживают протоны в этом кольце, сверхпроводящих магнитов. На тот момент, когда БАК строился, это было последнее технологическое достижение. Сейчас есть довольно успешные попытки получать более мощное магнитное поле в магнитах. Но в то время это было самое-самое. Вообще, всё, что там делается, — это пик современных технологий, на самом краю человеческих возможностей.

Сначала БАК ускорял протоны до суммарной энергии 7 ТэВ, потом — 8 ТэВ. Каждый протон, сталкиваясь, имел энергию 4 ТэВ. Начав стабильно работать в 2010 году на энергии в 7 ТэВ, в 2011 году БАК перешел на энергию 8 ТэВ, а проектная энергия у него — 14 ТэВ. Сейчас по хитрым техническим причинам до 14 ТэВ до сих пор не добрались; с 2015 года ускоритель работает на суммарной энергии 13 ТэВ. Светимость у него очень высокая по всем меркам, специалисты в ЦЕРНе, конечно, большие мастера. А собственно столкновения частиц происходят в четырех местах, нас интересуют два из них, где стоят детекторы ATLAS и CMS. Примерно вот так выглядит CMS — компактный мюонный соленоид (рис. 4).

Самая крайняя — мюонная камера, позволяющая регистрировать и измерять параметры мюонов, которые летят через весь детектор, прошивая его насквозь. Всё это заключено в магнитное поле, с тем чтобы по искривлению движения частицы измерить ее импульс.

АTLAS — еще больше. Это такой многоэтажный дом, целиком забитый аппаратурой.

Эти детекторы измеряют энергии, импульсы, направления движения частиц, определяют, что это было — электрон, фотон, мюон или сильно взаимодействующая частица типа протона или нейтрона, — все они имеют свои сигнатуры.

Отдельная интересная история связана с тем, как устроены группы физиков — коллаборации, которые занимаются этим делом. Понятно, чтобы такую гигантскую машину разработать, создать и обслуживать, снимать и обрабатывать данные, следить за тем, чтобы ничего не портилось, искать разнообразные события и интересные явления, нужны большие команды. Они собираются по всему миру. Характерная цифра — 3,5 тыс. физиков в каждой коллаборации, в ATLAS и CMS. Эти группы международные: помимо европейских там специалисты из Америки, Японии, Китая, России и т. д. Общее количество институтов — порядка 200; 150–200 в каждой из коллабораций. Замечательно, что это самоорганизующаяся система. Это система, которая организовалась «снизу», там были свои «отцы-основатели», потихоньку обраставшие в 1990-е годы заинтересованными физиками. Собралось большое количество народу, но никаких начальников, кроме выборных, там нет, все разбиты на группы, подгруппы, отвечающие каждая за свое, так это всё устроено. Несмотря на то что это люди самых разных культур, всё это работает. Не переругались, не перегрызлись между собой.

Надо сказать, что Россия может гордиться и гордится тем, что мы участвуем в этой всей деятельности. В ЦЕРНе и вокруг него все прекрасно понимают и подчеркивают: вклад России вполне весомый и серьезный. Заметная часть ускорителя делалась в Новосибирске. Значительная часть элементов детекторов тоже делалась у нас. И наших участников много, из разных городов, разных институтов. Приблизительно по деньгам, ресурсам и людям на Россию приходится 5–7% от церновских детекторов (зависит от конкретного детектора). Что вполне нормально для нашей страны.

Зачем нужен бозон Хиггса

Перейдем к теоретической части, может быть, немного занудной и муторной, но мне кажется, что полезно понять и объяснить, хотя бы качественно, почему это Энглер, Браут и Хиггс вдруг решили, что должна быть новая частица. Точнее, Хиггс решил, что должна быть новая частица, а Энглер и Браут придумали поле бозона.

Прежде всего надо вспомнить, что всякая частица связана с полем. Частица — это всегда квант некоего поля. Существуют электромагнитное поле, электромагнитные волны, и с ними связан фотон — квант электромагнитного поля. Также и здесь: бозон Хиггса — это квант некоего поля. Можно спросить: зачем нужно новое поле? Энглер и Браут сообразили это первыми.

Тут надо уйти немного в сторону. Миром правят всевозможные симметрии. Например, пространственно-временные, связанные со сдвигами во времени и в пространстве: физика завтра такая же, как вчера, физика здесь такая же, как в Китае. С этими симметриями связаны законы сохранения энергии и импульса. Есть и менее очевидные, с точки зрения нашего повседневного опыта, симметрии — внутренние. Например, в электродинамике есть симметрия, которая приводит к закону сохранения электрического заряда. Ее не видно, кроме как на формулах, но она есть. Вместе с законом сохранения энергии эта симметрия запрещает электрону распадаться. Замечательно, что та же симметрия запрещает фотону иметь массу, и он ее действительно не имеет. Глюоны тоже безмассовые по той же причине — им запрещает иметь массу симметрия, связанная с «цветом». «Цветом» заряжены кварки, и глюоны привязаны к «цвету», как фотоны к заряду.

А вот частицы, которые отвечают за слабые взаимодействия, — W- и Z-бозоны — массивные. Неприятность заключается в том, что они очень похожи на фотоны: электрон может рассеяться на электроне, обменявшись фотоном, а может — Z-бозоном. Процессы очень похожи, хочется приписать слабым взаимодействиям симметрию того же типа, что имеют электромагнитные (она называется калибровочной симметрией), но масса W и Z — переносчиков слабого взаимодействия — не позволяет этого сделать, она нарушает калибровочную симметрию.

Почему же эта красивая симметрия оказалась нарушенной? Оказывается, это довольно универсальное явление в природе: многие симметрии существуют в первичных законах природы, но оказались нарушенными в реальной Вселенной. Это явление называется «спонтанным нарушением симметрии».

Представим себе, что мы с вами — маленькие человечки, которые живут в постоянном магните, в намагниченном куске железа. Проводим эксперимент с электронами: получаем электрон-позитронные пары (у нас там есть маленький ускоритель, излучаем электроны). Так вот, эти электроны летят в магните не по прямой. Из-за того что есть магнитное поле, они на него «навиваются» и летят по спирали. Мы с вами измеряем их и говорим: ребята, у нас есть выделенное направление, у нас мир не изотропен, у нас есть выделенная ось, на которую наматываются электроны.

Но если мы с вами умные теоретики, то догадаемся, что дело не в том, что пространство имеет выделенное направление, а в том, что в этом пространстве есть магнитное поле. Мы поймем: если бы нам удалось убрать это магнитное поле, то в пространстве все направления были бы равноправными. Мы решим, что симметрия по отношению к вращению есть, но она нарушена тем, что в пространстве есть магнитное поле. А если бы мы были еще более умными теоретиками, то, поняв, что есть такое новое поле, обеспечивающее нарушение симметрии, сказали, что должен быть и его квант. И предсказали бы фотон. И правильно бы предсказали! Симметрия может быть нарушена, если есть разлитое в пространстве поле, которое эту симметрию нарушает.

И вот в физике микромира ровно это и происходит. С некоторыми отличиями. Отличия в том, что симметрия не пространственная, не относительно пространственных вращений, как в магните, а внутренняя. И никакого железа тут у нас нет, эта симметрия нарушена прямо в вакууме. Наконец, в отличие от магнитного поля, здесь нужно новое поле. Это и есть поле Энглера, Браута и Хиггса, которое обеспечивает это нарушение. И тонкость еще в том, что магнитное поле — это вектор, у него есть направление, а вот это поле должно быть скаляром, чтобы не нарушить симметрию относительно пространственных вращений. Оно не должно быть никуда направлено. Частица этого поля должна иметь спин, равный нулю.

Такая картинка была предложена и облечена в формулы Энглером и Браутом, затем Хиггсом. Но Энглер и Браут как-то не обратили внимания на то, что их теория предсказывает новую частицу. А Хиггс, который опубликовал свою работу немного позже, на это внимание обратил, причем с подачи рецензента, который спросил, есть ли у Хиггса в статье какие-то новые вещи, про которые Энглер и Браут не сказали. Хиггс подумал-подумал и заявил, что должна быть новая частица. Поэтому ее и назвали «бозоном Хиггса».

Что дальше?

Пока что всё было «во здравие». Но остаются вопросы. С одной стороны, картина с бозоном Хиггса непротиворечива. Формально всё можно посчитать, всё можно вычислить, имея известные параметры этой теории — константы связи, массы. Но окончательного удовлетворения эта картина не приносит. И одно из самых главных мест, не дающих спокойно спать физикам, — это то, что в природе есть очень разные энергетические масштабы взаимодействий.

У сильных взаимодействий между кварками и глюонами свой характерный масштаб. Это, грубо говоря, масса протона — 1 ГэВ. Есть масштаб слабых взаимодействий, 100 ГэВ (массы W, Z, хиггсовского бозона). И этот масштаб как раз и есть масштаб хиггсовского поля — примерно 100 ГэВ. И это бы еще ничего, но есть еще масса Планка — гравитационный масштаб. Который аж 10¹⁹ ГэВ. И, конечно, уже странно: что за история такая, почему эти масштабы такие все разные?

С масштабами сильных взаимодействий такой проблемы нет: есть механизм, позволяющий понять отличие этого масштаба от гравитационного (ну, по крайней мере, замести наше недоумение под ковер). А вот с масштабом бозона Хиггса дело плохо. Почему? Потому что, вообще-то, в природе есть вакуум — состояние без частиц. И это вовсе не абсолютная пустота — в том смысле, что в вакууме всё время протекают виртуальные процессы: рождение-уничтожение пар частиц и флуктуации полей. Всё время там идет жизнь. Однако поскольку это вакуум и в нем нет никаких частиц, нам этого напрямую не видно. А косвенно — очень даже видно. Например, процессы рождения виртуальных пар влияют на свойства атомов, меняют их энергетические уровни. Это давно известный лэмбовский сдвиг, вычисленный в 1930-х и измеренный в 1940-х. Влияют, как правило, не очень сильно. Вот этот лэмбовский сдвиг атомных уровней — всего лишь доли процента.

Но есть одно место, где вакуум «стреляет» на 100%. Это как раз масса бозона Хиггса. Выясняется, что если вы начнете учитывать рождение и уничтожение виртуальных частиц и наивно попытаетесь провести вычисление — сколько же эти процессы вкладывают в массу бозона Хиггса, — то убедитесь, что эти явления стремятся подтянуть массу бозона Хиггса к планковской массе. Они не дают бозону Хиггса быть легким.

И это, действительно, страшное дело. Очень хочется понять, почему реально в природе электрослабый масштаб такой маленький по сравнению с гравитационным масштабом 10¹⁹ ГэВ. Это объясняется, может быть, тем, что мы плохо знаем физику при не очень высоких энергиях, при энергиях масштаба 1 ТэВ. Дело в том, что если физика меняется на масштабе тераэлектронвольт, то, может быть, там и происходят чудеса: влияние вакуума почему-то оказывается маленьким, несущественным. Такая идея. Возможно, БАК еще не всё открыл, и должны быть новые явления, которые ему доступны. Его энергия, напоминаю, — 14 ТэВ. Правда, это столкновения протона с протоном. Кварк с кварком имеют энергию столкновения примерно в шесть раз меньше. Поэтому реальный масштаб энергии, который изучается БАКом, — это 2–3 ТэВ. Но все-таки это тот самый масштаб, на котором (как нам хотелось бы) может появиться новая физика, совершенно новые физические явления.

И я вам должен сказать, что на самом деле сейчас ситуация очень стремная. Потому что БАК уже поработал почти на своей проектной энергии — 13 ТэВ, он отлично на ней отработал 2017 год, и сейчас эта работа продолжается. И нет пока никаких — никаких! — указаний на эту новую физику, на которую мы всё надеемся. Все эти соображения, про которые я вам говорю, не подтверждаются. То ли еще светимости не хватило, столкновений маловато, статистики маловато. То ли что-то тут совсем не то, и все эти достаточно убедительные, но не стопроцентно железные аргументы, может быть, неправильны.

Какая может быть новая физика? Очень большие надежды были на суперсимметрию. Она замечательна тем, что это теория, в которой есть дополнительная симметрия по сравнению со всеми известными. Которая связывает частицы с целым и полуцелым спином — бозоны и фермионы. Кстати сказать, эта симметрия была предложена теоретиками здесь в Москве, в ФИАНе, в 1970-х годах.

В контексте физики элементарных частиц это значит следующее: если у вас есть кварк со спином 1/2, то у него должен быть партнер, которого недолго думая назвали скалярный кварк, — «скварк» со спином 0. У электрона должен быть партнер — скалярный электрон, у фотона партнером должно быть фотино со спином 1/2, у глюона — глюино, у гравитона — гравитино.

Кроме гравитино, все эти частицы, если они легкие, должны рождаться на Большом адронном коллайдере. Вообще, горячие головы говорили так: включится БАК — и первым делом найдут отнюдь не бозон Хиггса, а суперсимметрию. И это мнение разделялось не только многими теоретиками, но и бедными экспериментаторами, которым теоретики запудрили мозги. Однако суперсимметрия до сих пор не открыта, только есть ограничения на массы вышеперечисленных частиц. Вообще, уже не похоже, что суперсимметрия есть в природе при не очень высоких энергиях.

Почему суперсимметрия хороша? Оказывается, вклады виртуальных частиц в массу бозона Хиггса имеют разные знаки для разных спинов. При суперсимметрии бозонный и фермионный вклады сокращаются до нуля, и если у вас есть фотоны и фотино или W-бозоны и ви́но, то их вклады тоже сокращаются до нуля. Если массы частиц и их суперпартнеров разные — а это так и есть, нет скалярного электрона с такой же массой, как у электрона, это мы точно знаем, — то это сокращение происходит не до нуля. Но если массы суперпартнеров — в районе тераэлектронвольт, то как раз получается, что эти вклады имеют масштаб сотни гигаэлектронвольт, и тогда всё хорошо. Но это уже не работает. Уже сейчас ограничения на эти массы такие сильные, что данный механизм сокращения полностью не работает, 100 ГэВ не получить. Если наивно вычислять, то должно получиться что-то вроде 500–700 ГэВ для массы бозона Хиггса. Так что сейчас ситуация с поиском суперсимметрии очень напряженная.

Есть еще сценарии: например, бозон Хиггса может быть составным, не обязательно элементарным. И вообще, в физике конденсированных сред известны аналоги механизма Хиггса, и там аналог бозона Хиггса или хиггсовского поля не элементарный, а составной. Самый известный пример — это сверхпроводимость. В сверхпроводнике фотон как бы имеет массу, это так называемый эффект Мейснера. Теория Энглера — Браута — Хиггса — это почти один в один теория Гинзбурга — Ландау, которая была предложена лет за десять до Энглера — Браута — Хиггса.

Если бозон Хиггса — составной, тогда всё меняется, и огромные вклады от взаимодействия с вакуумом исчезают, появляется размер составной системы, как у протона. Если этот размер составляет 10^–18 см, то соответствующая энергия системы оказывается разумной, при этом внутренняя структура пока остается неразличимой. У таких моделей есть свои предсказания, но опять-таки до сих пор ничего похожего на ускорителе не видно.

Может быть, мы чего-то сильно не понимаем, теоретики чего-то сильно не додумали, не открыли в своих головах. Конечно, на Большом адронном коллайдере есть программа поиска новых явлений, не опирающаяся на теоретические предсказания. Будем искать, где можем, «где есть фонари» — под ними и будем искать. И будем пытаться найти отличия от Стандартной модели везде, где только это можно сделать. До сих пор ничего этого нет, и Стандартная модель прекрасно работает.

В заключение скажу: сейчас мы находимся на очень интересном этапе развития физики элементарных частиц. С одной стороны, есть уверенность, что Стандартная модель — это еще не вся история. Есть еще пришедшие из космологии жесткие, однозначные свидетельства того, что Стандартная модель неполна, — в первую очередь это темная материя: во Вселенной есть массивные частицы, которые составляют темную материю, их по массе примерно в пять раз больше, чем обычного вещества.

Сейчас такая ситуация, что физика элементарных частиц снова стала экспериментальной наукой. В 1950–1960-е годы эта область физики была экспериментальной наукой, когда шли эксперименты, их результаты осмысливались и создавались теории. Однако на протяжении всей моей сознательной жизни всё было наоборот: теоретики делали предсказания, а экспериментаторы их подтверждали. Сейчас мы опять пришли к ситуации, когда мы полностью завязаны на эксперимент, не зная, что он нам покажет. Ждем, держим пальцы крестиком, но пока ничего интересного БАК нам не говорит. Кроме того, что есть бозон Хиггса…

Какая новая физика появится в конце концов, мы тоже не знаем. Так что ситуация интересная, важное открытие сделано, но каким будет следующее открытие, никто сегодня сказать не может. Может быть, это и хорошо, это заставляет нас напрягаться и думать, а экспериментаторов — искать новые явления. Надеюсь, что эти поиски завершатся успехом.

Расшифровку лекции В. А. Рубакова см. на сайте газеты.
Видеозапись лекции см. youtube.com/watch?v=yi87VJobUFQ