Но так было не всегда. Долгое время механизм Хикса оставался элегантной, но всего лишь гипотезой. Чтобы доказать его существование, нужны были железобетонные улики. И такой уликой мог стать только сам бозон — порция энергии поля, «атом» этой субстанции. Математическая теория с поразительной точностью предсказывала его характеристики: чудовищно малую массу — около 2×10⁻²⁵ килограмма (что в переводе на энергию покоя составляет 120–250 гигаэлектронвольт) — и нулевой спин. Найди частицу с таким паспортом — и можно с высокой вероятностью утверждать: да, поле Хикса реально.
И вот тут физиков поджидала главная трудность. Дело в том, что сегодня наша Вселенная покоится в «вакуумном состоянии» поля Хикса. Это не значит, что поле мертво — квантовые флуктуации в нём происходят постоянно, как рябь на поверхности воды. Но самих бозонов Хикса в нём нет. Все поля стремятся к такому состоянию покоя. Однако обычные поля — например, электромагнитное — легко вывести из равновесия, создав источник заряда. У поля Хикса таких источников нет. Оно однородно и неизменно, словно фон, и это прекрасно для нас: именно поэтому масса электрона сегодня такая же, какой была миллиард лет назад. Но для экспериментаторов это превратилось в настоящий кошмар. Вы не можете просто «взять и поймать» бозон Хикса, потому что в природе его попросту нет. Остаётся единственный выход — создать эту частицу искусственно.
Пик на фоне шума
Как рождают новые частицы? Старый и надёжный способ — разогнать два протона до околосветовых скоростей и столкнуть их. Вся накопленная кинетическая энергия переплавится в сноп новых частиц, чья суммарная масса не превышает энергию столкновения, пересчитанную по формуле E=mc². БАК способен выдавать энергию до 6,8 тераэлектронвольт — более чем достаточно, чтобы рожать бозоны Хикса. Вопрос лишь в том, как заметить эту частицу, ведь она живёт ничтожные доли секунды (около 10⁻²² секунды) и тут же распадается.
На помощь приходят каналы распада. Самый изящный из них — превращение бозона Хикса в два фотона. Суммарная энергия этой пары в точности равна массе исходной частицы. Но загвоздка в том, что при столкновении протонов рождается настоящий зоопарк частиц. Множество процессов порождают фотоны самых разных энергий, в том числе и в интересующем нас диапазоне 100–200 ГэВ. Как среди этого гвалта выделить голос бозона Хикса?
Только статистически. Если бозон Хикса действительно существует, то на фоне плавного спектра энергий фотонов должен возникнуть крошечный, но отчётливый «горбик» — избыток фотонов с энергией, равной массе бозона. Чтобы этот холмик проявился, нужно провести астрономическое число столкновений, ведь бозон Хикса рождается в одном случае из нескольких миллиардов. И далеко не каждый из них выбирает канал с двумя фотонами.
В 2011–2012 годах команды физиков на БАК провели около четырёх квадриллионов протон-протонных столкновений. На разгон протонов ушло примерно 30 тераджоулей — столько энергии за месяц потребляет небольшой европейский городок. И результат: едва заметный «прыщик» на графике. Энергия покоя — 125 гигаэлектронвольт, масса — 2,2×10⁻²⁵ кг. Это он.
Но тут, как любит говорить наука, возникает скептический вопрос: а не может ли эта частица быть не бозоном Хикса, а чем-то совершенно иным? История знает такие подставы. В 1934 году Хидэки Юкава предсказал частицу — переносчик сильного ядерного взаимодействия, с массой около 200 масс электрона. Через три года её нашли в космических лучах, обрадовались, а потом… оказалось, что это не мезон Юкавы, а старший брат электрона — мюон. Истинную частицу Юкавы (пион) обнаружили лишь в 1947-м.
Может ли новый бозон повторить судьбу мюона? Теоретически — да. Практически — маловероятно. Мы нашли ровно одну частицу в предсказанном диапазоне масс, а не несколько, как в той истории. У неё ожидаемые свойства и каналы распада. Нет ни одной альтернативной модели, которая породила бы такой же спектр. Поэтому, хотя абсолютное доказательство в науке — штука тонкая, сегодня физики практически единодушны: бозон Хикса открыт, а значит, поле Хикса — это не гипотеза, а реальный механизм, дарящий массу всей материи во Вселенной. По крайней мере, пока не появится повод усомниться. А если он появится — мы обязательно об этом расскажем.
Комментарии
Статистическая значимость в 5σ - безусловно, строгий критерий, но она лишь говорит о том, что сигнал не является случайной флуктуацией фона, а не о том, что интерпретация этого сигнала как бозона Хиггса стандартной модели единственно возможна. Отсутствие альтернативных моделей, воспроизводящих тот же спектр, - аргумент от незнания, а не доказательство. Систематические погрешности, особенно при учёте всех каналов распада и процедур подавления фона, могут скрывать отклонения, которые при повышении статистики или энергии проявятся как несоответствия предсказаниям. Пока мы не увидим прямых измерений ширины распада и спина с точностью, исключающей все реалистичные расширения Стандартной модели, называть открытие «окончательным» - значит подменять консенсус доказательством
Утверждение, что «нет ни одной альтернативной модели, которая породила бы такой же спектр», сформулировано слишком сильно. Для канала распада на два фотона существуют сценарии в расширениях Стандартной модели (например, 2HDM с почти вырожденными массами бозонов), способные дать схожую инвариантную массу при определённом подборе параметров. Отсутствие явных альтернатив - скорее результат ограниченной статистики и неполного покрытия фазового пространства, чем строгое доказательство единственности
Как-то раз я на работе искал виновника бага по всем признакам, нашёл идеального кандидата, а потом оказалось, что это старый косяк в другом обличье. С бозоном, значит, такого не будет?
Это не точно
Да, тут важно, что нашли именно одну частицу с предсказанными свойствами и каналами распада, а не как в случае с мюоном. Это и даёт уверенность в результате 😊
Особенно про этот зоопарк частиц и гвалт запомнилось, автор сам расписал, как там всё замусорено, а потом делает вид, что сигнал чистый
Я не делаю вид, не надо) я честно сказал что там все достаточно сложно, но при этом понятно.
Кстати, это спокойное состояние поля как атмосферное давление - мы его не замечаем, пока не устроим «взрыв» в коллайдере 😊
Вот это как раз тот редкий случай, когда наука работает не на хайпе, а на фактах. Помню, в девяностые нам рассказывали про «бозон Бога» и обещали то ли новую физику, то ли конец света, а оказалось - просто аккуратная работа. Особенно спасибо за пояснение про мюон: вечно эти СМИ начинают трубить о сенсации, а потом выясняется, что сигнал зашумлён. Здесь же спокойно разложили, почему альтернативных моделей нет и почему «горбик» - это не случайность. За это - спасибо, хоть немного порядка в голове стало