До новой встречи с бозоном Хиггса осталось три месяца

Питер Хиггс, предсказавший существование «частицы Бога», на фоне одного из детекторов Большого адронного коллайдера, на котором эта частица и была обнаружена экспериментально. Фото Reuters

В самом конце прошлого года руководство Европейского центра ядерных исследований сообщило, что двухлетние каникулы Большого адронного коллайдера (Large Hadron Collider, LHC) заканчиваются. Ремонт и апгрейд LHC завершены, 27-километровый кольцевой туннель, расположенный на глубине около 100 м в окрестностях Женевы вновь подготовлен для столкновения пучков частиц. Туннель уже начали охлаждать до штатной температуры в 1,9 К (примерно минус 271 градус Цельсия; ниже 273,15 градусов в природе температуры нет). В марте по этому кольцевому сверхпроводящему «холодильнику» собираются вновь погнать пучки ионов с невиданной до сих пор энергией, в два раза большей, чем до каникул. Ученые замерли в ожидании «новой физики».

Чего же нам ждать от запуска Большого адронного коллайдера? Повторный пуск Большого адронного коллайдера, осуществляющего «коллизии»-столкновения ядер (от греч. НАДРОN – ядро) атомов водорода, то есть протонов, потребовал от теоретиков тщательной проработки существа будущих экспериментов. Ведь БАК – это очень дорогое удовольствие, самый дорогостоящий экспериментальный прибор за всю историю физики.

Опыты, проводившиеся на линейном ускорителе американского Станфорда, показали возможность воспроизведения в земных условиях ничтожной – по сравнению с космическими масштабами – энергии дисбаланса, или неравенства распределения во Вселенной материи и антиматерии. Открытие бозона Хиггса породило множество гипотез о формировании пространства (нашей Вселенной) после Большого взрыва, роли бозона Хиггса в первоначальной инфляции (ускоренном раздувании новорожденной Вселенной) и генерации гравитационных волн, которые и поныне видны в виде «ряби» космического микроволнового фона (CMB – Cosmic Microwave Background).

Заметим, что, как сообщает РИА «Свежий ветер», «надо продолжать исследование частицы, ради которой, собственно, суперколлайдер и затевался, – бозона Хиггса. Физикам перед самыми каникулами удалось ухватить его за хвост, и теперь надо отбивать у оппонентов, утверждающих, что это, может быть, вовсе и не тот «хиггс», а на самом деле частица, очень похожая на него, но совсем другая». Напомним, что бозон Хиггса еще называют «частицей Бога»: согласно теоретическим представлениям, это именно «хиггс» создает некое поле, которое придает массу всем остальным частицам. То есть наш материальный мир, данный нам в ощущениях, и существует только благодаря хиггсовскому полю.

Как бы там ни было, но уже дошло до того, что родилась даже идея «хиггсогенеза» – новой космогонической модели, опубликованной в журнале Physical Rev. Letters. Она постулирует порождение весьма тяжелого бозона Хиггса, придающего массу протону и нейтрону. Последние относятся к тяжелым барионам, но бозон в 125 раз тяжелее каждого их них. Потребуется много экспериментов, чтобы разобраться в свойствах недавно открытой частицы мироздания.

Даже далекие от современной физики элементарных частиц люди могут при соответствующем переводе понять, что же такое коллайдер, или, по-американски smasher. Но дальше начинается полная «непонятка» с лептонами и барионами, бозонами и фермионами. Первая пара «кодирует» вес частиц; участницы же второй пары названы в честь индийского физика-теоретика Шатьендраната Бозе, скооперировавшегося в свое время с Альбертом Эйнштейном (они придумали так называемый конденсат Бозе–Эйнштейна – ВЕС, возникающий как единое целое при сверхохлаждении достаточно большого числа атомов), и Энрико Ферми.

Но эти имена сегодня уже мало что говорят даже интересующимся наукой и ее историей, поэтому лучше ориентироваться на спин, или магнитный момент частиц, который может равняться 1/2, 0 или другому целому числу. Получисленный спин имеют барионы, лептоны и фермионы; нулевой и целочисленный бозоны, включающие фотоны – частицы-кванты света, альфа-частицы и пионы (последние в 264–273 раза тяжелее электронов). К «легким» лептонам помимо электронов относятся мюоны (207 электронных масс) и нейтрино, активно излучаемые Солнцем. Электрон входит и в состав фермионов с «добавлением» протонов и нейтронов, которые почти в 2000 раз тяжелее первого, поэтому оба включены и в барионы.

Летом 2014 года физическое приложение журнала Nature поместило сообщение из Цюрихского университета, экспериментаторам которого удалось показать распад бозона Хиггса с прямым образованием фермионов. Это вроде бы объясняет преобладание материи над антиматерией в наблюдаемой Вселенной. Можно напомнить, что бозоны являются переносчиками силы между фермионами.

Обособленность бозонов объясняет интерес ученых к этим уникальным элементарным частицам, которые на самом деле не столь просты, как может показаться. Бозон Хиггса в коллайдере претерпевает мгновенный распад на два тау-лептона, образующих хорошо известные астрофизикам струи (джеты), уходящие в космос с полюсов черных дыр. Но от дыр джеты уходят в противоположных направлениях по одной оси, а тау-«истечения» – под небольшим углом друг к другу. Теоретики Станфорда полагают, что данный угол показывает несоответствие количества материи и антиматерии, в неравномерном распределении которых большая роль принадлежит бозону Хиггса.

РИА СВ приводит слова профессора Тары Ширс из Ливерпульского университета, работающей в группе одного из детекторов БАКа, по мнению которой дело с пониманием Вселенной осталось также незавершенным. Большой адронный коллайдер в принципе способен объяснить, почему во Вселенной материи неизмеримо больше, чем антиматерии, если согласно теории Большого взрыва и та и другая родились одномоментно в равных количествах. Симметрия и суперсимметрия – главные законодательные органы современной физики – такого неравенства не допускают. Однако возможны нарушения их законов, которые могли бы со временем привести к сегодняшней диспропорции, и не исключено, что БАК способен эти нарушения уловить. «В ходе предыдущих экспериментов мы фиксировали намеки на то, что не все соответствует нашим ожиданиям, и мы надеемся превратить эти намеки в открытия», – заявила Тара Ширс.

Столкновение протонов в «трубе» коллайдера, приводящее к образованию струй тау-лептонов с небольшим углом между ними. Изображение Physorg

Что такое ЦЕРН и Большой адронный коллайдер

В 1949 году на Европейской конференции по культуре в Лозанне французский физик, нобелевский лауреат Луи де Бройль предложил создать международную организацию для проведения фундаментальных научных исследований, объем и сущность которых не под силу какому-либо одному национальному институту. На межправительственной встрече ЮНЕСКО в Париже в декабре 1951 года было принято решение о создании Европейского совета по ядерным исследованиям (Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire – CERN). Двумя месяцами позже 11 стран подписали соглашение о создании временного Совета, тогда и возникло название ЦЕРН. На третьей сессии временного Совета в октябре 1952 года Женева (Швейцария) была выбрана для размещения будущей лаборатории. В июне 1953 года в кантоне Женева прошел референдум, на котором две трети проголосовавших согласились на размещение научного центра.

ЦЕРН – это крупнейший в мире и единственный в своем роде научно-исследовательский центр в области физики элементарных частиц. Он расположен к западу от Женевы, на территории Швейцарии и Франции, у подножия горного массива Юра, где геологические и сейсмические условия позволяют без опасения строить ускорители элементарных частиц.

В 1984 году в ЦЕРНе родилась и 10 годами позже была официально одобрена идея проекта Большого адронного коллайдера (БАК). Тогда же началось проектирование и изготовление узлов для ускорителя и детекторов к нему. БАК – ускоритель частиц, благодаря которому физики смогут проникнуть так глубоко внутрь материи, как никогда ранее. Он сооружен в подземном кольцевом туннеле длиной 26,65 км на глубине около 100 м, в том же туннеле, в котором работал Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP), что намного удешевило его строительство. Туннель проложен на глубине на территории Франции и Швейцарии. Для удержания и коррекции протонных пучков используются 1624 сверхпроводящих магнита, общая длина которых превышает 22 км. Магниты должны работать при температуре 1,9 K (–271,1±C).

11 августа 2008 года успешно завершена первая часть предварительных испытаний. Во время испытаний пучок заряженных частиц прошел чуть более трех километров по одному из колец БАКа. Таким образом, ученым удалось проверить работу синхронизации предварительного ускорителя, так называемого протонного суперсинхротрона (SPS), и системы правой доставки луча. Эта система передает в основное кольцо разогнанные пучки таким образом, что они начинают двигаться по кольцу по часовой стрелке. В результате испытаний удалось оптимизировать работу системы.

Второй этап испытаний прошел 24 августа 2008 года. Была протестирована инжекция протонов в ускорительное кольцо БАКа в направлении против часовой стрелки.

Официальный запуск коллайдера был произведен 10 сентября 2008 года. В 12.24.30 по московскому времени запущенный пучок протонов успешно прошел весь периметр коллайдера по часовой стрелке. В 17.02 по московскому времени запущенный против часовой стрелки пучок протонов также успешно прошел весь периметр коллайдера. Инаугурация коллайдера запланирована на 21 октября 2008 года.

12 сентября 2008 года, примерно в 00.30 по московскому времени, команде БАКа удалось запустить и непрерывно удерживать циркулирующий пучок в течение 10 минут. Чуть позже пучок был запущен вновь и циркулировал уже непрерывно, прерываясь лишь в случае необходимости. На этом задача по установлению циркулирующего пучка завершилась, и физики приступили к подробным тестам магнитной системы. 19 сентября 2008 года во время испытания магнитной системы сектора 3–4 при запуске пучка протонов с энергией 5 ТэВ произошел резкий разогрев соединения двух магнитов, приведший к утечке около тонны жидкого гелия. В настоящее время проводится комиссионное исследование причин аварии.

В ускорителе предполагается сталкивать протоны с суммарной энергией 14 ТэВ (то есть 14 тераэлектронвольт, или 14х1012 электронвольт) в системе центра масс налетающих частиц, а также ядра свинца с энергией 5,5 ГэВ (5,5х109 электронвольт) на каждую пару сталкивающихся нуклонов. Таким образом, в БАКе будет достигнута энергия частиц почти в 10 раз, а светимость сталкивающихся пучков протонов – в 100 раз больше, чем в его ближайших конкурентах – протон-антипротонном коллайдере Тэватрон, который в настоящее время работает в Национальной ускорительной лаборатории им. Э. Ферми (США), и релятивистском коллайдере тяжелых ионов RHIC, работающем в Брукхейвенской лаборатории (США).

Цель экспериментов на БАК – изучение основополагающих вопросов мироздания. Из чего состоит вещество? Откуда оно появилось? Какие силы действуют между элементарными частицами и объединяют их в сложные объекты, окружающие нас? Каково вообще происхождение нашей Вселенной и каковы законы, определяющие ее развитие? Новый ускоритель должен поднять нас на новую ступень в ряду открытий физики частиц, которые начались столетие назад.