Достучаться до небес. Научный взгляд на устройство Вселенной - Лиза Рэндалл

Поскольку обнаружение бозона Хиггса имеет для науки принципиальное значение, на обеих экспериментальных установках — и на CMS, и на ATLAS — предусмотрены хитроумные и точные стратегии поиска фотонов и тау–частиц; более того, детекторы обеих установок проектировались с расчетом на поиск бозона Хиггса. Электромагнитные калориметры, описанные в главе 13, рассчитаны на тщательное измерение энергии фотонов, а мюонные детекторы помогают регистрировать распады еще более тяжелых тау–частиц. Считается, что вместе эти средства достаточны для того, чтобы убедиться в существовании бозона Хиггса, а как только хиг- гсы будут обнаружены, свойства их тоже можно будет установить.

Как рождение, так и распад бозона Хиггса ставят перед экспериментаторами достаточно серьезные проблемы, но ученые БАКа должны оказаться на высоте и достойно ответить на этот вызов. Физики надеются, что в ближайшие несколько лет мы сможем отпраздновать открытие бозона Хиггса и больше узнать о свойствах этой частицы.

Итак, мы ожидаем в скором времени обнаружить бозон Хиггса. В принципе, он мог бы родиться и при пробном пуске Большого адронного коллайдера на половинной мощности — ведь энергия столкновения при этом более чем достаточна для создания этой частицы. Однако мы уже говорили о том, что бозон Хиггса возникает при столкновении протонов лишь в очень небольшой доле случаев. Это означает, что частицы Хиггса будут рождаться только тогда, когда столкновений будет много, а это подразумевает высокую светимость коллайдера. Скорее всего, число столкновений, которые первоначально планировалось получить до остановки коллайдера на полтора года и подготовки его к новому пуску уже на целевых энергиях, слишком мало; бозонов Хиггса в этот период возникло бы слишком мало, чтобы их можно было заметить. Однако новый план, который предусматривает работу БАКа в течение всего 2012 г., а затем остановку его на год, может оказаться более удачным в этом смысле. Не исключено, что именно в этот период ученым удастся «поймать» неуловимый бозон Хиггса[54]. Разумеется, позже, когда БАК будет работать на полную мощность, его светимость будет достаточно высокой, а поиск хиггса станет для работающих на БАКе ученых одной из основных целей.

Может показаться, что экспериментальный поиск бозона Хиггса не так уж необходим, — ведь ученые совершенно уверены в его существовании, а искать его трудно и дорого. Но на самом деле игра стоит свеч, причем по нескольким причинам. Самая, пожалуй, важная из них состоит в том, что возможности теоретического прогнозирования не бесконечны. Большинство людей доверяет — и небезосновательно — только реальным научным результатам, подтвержденным наблюдениями. Бозон Хиггса — частица в своем роде уникальная и очень отличается от всего, что ученым случалось открывать прежде. Это единственный фундаментальный скаляр[55], с которым мы когда‑либо сталкивались. В отличие от векторных частиц, таких как кварки и калибровочные бозоны, скаляры, то есть частицы с нулевым спином, остаются неизменными при вращении или при движении относительно них вашей системы отсчета. До сих пор единственными частицами с нулевым спином оставались связанные состояния кварков, которые сами по себе обладают ненулевым спином. Мы не можем утверждать, что скаляр Хиггса существует, пока он не появится и не оставит в детекторе видимых следов.

После того как мы обнаружим (если обнаружим, конечно) бозон Хиггса и убедимся в его существовании, нам захочется познакомиться с его свойствами. Самое важное неизвестное — его масса. Важно узнать также о том, как и при каких условиях он распадается. Ожидаемые параметры нам известны, но нужно экспериментально определить, согласуются ли реальные данные с предсказанными. Это поможет нам понять, верна ли простая теория, описывающая поле Хиггса, или это лишь часть более сложной теории. Измерив свойства бозона Хиггса, мы сможем заглянуть за пределы Стандартной модели.

К примеру, если бы за нарушение электрослабой симметрии отвечало два поля Хиггса, а не одно, этот факт серьезно изменил бы наблюдаемые взаимодействия бозона Хиггса. В других моделях частота рождения бозона Хиггса может оказаться отличной от ожидаемой. А существование других частиц, заряженных относительно взаимодействий Стандартной модели, могло бы повлиять на относительную частоту различных вариантов распада бозона Хиггса.

Это приводит нас еще к одной причине изучать бозон Хиггса — мы пока не знаем, как именно реализуется механизм Хиггса. В простейшей модели — той самой, что излагалась до сих пор в этой главе — экспериментальным сигналом должен служить один бозон Хиггса. Хотя мы уверены, что за массы элементарных частиц отвечает механизм Хиггса, мы пока не знаем точно, какой набор частиц участвует в его реализации. Большинство ученых до сих пор считают, что мы, скорее всего, обнаружим легкий бозон Хиггса. Если так и произойдет, это открытие станет важным подтверждением важной идеи.

Но в альтернативных моделях фигурирует более сложный сектор Хиггса, позволяющий сделать больше проверяемых прогнозов. К примеру, модели суперсимметрии, речь о которых пойдет в следующей главе, предсказывают существование в этом секторе не одной, а нескольких частиц. При этом сам бозон Хиггса тоже предполагается обнаружить, но его взаимодействия будут отличаться от тех, которые предсказывает модель с одной частицей Хиггса. К тому же остальные частицы сектора Хиггса могли бы дать нам собственные интересные данные, если, конечно, они достаточно легкие и их можно получить.

Некоторые модели даже предполагают, что фундаментальный скаляр Хиггса не существует, а механизм Хиггса реализуется более сложной частицей, причем не фундаментальной; сторонники этой модели считают, что эта частица представляет собой скорее связанное состояние других, более элементарных частиц — вроде спаренных электронов, придающих в сверхпроводящем материале массу фотону. Если дело обстоит именно так, то сложная частица Хиггса должна оказаться удивительно тяжелой, а по параметрам взаимодействия отличаться от любого фундаментального бозона Хиггса. В настоящее время эти модели не пользуются особой популярностью, потому что их трудно согласовать со всеми имеющимися экспериментальными данными. Тем не менее их тоже надо проверить.

Надо сказать, что бозон Хиггса — лишь верхушка айсберга. Каким бы интересным он ни был, его получение вовсе не является единственной целью ученых. Возможно, главный повод изучать масштаб слабого взаимодействия заключается в том, что никто не считает хиггс единственной неизвестной величиной. Физики предполагают, что бозон—лишь один из элементов гораздо более сложной модели, которая сможет многое рассказать нам о природе вещества и пространства.