В соответствии со Стандартной Моделью элементарных
частиц и взаимодействия между ними механизм, предложенный британским
физиком Питером Хиггсом, придает массу таким частицам как электроны и
кварки. Подтверждение этого механизма в эксперименте ответит на один из
самых важных вопросов сегодняшней физики – откуда берется масса?
Ученые возлагали большие надежды на Большой адронный коллайдер, построенный в Европейском центре ядерных исследований (CERN)
на границе Франции и Швейцарии. Однако после нескольких пробных
запусков в августе и официального открытия в сентябре прошлого года
ускоритель вышел из строя и не возобновит работу до нынешней осени.
В то же время, европейские исследователи уже обнаружили, что бозон
Хиггса должен «весить» более 114 ГэВ/с2 и менее 185 ГэВ/с2. Суть
открытия, сделанного в Лаборатории Ферми (Фермилаб), заключается в том,
что в диапазоне 160–170 ГэВ/с2 бозон Хиггса искать не стоит. К данному
выводу совместными усилиями пришли две научные группы, работавшие на
исполинском ускорителе протонов и антипротонов Теватрон (и проанализировавшие результаты столкновений огромного массива элементарных частиц).
В Национальной лаборатории ускорителей имени Ферми выполнены очень
трудоемкие эксперименты, которые позволили с беспрецедентной точностью
измерить массу заряженных промежуточных векторных бозонов. Эта
информация впервые была обнародована 8 марта на состоявшейся в Италии
международной встрече специалистов по физике элементарных частиц. Она
также содержится в сообщении для прессы, которое также опубликовано на сайте «Фермилаб».
Промежуточные векторные бозоны переносят слабые взаимодействия между
элементарными частицами, которые, в частности, несут ответственность за
бета-распад атомных ядер. Они либо электрически нейтральны, либо несут
по одной элементарной единице положительного или отрицательного
электрического заряда. Нейтральные частицы этого типа обозначаются
латинской буквой Z, а заряженные – буквой W (точнее, в соответствии с
их знаком, W+ и W-).
Физики из «Фермилаб» использовали для уточнения массы W бозонов
реакцию распада бозонов. Они работали на 5500-тонном детекторном
комплексе DZero, которым оснащен находящийся в Фермилаб ускоритель
Тэватрон. Анализируя распады отрицательных векторных бозонов на
электроны и антинейтрино, ученые определили их массу с точностью до
одной двадцатой процента. По последним данным, масса W- равна
80,401 миллиардов электронвольт с возможной ошибкой в ту или сторону в
44 миллиона электронвольт. Положительный векторный бозон W+ является
античастицей своего отрицательного собрата W- и потому обязан иметь в
точности ту же самую массу. Стоит отметить, что нейтральные Z бозоны
почти на 15% тяжелее.
Новое измерение массы W бозона поможет в охоте на все еще неуловимый
бозон Хиггса. Об этой частице стоит поговорить отдельно. Согласно
общепринятой модели элементарных частиц, переносчики слабого
взаимодействия, W и Z бозоны, тесно связаны с фотонами, носителями
электромагнитных сил. Однако промежуточные векторные бозоны по меркам
микромира имеют огромную массу (так, W бозон примерно в 85 раз тяжелее
атома водорода), в то время как масса покоя фотона равна нулю. Это
противоречие, естественно, требует объяснения.
Большинство физиков полагает, что за различие в массах фотонов и
векторных бозонов отвечает так называемый механизм Хиггса, который был
теоретически описан 45 лет назад. Он постулирует существование особого
скалярного поля, пронизывающего все пространство и в чем-то
напоминающего эфир, столь любимый физиками 19 веке. Все частицы за
исключением фотонов и гравитонов приобретают массу просто потому, что
это поле сопротивляется их движению. Согласно этой модели, то, что мы
считаем массой – просто результат трения частиц о хиггсовское поле. Его
кванты должны проявлять себя в виде сильно нестабильной частицы,
хиггсовского бозона. Вычисления показывают, что его масса, по всей
видимости, лежит в диапазоне 115–190 миллиардов электронвольт.
 Питер Хиггс, профессор Эдинбургского университета (фото Science Photo Library)
Механизм Хиггса – это пока только теоретическая модель, хотя и очень
убедительная. Чтобы доказать его реальность, надо обнаружить
хиггсовский бозон, который известный американский физик Леон Ледерман
когда-то окрестил «божественной частицей». Экспериментаторы пытаются
это сделать много лет, но пока безуспешно. Для облегчения поисков
ученые стараются как можно надежней оценить массу хиггсовского бозона,
которая пока вычисляется с большим разбросом. А ее значение сильно
зависит от массы W бозона. Именно поэтому любое уточнение массы W
бозона имеет шансы приблизить открытие заветной «божественной частицы».
Судя по всему, эти дорогие «игры» стоят свеч.
Евгений Биргер |
