Примечание редактора: 8 октября 2013 года Питер Хиггс и Франсуа Энглерт получили Нобелевскую премию по физике за работу над бозоном Хиггса. Ниже наш научный обозреватель Брайан Грин объясняет науку, стоящую за открытием.
Из этой истории
[×] ЗАКРЫТЬ
Детектор ATLAS, один из двух экспериментов по обнаружению неуловимого бозона Хиггса в столкновениях частиц на Большом адронном коллайдере CERN, весит целых сто 747 струй и вмещает более 1800 миль кабеля. (Клаудия Марцеллони / ЦЕРН) 
Компактный мюонный соленоид на Большом адронном коллайдере улавливает частицы в действии. (Майкл Хох / ЦЕРН) 
Вернуться к чертежной доске: физик Питер Хиггс пишет свое знаменитое уравнение, описывающее источник массы частицы. Потребовалось бы полвека, чтобы оказаться правдой. (Стюарт Уоллес / Splash News / Newscom) 
Команда работает с детектором ATLAS, одним из двух экспериментов по обнаружению неуловимого бозона Хиггса в столкновениях частиц. (Клаудия Марцеллони / ЦЕРН) 
Перед установкой части детектора CMS жили в уборной в CERN. (Максимилиен Брайс, Майкл Хох, Джозеф Гобин / ЦЕРН) 
Магнит в CMS-детекторе создает магнитное поле в 100 000 раз более сильное, чем земное. (Гобин / ЦЕРН) 
Крупный план детектора CMS - один из двух экспериментов по обнаружению сигнатур бозона Хиггса. (Гобин / ЦЕРН) 
Хотя бозон Хиггса кажется слишком коротким, чтобы его можно было обнаружить непосредственно, физики в CMS могут сделать вывод о его существовании, изучая ливни частиц, оставшихся после протон-протонных столкновений. (Т. МакКоли, Л. Тейлор / ЦЕРН) 
Фотогалерея
Связанный контент
- Искусство и наука сталкиваются в открытии бозона Хиггса
Известная история в летописях физиков рассказывает о 5-летнем Альберте Эйнштейне, больном в постели, который получает игрушечный компас от своего отца. Мальчик был озадачен и загипнотизирован невидимыми рабочими силами, которые перенаправляли стрелку компаса в сторону севера всякий раз, когда нарушалось его положение покоя. Впоследствии этот опыт, как сказал бы Эйнштейн, убедил его в том, что в природе существует глубокий скрытый порядок, и побудил его потратить свою жизнь на то, чтобы раскрыть его.
Хотя этой истории более столетия, загадка, с которой столкнулся молодой Эйнштейн, перекликается с ключевой темой современной физики, которая необходима для самого важного экспериментального достижения в области последних 50 лет: открытия год назад в июле этого года., бозона Хиггса.
Позволь мне объяснить.
Наука в целом и физика в частности ищут закономерности. Растяните пружину вдвое и почувствуйте удвоенное сопротивление. Шаблон. Увеличивайте объем, который занимает объект, сохраняя его массу фиксированной, и тем выше он плавает в воде. Шаблон. Внимательно наблюдая закономерности, исследователи раскрывают физические законы, которые могут быть выражены на языке математических уравнений.
Четкая картина также очевидна в случае с компасом: переместите его, и стрелка снова укажет на север. Я могу представить молодого Эйнштейна, который думает, что должен быть общий закон, предусматривающий, что подвесные металлические иглы выталкиваются на север. Но такого закона не существует. Когда в области есть магнитное поле, некоторые металлические объекты испытывают силу, которая выравнивает их вдоль направления поля, каким бы ни было это направление. И магнитное поле Земли, оказывается, указывает на север.
Пример прост, но урок глубокий. Образцы природы иногда отражают две взаимосвязанные особенности: фундаментальные физические законы и влияние окружающей среды. Это версия природы против воспитания. В случае с компасом распутать их не сложно. Управляя им с помощью магнита, вы легко решите, что ориентация магнита определяет направление иглы. Но могут быть и другие ситуации, когда влияние окружающей среды настолько распространено, что, помимо нашей способности манипулировать, было бы гораздо сложнее признать их влияние.
Физики рассказывают притчу о рыбах, изучающих законы физики, но настолько привыкших к своему водному миру, что не учитывают его влияние. Рыба изо всех сил пытается объяснить мягкое покачивание растений, а также их собственное передвижение. Законы, которые они в конечном итоге находят, сложны и громоздки. Тогда у одной блестящей рыбы есть прорыв. Возможно, сложность отражает простые фундаментальные законы, действующие в сложной среде, которая наполнена вязкой, несжимаемой и проникающей жидкостью: океаном. Сначала проницательная рыба игнорируется, даже высмеивается. Но постепенно другие тоже понимают, что их окружение, несмотря на его знакомство, оказывает существенное влияние на все, что они наблюдают.
Притча обрывается ближе к дому, чем мы могли подумать? Могут ли быть другие, тонкие, но в то же время широко распространенные особенности окружающей среды, которые мы до сих пор не смогли должным образом свернуть в наше понимание? Обнаружение частицы Хиггса Большим адронным коллайдером в Женеве убедило физиков в том, что ответом является громкое «да».
Почти полвека назад Питер Хиггс и несколько других физиков пытались понять происхождение основной физической особенности: массы. Вы можете думать о массе как о весе объекта или, точнее, как о сопротивлении, которое оно оказывает изменению своего движения. Нажмите на грузовой поезд (или перо), чтобы увеличить его скорость, и сопротивление, которое вы чувствуете, отражает его массу. На микроскопическом уровне масса грузового поезда происходит из составляющих его молекул и атомов, которые сами построены из фундаментальных частиц, электронов и кварков. Но откуда взялись массы этих и других фундаментальных частиц?
Когда физики в 1960-х годах смоделировали поведение этих частиц, используя уравнения, основанные на квантовой физике, они столкнулись с загадкой. Если они воображали, что все частицы были безмассовыми, то каждый член в уравнениях переходил в абсолютно симметричный рисунок, как кончики идеальной снежинки. И эта симметрия была не просто математически элегантной. Это объясняет закономерности, очевидные в экспериментальных данных. Но - и вот загадка - физики знали, что частицы имеют массу, и когда они модифицировали уравнения, чтобы учесть этот факт, математическая гармония была испорчена. Уравнения стали сложными, громоздкими и, что еще хуже, противоречивыми.
Что делать? Вот идея, выдвинутая Хиггсом. Не толкайте массы частиц в горло прекрасных уравнений. Вместо этого сохраняйте уравнения нетронутыми и симметричными, но рассматривайте их как действующие в определенной среде. Представьте, что все пространство равномерно заполнено невидимым веществом, которое теперь называется полем Хиггса, которое создает силу сопротивления для частиц, когда они ускоряются через него. Нажмите на фундаментальную частицу, чтобы увеличить ее скорость, и, согласно Хиггсу, вы почувствуете эту силу сопротивления как сопротивление. Обоснованно, вы бы интерпретировали сопротивление как массу частицы. Для умственной опоры, подумайте о мяче для пинг-понга, погруженном в воду. Когда вы нажимаете на шарик для пинг-понга, он будет чувствовать себя намного массивнее, чем вне воды. Его взаимодействие с водной средой приводит к увеличению массы. Так с частицами, погруженными в поле Хиггса.
В 1964 году Хиггс представил статью в известном физическом журнале, в котором он математически сформулировал эту идею. Бумага была отклонена. Не потому, что в нем содержалась техническая ошибка, а потому, что предпосылка невидимого чего-то пронизывающего пространства, взаимодействующего с частицами для обеспечения их массы, ну, все это просто казалось кучей необдуманных спекуляций. Редакция журнала сочла его «не имеющим никакого отношения к физике».
Но Хиггс выстоял (и его пересмотренная статья появилась позже в том же году в другом журнале), и физики, которые нашли время, чтобы изучить предложение, постепенно поняли, что его идея была гениальным ударом, который позволил им взять свой пирог и съесть его тоже, В схеме Хиггса фундаментальные уравнения могут сохранять свою первозданную форму, потому что грязная работа по обеспечению массы частиц отводится в окружающую среду.
Хотя меня не было рядом, чтобы засвидетельствовать первоначальное отклонение предложения Хиггса в 1964 году (ну, я был рядом, но едва ли), я могу засвидетельствовать, что к середине 1980-х оценка изменилась. Сообщество физиков, по большей части, полностью осознало, что существует поле, пронизывающее поле Хиггса. На самом деле, в аспирантуре я взял то, что охватывает так называемую Стандартную модель физики частиц (физики квантовых уравнений собрались, чтобы описать частицы материи и доминирующие силы, с помощью которых они влияют друг на друга), профессор представил Хиггса поле с такой уверенностью, что долгое время я понятия не имел, что еще не было установлено экспериментально. Иногда это случается в физике. Математические уравнения иногда могут рассказать такую убедительную историю, они могут, по-видимому, излучать реальность настолько сильно, что они укоренились в простонародье работающих физиков, даже до того, как появятся данные для их подтверждения.
Но только с данными может быть подделана связь с реальностью. Как мы можем проверить поле Хиггса? Здесь начинается Большой адронный коллайдер (LHC). Изгибаясь через сотни ярдов под Женевой, Швейцария, пересекая французскую границу и обратно, LHC представляет собой круговой туннель длиной почти 17 миль, который служит ипподромом для разбивая вместе частицы материи. LHC окружен приблизительно 9 000 сверхпроводящих магнитов и является домом для потоков полчищ протонов, вращающихся вокруг туннеля в обоих направлениях, которые магниты разгоняют до уровня скорости света. При таких скоростях протоны облетают туннель примерно 11 000 раз в секунду, и, когда их направляют магниты, они совершают миллионы столкновений в мгновение ока. Столкновения, в свою очередь, производят похожие на фейерверки брызги частиц, которые гигантские детекторы захватывают и регистрируют.
Одним из основных мотивов для LHC, который стоит порядка 10 миллиардов долларов и в котором участвуют тысячи ученых из десятков стран, был поиск доказательств для поля Хиггса. Математика показала, что если идея верна, если мы действительно погружены в океанское поле Хиггса, то столкновения насильственных частиц должны быть способны перемешивать поле, так же как две сталкивающиеся подводные лодки будут перемешивать воду вокруг них. И время от времени, покачивание должно быть правильным, чтобы стряхнуть пятнышко поля - крошечную капельку океана Хиггса - которое появилось бы как долгожданная частица Хиггса.
Расчеты также показали, что частица Хиггса будет нестабильной, распадающейся на другие частицы за крошечную долю секунды. В водовороте сталкивающихся частиц и вздымающихся облаков частиц, ученые, вооруженные мощными компьютерами, будут искать отпечаток Хиггса - образец продуктов распада, продиктованных уравнениями.
Рано утром 4 июля 2012 года я собрался с около 20 другими стойкими людьми в конференц-зале в Физическом центре Аспена, чтобы посмотреть прямую трансляцию пресс-конференции на объектах Большого адронного коллайдера в Женеве. Около шести месяцев назад две независимые группы исследователей, которым поручено собирать и анализировать данные LHC, объявили о том, что частица Хиггса была обнаружена. По всему физическому сообществу дошел слух, что у команд наконец появилось достаточно доказательств, чтобы сделать окончательное утверждение. В сочетании с тем фактом, что самого Питера Хиггса попросили совершить поездку в Женеву, у него была достаточная мотивация, чтобы не ложиться спать после 3 часов утра, чтобы услышать объявление вживую.
И когда мир начал быстро учиться, свидетельство того, что частица Хиггса была обнаружена, было достаточно сильным, чтобы переступить порог открытия. Теперь, когда официально обнаружена частица Хиггса, зрители в Женеве разразились бурными аплодисментами, как и наша маленькая группа в Аспене, и, без сомнения, десятки подобных собраний по всему миру. Питер Хиггс вытер слезу.
С учетом ретроспективного взгляда и дополнительных данных, которые только укрепили аргументацию в пользу Хиггса, вот как я бы суммировал наиболее важные выводы этого открытия.
Во-первых, мы давно знаем, что в космосе есть невидимые обитатели. Радио и телевизионные волны. Магнитное поле Земли. Гравитационные поля. Но ни один из них не является постоянным. Никто не меняется. Ни один из них не присутствует во всей вселенной. В связи с этим поле Хиггса принципиально отличается. Мы считаем, что его ценность на Земле та же, что и у Сатурна, в туманностях Ориона, во всей Галактике Андромеды и повсюду. Насколько мы можем судить, поле Хиггса неизгладимо запечатлено в пространственной ткани.
Во-вторых, частица Хиггса представляет собой новую форму материи, которую многие ожидали десятилетиями, но никогда не видели. В начале 20-го века физики поняли, что частицы, помимо их массы и электрического заряда, имеют третью определяющую особенность: их вращение. Но в отличие от вершины ребенка, вращение частицы - это внутренняя особенность, которая не меняется; он не ускоряется и не замедляется со временем. Электроны и кварки имеют одинаковое значение вращения, тогда как вращение фотонов - частиц света - в два раза больше, чем электронов и кварков. Уравнения, описывающие частицу Хиггса, показали, что - в отличие от любых других фундаментальных частиц - она вообще не должна иметь вращения. Данные Большого адронного коллайдера подтвердили это.
Установление существования новой формы материи является редким достижением, но результат имеет резонанс в другой области: космология, научное исследование того, как вся вселенная начиналась и развивалась в форму, которую мы теперь наблюдаем. В течение многих лет космологи, изучающие теорию Большого взрыва, были в тупике. Они собрали подробное описание того, как развивалась вселенная за доли секунды после начала, но они не смогли дать какое-либо представление о том, что заставило пространство начать расширяться с самого начала. Какая сила могла оказать такой мощный внешний толчок? При всем своем успехе теория Большого взрыва не учитывала взрыв.
В 1980-х годах было найдено возможное решение, которое звучит громким хиггсовским звонком. Если область пространства равномерно заполнена полем, частицы которого являются бесспиновыми, то теория гравитации Эйнштейна (общая теория относительности) показывает, что может быть создана мощная сила отталкивания - удар, и при этом большой. Расчеты показали, что эту идею трудно реализовать с помощью самого поля Хиггса; двойная обязанность обеспечивать массы частиц и подпитывать взрыв, оказывается существенным бременем. Но проницательные ученые поняли, что, установив второе «хиггсовское» поле (обладающее тем же исчезающим вращением, но другой массой и взаимодействиями), они могут разделить бремя - одно поле для массы, а другое для отталкивающего толчка - и предложить убедительное объяснение взрыва. По этой причине в течение более 30 лет физики-теоретики активно изучали космологические теории, в которых такие поля, подобные хиггсовским, играют существенную роль. Тысячи журнальных статей были написаны, развивая эти идеи, и миллиарды долларов были потрачены на наблюдения в дальнем космосе в поисках - и нахождении - косвенных доказательств того, что эти теории точно описывают нашу вселенную. Таким образом, подтверждение БАКа, что по крайней мере одно такое поле действительно существует, порождает поколение космологических теорий на более прочной основе.
Наконец, и, возможно, самое важное, открытие частицы Хиггса - это удивительный триумф способности математики раскрыть работу вселенной. Это история, которая повторяется в физике много раз, но каждый новый пример волнует точно так же. Возможность появления черных дыр возникла из математического анализа немецкого физика Карла Шварцхильда; последующие наблюдения доказали, что черные дыры реальны. Космология Большого взрыва возникла из математического анализа Александра Фридмана, а также Жоржа Леметра; последующие наблюдения подтвердили правильность этого понимания. Концепция антиматерии впервые возникла из математического анализа квантового физика Пола Дирака; Последующие эксперименты показали, что эта идея тоже верна. Эти примеры дают представление о том, что имел в виду великий физик-математик Юджин Вигнер, говоря о «необоснованной эффективности математики при описании физической вселенной». Поле Хиггса возникло из математических исследований, которые искали механизм для наделения частиц массой. И снова математика прошла через летающие краски.
Как сам физик-теоретик, один из многих, кто посвятил себя поиску того, что Эйнштейн назвал «единой теорией», - глубоко скрытых связей между всеми силами природы и материей, о которых мечтал Эйнштейн, еще долго после того, как его увлекла физика таинственными действиями компаса. - открытие Хиггса особенно приятно. Наша работа основана на математике и до сих пор не соприкасалась с экспериментальными данными. Мы с нетерпением ждем 2015 года, когда модернизированный и еще более мощный LHC будет снова включен, поскольку существует большая вероятность того, что новые данные станут свидетельством того, что наши теории движутся в правильном направлении. Основными вехами может стать обнаружение класса до сих пор невидимых частиц (называемых «суперсимметричными» частицами), которые предсказывают наши уравнения, или намеки на дикую возможность пространственных измерений за пределами трех, которые мы все испытываем. Еще более захватывающим было бы открытие чего-то совершенно неожиданного, что заставило бы всех нас вернуться к нашим доскам.
Многие из нас пытаются масштабировать эти математические горы в течение 30 лет, а некоторые даже дольше. Временами мы чувствовали, что единая теория была за пределами наших возможностей, в то время как в других случаях мы действительно ищем в темноте. Для нашего поколения это большой стимул, чтобы засвидетельствовать подтверждение Хиггса, засвидетельствовать математическое понимание четырех десятилетий, реализованное как треск и трещины в детекторах LHC. Это напоминает нам о том, чтобы принять слова нобелевского лауреата Стивена Вайнберга близко к сердцу: «Наша ошибка не в том, что мы относимся к нашим теориям слишком серьезно, но мы не воспринимаем их достаточно серьезно. Всегда трудно понять, что эти числа и уравнения, с которыми мы играем на наших столах, имеют какое-то отношение к реальному миру ». Иногда эти числа и уравнения обладают странной, почти жуткой способностью освещать в противном случае темные уголки реальности. Когда они это сделают, мы становимся намного ближе к тому, чтобы занять свое место в космосе.
