Нобелевская премия по физике 2013 года. Последний камень в основании Стандартной модели
Кандидат физико-математических наук Алексей Понятов
Захватывающая эпопея с поиском и открытием бозона Хиггса завершилась логичным финалом.
Захватывающая эпопея с поиском и открытием бозона Хиггса завершилась логичным финалом. Нобелевская премия по физике 2013 года присуждена бельгийцу Франсуа Энглеру и англичанину Питеру Хиггсу «за теоретическое открытие механизма, который способствует нашему пониманию происхождения массы субатомных частиц и который недавно был подтверждён открытием предсказанной фундаментальной частицы, экспериментами ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе».
В последние десятилетия бозон Хиггса, гипотеза о существовании которого была выдвинута в 1964 году, стал «культовой» элементарной частицей, предметом широкого обсуждения не только в профессиональной среде, но и среди людей, далёких от физики. В немалой степени всеобщему интересу способствовал запуск Большого адронного коллайдера, одной из главных задач которого и был поиск неуловимой частицы.
Бозон Хиггса крайне необходим современной физике. Это не просто ещё одна элементарная частица: её обнаружение позволило закрыть последнюю дыру в экспериментальном обосновании электрослабой теории (Нобелевская премия 1979 года), являющейся частью Стандартной модели — теории устройства нашего мира на микроуровне. Все остальные её положения уже прошли экспериментальную проверку. В частности, предсказанные в 1967 году переносчики слабого взаимодействия W- и Z-бозоны обнаружены ещё в 1983 году (Нобелевская премия 1984 года). Если было бы доказано, что бозон Хиггса не существует, то потребовался бы пересмотр Стандартной модели.
Открытие бозона Хиггса в 2012 году подтвердило не только важный сам по себе механизм формирования массы частиц, но и принципиальную обоснованность наших представлений о природе. Именно это и оценено Нобелевской премией.
Основополагающую роль в Стандартной модели играет понятие симметрии, означающее, что при определённом преобразовании параметров системы не происходит изменения её законов. Например, одинаковость законов физики в разные моменты времени — это временнáя симметрия, а в разных точках пространства — пространственная симметрия, или симметрия относительно преобразований координат. Математически это проявляется в том, что описывающие частицы уравнения не меняют свой вид (инвариантны) при преобразованиях. Помимо наглядной пространственно-временнóй симметрии были обнаружены и более сложные неочевидные симметрии для «цветовых», фазовых и других преобразований. В этом случае говорят о преобразованиях во внутреннем пространстве.
Очень важный момент — соответствие каждому виду симметрии своего закона сохранения. Так, временнóй симметрии соответствует закон сохранения энергии, а внутренняя симметрия электродинамики приводит к закону сохранения заряда. И наоборот, наличие закона сохранения означает наличие соответствующей симметрии. Наличие симметрий уравнений для частиц не только приводит к различным законам сохранения, но и определяет свойства взаимодействий, разрешённые моды распада частиц, времена их жизни и так далее. Именно это позволяет строго обосновать симметрии экспериментально.
С другой стороны, наличие симметрий служит запретом на свойства частиц, которые нарушают симметрию. Вот здесь и возникает одна из принципиальных проблем Стандартной модели: её экспериментально обоснованные симметрии запрещают существование масс у кварков, лептонов и частиц — переносчиков взаимодействий. Однако эксперимент однозначно показывает наличие масс у этих частиц, за исключением фотона и глюона.
Для решения проблем, связанных с симметриями, Ёитиро Намбу в 1960 году предложил так называемый механизм спонтанного нарушения симметрии (Нобелевская премия 2008 года), известный до этого в статистической физике, например, в теориях сверхтекучести и сверхпроводимости. Суть его в том, что взаимодействия, определяющие динамику физической системы (описывающие её дифференциальные уравнения), обладают одной, ненарушенной, симметрией, а основное состояние системы — иной симметрией. Другими словами, нарушение касается только начальных условий. Классический пример спонтанного нарушения симметрии — магнит, имеющий выделенное направление магнитного поля, в то время как уравнения Максвелла, описывающие электромагнитное поле, изотропны.
Термин «спонтанное», то есть самопроизвольное, здесь означает, что система сама выбирает несимметричное состояние в силу его энергетической выгодности.
В 1964 году Франсуа Энглер (совместно с умершим в 2011 году Робертом Браутом) и независимо от них Питер Хиггс предложили механизм приобретения массы бозонами в результате спонтанного нарушения симметрии. О нём также говорят как о нарушении электрослабой симметрии.
Суть механизма в том, что всё пространство однородно заполнено особым полем, минимальная средняя энергия (конденсат) которого отлична от нуля и постоянна во времени и пространстве. В это поле, словно в вязкую среду, погружены все остальные частицы Стандартной модели. Но главным является особенность взаимодейст-вия поля с движущейся частицей — оно не влияет на равномерное движение, но мешает ускорению тем больше, чем сильнее взаимодействие. Это означает, что частицы, взаимодействующие с полем (кварки, лептоны, W- и Z–бозоны), приобретают массу, пропорциональную силе взаимодействия с ним. Не взаимодействующие с этим полем фотон и глюон остаются безмассовыми.
Спонтанное нарушение симметрии заключается в том, что уравнения движения частиц симметричны, а начальное значение — ненулевая средняя величина поля — нарушает симметрию. В квантовой теории каждому полю соответствуют квантовые флуктуации, проявляющие себя как частицы. Частица данного поля и получила название «бозон Хиггса». Она тоже обладает массой, поскольку взаимодействует с собственным полем. Новое поле не должно выделять никакого направления в пространстве. Поля с таким свойством называют скалярными, и им соответствуют частицы с нулевым спином.
Несмотря на то что первая опубликованная работа принадлежит Р. Брауту и Ф. Энглеру, механизм и бозон часто связывают с именем только П. Хиггса, который первым увидел, что теория предсказывает существование новой частицы с нулевым спином.
«Наука и жизнь» о бозоне Хиггса:
Ройзен И. Бозон Хиггса необходим! — 1996, № 1.
Лозовская Е. Лоб в лоб на скорости света. — 2008, № 8.
Ройзен И. Нобелевская асимметрия. — 2008, № 12.
Матвеев В. Элементарные частицы. От электрона до бозона Хиггса. — 2010, № 8.
Рубаков В. Долгожданное открытие: бозон Хиггса. — 2012, № 10.
Понятов А. Хиггс открыт. Что дальше? — 2013, № 10.
Читайте в любое время
