Главный редактор журнала «Экология и жизнь» Александр Самсонов о бозоне Хиггса и «частице Бога»
С высокой вероятностью обнаружен новый бозон, который давно предсказан — бозон Хиггса — таковы результаты 2-х команд физиков, работающих в ЦЕРНЕ на установках ATLAS(тороидальный аппарат БАК) и CMS(компактный мюонный соленоид). Предыдущее открытие такого уровня состоялось в 1983 г. когда W- и Z-бозоны были обнаружены в ЦЕРНе Карло Руббиа и его коллегами. Тогда открытие бозонов позволило решить вопрос о нарушении симметрии в полях электрослабых и электо-магнитных взаимодействий. Надо сказать, что Нобелевская премия за открытие нарушения симметрии к тому времени уже была вручена — 15 октября 1979 г. Шведской королевской Академией Наук было объявлено, что 46-летнему Стивену Вайнбергу, Шелдону Глэшоу и Абдусу Саламу присуждена Нобелевская премия года по физике«за вклад в объединенную теорию слабых и электромагнитных взаимодействий между элементарными частицами, в том числе за предсказание существования слабых нейтральных токов».
В этот раз ситуация чем-то похожа — в 2008 году за нарушение симметрии половину Нобелевской премии получил Йоитиро Намбу(Yoichiro Nambu), гражданин США, родившийся в 1921 году в Токио и работающий в Институте Энрико Ферми Университета Чикаго(США). Он награжден за открытие механизма спонтанного нарушения симметрии в физике элементарных частиц. Вторую половину премии получили Макото Кобаяси(Makoto Kobayashi), профессор лаборатории КЕК в японском городе Цукуба, и Тосихиде Маскава(Toshihide Maskawa) из Института теоретической физики Киотского университета. Они удостоены награды за открытие источника нарушения симметрии, которое позволило предсказать существование в природе по меньшей мере трех поколений кварков.
Вот что пишет по поводу симметрии и ее нарушения(за которое отвечает бозон Хиггса) постоянный автор журнала«Экология и жизнь» профессор Курского государственного университета А.В.Кулик в статье:«Человек в симметрично-асимметричном мире»:
Трудно представить, сколь ужасна была бы Вселенная, лишенная всяких симметрий. В ней не было бы никаких законов ни для каких процессов и отношений. Ведь само существование всех известных нам физических взаимодействий(сильного, слабого, электромагнитного и гравитационного) есть следствие имеющихся в природе весьма значительных, или, как принято говорить, высоких симметрий. Но и полностью симметричная Вселенная выглядела бы очень странно. Она была бы совершенно непригодна для сложных структур, свободных и связанных состояний. Более того, в ней не было бы расстояний между отдельными точками отрезков времени, соединяющих различные события. Между тем, как убеждают нас космологи, в начальный момент своего рождения горячая Вселенная была именно такой, т. е. абсолютно симметричной и однородной. Все упомянутые физические взаимодействия были слиты в ней воедино в некую«суперсилу».(Распад сильного и слабого взаимодействий. Понятно, что в таком состоянии(если бы оно сохранялось и дальше) Вселенная не имела бы никаких перспектив для дальнейшего эволюционного прогресса, тем более для возникновения в ней жизни. Однако на фоне расширения и связанного с ним остывания космической системы«суперсимметрия» стала разделяться на части, т. е. на более мелкие симметрии, каковыми и явились конкретные физические взаимодействия.
… Все эти нарушения симметрии отнюдь не случайны, в них таится глубокий биологический смысл. Более того, они стали в свое время необходимым условием грандиозного эволюционного процесса в биосфере, имя которому — антропогенез.
Но ведь и сама жизнь на Земле никогда не могла бы состояться в далеком прошлом без разрушения симметрий еще на молекулярном уровне. Жизнь отвергает симметричные рацематы. Она не терпит равноправия левых и правых стереоизомеров. Жизнь распознает, принимает и воспроизводит в своем непрерывном метаболизме только правые(d) сахара и только левые(h)аминокислоты. Нет жизни без асимметрии, как и нет в природе асимметричного состояния органического вещества в каких-либо ощутимых масштабах без жизни. Особая мета стоит на всем живом. Один единственный признак — избирательное отношение к оптическим антиподам — проводит резкую грань между живым и неживым.»
Александр Самсонов резюмирует: Таким образом нарушение симметрии необходимо — как для того, чтобы гравитационное взаимодействие отличалось от кулоновского, так и для того чтобы живое отличалось от неживого. Надо сказать, что Нобелевскую за открытия в области нарушения симметрий вручали уже не раз. Согласно теореме Нетер физические симметрии напрямую связаны с законами сохранения — энергии, импульса и др. Поэтому нарушение симметрии — это определенный шок и подрыв первого начала термодинамики. Первый раз физики испытали этот шок в 1930 г. К тому времени экспериментальные исследования бета-распада породили мнение, что энергия продуктов распада нейтрона—протона и электрона меньше начальной энергии. Нильс Бор высказал даже предположение, что в микромире закон сохранения энергии выполняется лишь в среднем, а в отдельных актах он может и нарушаться. Тогда Вольфганг Паули первым высказался против этой идеи. В письме участникам семинара в Тюбингене он сообщил о своей«отчаянной попытке» спасти закон сохранения энергии, выдвинув предположение, что в числе продуктов бета-распада есть и легкая незаряженная(и потому ускользающая от регистрации) частица, которая и уносит«недостающую» энергию. Эта частица — нейтрино была обнаружена в 1953 году(Здесь — история открытия нейтрино).
Открытие W- и Z-бозонов — было следующим шагом на пути«спасения» законов сохранения — в теории калибровочных полей, которая была развита в рамках поисков единой теории поля, и применялась для единообразного описания электромагнитного и слабого взаимодействия.. И в этом смысле — новый бозон — бозон Хиггса, отвечающий за«несимметрию» массивных и безмассовых частиц должен был появиться с необходимостью. Однако известие, что время экспериментального подтверждения этой необходимости уже настало, стало большой неожиданностью для большинства членов научного сообщества, далеких от проведения самого эксперимента. Есть надежда, что эта неожиданность вновь возбудит внимание к фундаментальной науке, которое начало ослабевать в последнее время, заслоненное поисками конкретных технологий. Находка физиков из ЦЕРНА подтверждает преемственность метода описания полей, взятого на вооружение физиками 20-го века — как видим подход к объяснению нарушений симметрии со времен Паули не претерпел принципиальных изменений, бозоны продолжают«спасать» законы сохранения. Возможно в тоже время, что этот ход мыслей не единственен — ведь существует ряд теорий гравитации(например петлевая теория) которые не используют бозонов Хиггса.Нобелевскую премию 2008 можно было смело считать присуждённой за очередное«спасение» теории, описывающей физику микромира. В тоже время преемственность подтверждает принцип соответствия, что не может не радовать — ведь иначе курс физики в рамках«Стандартной модели“ пришлось бы сильно поправить. Очевидно время для этого еще не пришло.»
Другие комментарии:
Объединенные результаты двух команд, работающих в ЦЕРНе на Большом адронном коллайдере(БАК), должны помочь понять, почему у объектов в нашей Вселенной есть масса — и таким образом, у галактик, планет, людей и всех других объектов Вселенной есть возможность существовать.
Ученые из ATLAS(тороидальный аппарат БАК) и CMS(компактный мюонный соленоид) готовы открыть сегодня свою тайну.
Большой адронный коллайдер. Фото с сайта dailymail.co.uk
В охоте за Хиггсом легко ошибиться
Результаты в физике элементарных частиц оцениваются в масштабе от ноля до пяти«сигм». В прошлом декабре команды ATLAS и CMS объявили, что они получили результаты, согласно которым частица Хиггса имеет массу приблизительно 125 ГэВ — приблизительно 125 масс протона, положительно заряженной частицы в ядре атома — с вероятностью в две сигмы.
«Это был первый раз, когда мы ожидали [исключить] Хиггса, но не смогли», — сказал Тим Барклоу, экспериментальный физик из команды ATLAS, который работает в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Стэндфордского университета.
Две сигмы – это 95 процентов вероятности, что результат — не случайность. Тем не менее это далеко от пяти сигм, которые традиционно требуются физикам для официального подтверждения открытия. Пять сигм означают: вероятность того, что открытие случайное – меньше одной миллионной.
«Мы придерживаемся этих правил, потому что, когда работаешь в малоисследованной области науки, легко самого себя ввести в заблуждение», — сказал Майкл Пескин, физик-теоретик в SLAC.
Сегодня ученые, основываясь на июльском открытии ЦЕРНа, смогли достигнуть уровня в четыре сигмы — то есть они на 99,9936 процента уверены, что частица Хиггса существует в массовом диапазоне 125 ГэВ. Этого недостаточно для официального заявления, но любой физик готов поспорить, что об открытии можно будет объявить в ближайшее время.
Отрицательный результат был бы не менее захватывающим открытием для ученых, потому что это был бы намек на совершенно новую физику, требующую переосмысления сформулированных законов Вселенной.
Результат столкновения, полученный в ЦЕРНе, который может указать на присутствие бозона Хиггса(изображение: ЦЕРН)
Хиггс – это ключевая часть мозаики нашей Вселенной?
Бозон Хиггса — одна из ключевых частей загадки, необходимых для полного понимания стандартной модели физики — успешной до сих пор теории, которая объясняет, как элементарные частицы взаимодействуют с элементарными силами природы.
Так называемая частица бога была предложена в 1960-х годах физиком Питером Хиггсом для объяснения того, почему некоторые частицы, такие как кварки, формирующие блоки протонов, и электроны, имеют массу, в то время как другие, такие как несущие свет фотоны, — не имеют.
Питер Хиггс(изображение: Corbis). Фото с сайта dailymail.co.uk
Идея Хиггса состояла в том, что Вселенная погружена в невидимое поле, подобное магнитному. Каждая частица ощущает это поле — теперь известное как поле Хиггса, — но в разной степени.
Если частица может свободно перемещаться в этом поле с минимальным взаимодействием, значит она имеет минимальную массу. Альтернативно, если частица будет взаимодействовать с полем Хиггса в значительной степени, то у нее более высокая масса.
Идея поля Хиггса требует принятия новой частицы: бозона Хиггса
Согласно стандартной модели, если бы область Хиггса не существовала, Вселенная была бы совсем другим местом, сказал Пескин.
«Было бы очень трудно сформировать атомы, — добавил он. — Наш аккуратный мир, где материя состоит из атомов и электронов и формируются химические связи, — не существовал бы, если бы не было поля Хиггса».
Другими словами: ни галактики, ни звезды, ни планеты, ни жизнь на Земле – не существовали бы.
Природа против тех, кто ищет частицу бога
На французско-швейцарской границе, в БАК – овальном туннеле 27 километров длиной — противовращающиеся лучи протонов, доведенные почти до скорости света, создают управляемые столкновения.
Экзотические элементарные частицы, некоторые из которых, вероятно, не существовали с ранних моментов после Большого Взрыва, создавались в высокоэнергетических столкновениях. Некоторые из этих странных частиц существуют лишь фракции секунды, прежде чем распасться в другие частицы.
Теория предсказывает, что«жизнь» бозона Хиггса слишком коротка, чтобы ее возможно было зарегистрировать инструментами БАКа, но физики думают, что они могут подтвердить ее существование, если смогут определить частицы, в которые он распадается.
Если, основываясь на этих наблюдениях, действительно окажется, что у Хиггса масса приблизительно 125 ГэВ, как свидетельствовали предыдущие данные, этот результат поможет объяснить, почему частица бога так долго не могла быть обнаружена.
Эта масса просто слишком высокая, чтобы ее могли зарегистрировать такие ускорители, как Большой электронно-позитронный коллайдер, который мог исследовать частицы в пределах 115 ГэВ.
В то же самое время 125 ГэВ – это не такая масса, которая производит продукты распада, настолько необычные, что их обнаружение было бы очевидным доказательством существования Хиггса.
В действительности Хиггс, кажется, преобразовывается в относительно банальные продукты распада, такие как кварки, которые миллионами производятся в БАК.
«Это именно так — природа действительно против нас. В диапазоне, в котором находится бозон Хиггса, сложнее всего что-то найти», — сказал Дэвид Эванс, участник эксперимента ALICE в ЦЕРНе.
Чтобы обнаружить сигнал Хиггса среди сильного фонового шума, ученые должны очень точно вычислить, каково будет распределение частиц для столкновения при данной энергии, и сколько они ожидают увидеть дополнительных составляющих частицы, если был создан бозон Хиггса.
Дополнительно, чтобы гарантировать, что сигнал – это не случайность, физики БАК требуют большого количества столкновений — ускоритель ядерных частиц может произвести приблизительно 800 миллионов столкновений в секунду, — чтобы получить достаточно столкновений, при которых создается бозон Хиггса.
В то время как поиск Хиггса был основной мотивацией для строительства БАК, работу самого большого в мире ускорителя ядерных частиц не остановят, если существование бозона Хиггса будет подтверждено.
С одной стороны, некоторые вопросы потребуют многих лет дополнительной работы, например определение каналов распада частицы бога — то есть в какие частицы преобразовывается бозон Хиггса, когда снижается энергия. Это позволит понять, та ли это частица, за которой столько лет охотились ученые, или это нечто еще более экзотическое.
В феврале 2000-го года ушел из жизни выдающийся ученый и основатель нашего журнала Никита Николаевич Моисеев. Публикуем статью написанную его учеником — Владимиром Александровым, по следам событий 1983 года, когда группа советских ученых была приглашена вместе со своими американскими коллегами выступить в сенате США и официально засвидетельствовать прогнозы о климатических и других глобальных последствиях ядерной войны.Никогда — ни до, ни после этих событий, российских ученых не приглашали давать официальные показания в высшем законодательном органе США.
В декабре человечество, наконец, получило то, чего ученые-астрономы ждали почти вечность: точное расстояние от Земли до звезд. Однако, как часто бывает в науке, новые данные породили предположение о наличии ранее неизвестной загадки, решение которой может стать«открытием века».
