Наука - В поисках бозона Хиггса

Наука - В поисках бозона Хиггса

Столкнуть и рассмотреть
Осколки, которые образуются при столкновениях на сверхвысоких скоростях, раскрывают самые сокровенные тайны природы.

В лабораториях Соединенных Штатов, Европы и Японии ведущие физики мира упорно бьются над созданием машины, которая поможет ответить на самый фундаментальный вопрос современной науки: «Почему так трудно сдвинуть с места остановившийся автомобиль?». «Из-за инерции» – ответ очевидный, но не полный. Инерцией мы называем силу, которая удерживает покоящиеся предметы в покое, а движущиеся – в движении, но полный ответ на вопрос должен объяснить, откуда предметы получают свою массу. А вопрос о происхождении массы приводит в свою очередь к неуловимой субатомной частице под названием «бозон Хиггса», которая, как полагают, наделяет массой другие частицы. Она названа по имени английского физика Питера Хиггса, который предсказал ее существование в конце 1960-х годов. Гипотеза о реальности частицы Хиггса настолько точно соответствовала всему, что физики знали на тот момент, что поиски ее начались немедленно. Исследователи ищут свидетельства ее рождения в осколках, образующихся при «лобовом столкновении» субатомных частиц, как сыщики ищут улики на месте преступления. Два года назад физикам казалось, что они наконец «поймали» бозон Хиггса, но серия экспериментов, предпринятых для проверки, показала, что он снова ускользнул – несмотря на использование самого мощного в мире ускорителя частиц. Тем не менее, ученые уверены, что бозон существует. И намерены найти его, построив для этого еще более мощные ускорители.

Прямой и узкий

Существует два основных типа конструкции ускорителей частиц. В линейных ускорителях пучок субатомных частиц направляется вдоль прямой линиии. В синхротронах частицы движутся по кругу. Класс установки любого из этих двух типов определяется энергией пучка, которая измеряется в электрон-вольтах (эВ). Самым крупным ускорителем в мире был закрывшийся в 2000 году Большой электронно-позитронный коллайдер (LEP), работавший в Европейском исследовательском центре CERN возле Женевы. На следующей ускорительной установке физики рассчитывают достичь энергии пучка в 250 млрд эВ.

Исследователи, занятые в сфере физики высоких энергий, обсуждают проект этой новой машины в течение последних десяти лет. С самого начала было понятно, что новый ускоритель должен быть линейным. Причина этого заключается в синхротронном излучении, которое образуется, когда заряженная частица (например, электрон) движется по изогнутой траектории. При скорости, близкой к скорости света, практически вся энергия, подводимая для разгона частиц, уходит на синхротронное излучение. В линейном ускорителе, где частица движется по прямой, такое излучение отсутствует.

Столкновения частиц

На верхней иллюстрации изображена наиболее вероятная схема того, что скромно называют Новым линейным коллайдером (NLC). Электроны и соответствующие им античастицы – позитроны – рождаются в разных концах машины длиной более 30 километров. Высокочастотное электромагнитное поле несет их друг к другу, как хорошая волна несет на себе серфингистов.

Столкновение частиц материи и антиматерии, движущихся внутри NLC со скоростью, предельно близкой к скорости света, должно высвободить энергию, достаточную для обнаружения пресловутого бозона Хиггса.

Другая концепция ускорения частиц разрабатывается на Немецком электронном синхротроне (DESY) в Гамбурге. Проект немецких физиков предусматривает постройку 32-километрового коллайдера с использованием рентгеновского лазера и сверхпроводящих полостей. Этот проект известен под названием «Tesla». Он имеет некоторые технические преимущества по сравнению с более традиционной американской схемой NLC. Например, предполагает лучшую фокусировку электронного и позитронного пучков и большую энергетическую эффективность. С другой стороны, Tesla использует технологию, еще не проверенную на практике, а принципы работы NLC десятилетиями использовались на Стэнфордском линейном ускорителе (SLAC).

Наблюдения за столкновениями

Физики регистрируют все, что происходит при столкновении электронов и позитронов, при помощи специальных устройств, называемых детекторами. Как и в случае с самим коллайдером, детали устройства детекторов все еще разрабатываются. Грубо говоря, детектор – это аналог цифрового фотоаппарата. Он состоит из приборов с зарядовой связью, расположение которых напоминает расположение бумажных полотенец в рулоне. Детектор строится вокруг узкой трубы, в которой происходят столкновения электронов с позитронами. В течение долей секунды после каждого столкновения измерительные приборы сообщают компьютеру, получили ли они какой-нибудь сигнал и если да, то какой. Вся эта информация сохраняется в обширной базе данных. Обработав около 300 миллионов ее элементов, физик может проследить движение каждой частицы, как сыщик выследил бы скрывающегося преступника по следам его операций с кредитными картами. «Чем выше будет энергия, тем меньше событий мы будем наблюдать, но тем интереснее будет каждое из них», – предсказывает Джеймс Брау из Университета штата Орегон, один из руководителей группы, которая проектирует детектор.

Где будем строить?

В настоящий момент основная работа по созданию NLC сосредоточена в исследовательском центре SLAC в Калифорнии. Поскольку NLC – проект международный, принимать решение о месте его постройки будет страна, внесшая наибольший вклад в бюджет этого ускорителя, который составляет миллиарды долларов. Однако ученых не очень интересует, будет ли эта машина построена в Калифорнии, в Германии или в Японии. После того как ускоритель будет построен и запущен (по всей вероятности, это произойдет в 2010 году), физики будут «общаться» с огромной установкой через Интернет.

Большинство физиков считают, что новый коллайдер даст окончательные доказательства существования бозона Хиггса. Они ожидают от ускорителя огромного вклада в понимание того, как устроена Вселенная. Но гораздо большие неожиданности ждут нас, если частица Хиггса не будет найдена. По словам Криса Квигга, специалиста по физике высоких энергий из Лаборатории им. Ферми, это поставило бы под сомнение некоторые из наиболее фундаментальных теорий устройства Вселенной. «Бозон Хиггса должен существовать в области ниже триллиона электрон-вольт, – говорит он. – Иначе мир окажется интереснее, чем мы думаем».