Бозон Хиггса. От научной идеи до открытия «частицы Бога»

Джим Бэгготт, 2012

Джим Бэгготт, ученый, писатель, популяризатор науки, в своей книге подробно рассматривает процесс предсказания и открытия новой частицы – бозона Хиггса, попутно освещая такие вопросы фундаментальной физики, как строение материи, происхождение массы и энергии. Автор объясняет, что важность открытия частицы заключается еще и в том, что оно доказывает существование поля Хиггса, благодаря которому безмассовые частицы приобретают массу, что является необходимым условием для возникновения материи. Из книги вы узнаете о развитии физических теорий, начиная с античного понятия об атоме, и техническом прогрессе, позволившем их осуществить, а также историю обнаружения элементарных частиц.

Пролог

Форма и субстанция

Из чего сделан мир?

Подобные простые вопросы терзали человеческий разум с тех самых пор, как человек стал способен рационально мыслить. Конечно, сегодня этот вопрос стал гораздо сложнее и подробнее, а ответы на него — гораздо запутаннее и обходятся чрезвычайно дорого. Но уверяю вас, в самой своей основе вопрос остается очень простым.

Две с половиной тысячи лет назад древнегреческие философы могли опираться исключительно на свое понимание красоты и гармонии в природе и силу логического мышления и воображения применительно к вещам, которые они наблюдали невооруженным взглядом. Думая об этом сейчас, нельзя не поражаться тому, как много им удалось понять.

Греки тщательнейшим образом различали форму и субстанцию. По их понятиям, мир состоял из материальной субстанции, которая могла принимать самые разнообразные формы. Сицилийский философ V века до н. э. Эмпедокл предположил, что это разнообразие можно свести к четырем основным формам, которые сейчас мы называем элементами. Это были земля, воздух, огонь и вода. Элементы считались вечными и неуничтожимыми, соединенные в довольно романтических сочетаниях благодаря притягивающей силе Любви и разделенные отталкивающими силами Вражды, и все в мире состоит из них.

Другая школа, начало которой положил философ Левкипп также V века до н. э. (и которая теснее всего связана с его учеником Демокритом), утверждала, что мир состоит из крошечных неделимых и неуничтожимых частиц материи (атомов) и пустого пространства (пустоты). Атомы — элементы, составляющие всю физическую субстанцию, которая определяет всю материю. Как утверждал Левкипп, атомы необходимы принципиально, потому что субстанция, безусловно, не может делиться бесконечно. Если она могла делиться бесконечно, в итоге деления мы могли бы получить ничто, а это, очевидно, противоречит непоколебимому, как казалось, закону сохранения материи.

Примерно веком позже Платон развил теорию, описывавшую, как организованы атомы (субстанция), составляющие четыре элемента (формы). Он представил четыре элемента в виде геометрических (или платонических) тел и в трактате «Тимей» утверждал, что грани всех тел можно дальше разложить на системы треугольников, которые представляют собой атомы, составляющие элементы. Переставив треугольники — то есть переставив атомы, — можно превратить один элемент в другой и разными сочетаниями элементов получать новые формы^[3].

Мысль, что должны существовать какие-то конечные компоненты, какая-то бесспорная реальность, которая поддерживает окружающий мир и придает ему форму, кажется логичной. Если материя может делиться бесконечно, тогда мы достигнем точки, где сами компоненты становятся чем-то эфемерным — до такой степени, что перестают существовать. Тогда исчезнут составные части, и у нас останутся одни взаимодействия между неопределимыми, невещественными фантомами, которые лишь производят впечатление субстанции.

Может быть, это не слишком приятно, но в большой степени это именно то, что и доказала современная физика. Масса, по современным представлениям, не является неотъемлемым или «первосущим» свойством фундаментальных составных частей природы. На самом деле массы не существует. Масса полностью слагается из энергии взаимодействий между безмассовых от природы элементарных частиц.

Физики делили и делили и в итоге нашли ничто.

Только с развитием формальной экспериментальной философии в начале XVII века у человека появилась возможность выйти за рамки того рода умозрительных размышлений, которые были характерны для теорий древних греков. Древняя философия интуитивно пыталась понять природу материальной субстанции из наблюдений, искаженных предвзятыми представлениями о том, каким должен быть мир. Новые ученые взялись за саму природу, чтобы добыть у нее данные о том, каков мир на самом деле.

Форма и субстанция по-прежнему вызывали вопросы. Концепция массы — количество вещества, проявляющееся в динамических движениях физических объектов, — прибрела ключевую роль в нашем понимании субстанции. Сопротивление объекта ускорению стало пониматься как инертная масса. При ударе с одинаковой силой небольшой объект ускоряется гораздо быстрее, чем крупный.

Способность объекта генерировать гравитационное поле понимается как гравитационная масса. Сила притяжения у Луны слабее, чем у Земли, потому что Луна меньше и, следовательно, обладает меньшей гравитационной массой. Инертная и гравитационная массы эмпирически тождественны, хотя убедительных теоретических причин, почему это должно быть именно так, не найдено.

Также ученые раскрыли тайну огромного разнообразия природных форм. Вода, фундаментальный элемент у греков, как оказалось, состоит не из геометрических тел и треугольников, как полагал Платон, а из молекул, которые складываются из атомов химических элементов водорода и кислорода, сочетание которых мы записываем в виде H2O.

Современное применение слова «атом» сначала имело отношение к тому смыслу, который вкладывали в него греки, то есть неделимой частицы материи. Но еще в то время, когда существование атомов вызывало горячие споры, в 1897 году, английский физик Джозеф Джон Томсон открыл отрицательно заряженный электрон. Оказалось, что атомы, в свою очередь, состоят из субатомных частиц.

За открытием Томсона в 1909–1911 годах последовали эксперименты новозеландца Эрнеста Резерфорда в его манчестерской лаборатории. Его эксперименты показали, что атомы в основном состоят из пустого пространства. В центре атома находится крошечное положительно заряженное ядро, вокруг которого обращаются отрицательно заряженные электроны, почти как планеты вокруг Солнца. Большая часть массы атомов, составляющих элементы материальной субстанции, сконцентрирована в ядре. Поэтому именно в ядре соединяются форма и субстанция.

Эта «планетарная» модель атома и по сей день остается наглядной визуальной метафорой. Но физикам уже в то время сразу же стало очевидно, что такая модель фактически не имеет смысла. Они считали, что планетарные атомы должны быть по сути нестабильны. В отличие от движущихся вокруг Солнца планет электрически заряженные частицы, движущиеся в электрическом поле, испускают энергию в виде электромагнитных волн. Такие планетарные электроны истощили бы свою энергию за долю секунды, и тогда внутренняя структура атома просто рухнула бы.

Рис. 1

(a) В предложенной Резерфордом «планетарной» модели атома водорода единственный отрицательно заряженный электрон движется по фиксированной орбите вокруг ядра, состоящего из единственного положительно заряженного протона. (b) Квантовая механика заменила орбиту электрона волновой функцией, которая в конфигурации с самой низкой энергией (1s) имеет симметричную сферическую форму. (c) Таким образом, электрон может «находиться» везде в пределах волновой функции, однако наиболее вероятно его нахождение на расстоянии, которое предсказывает старая планетарная модель

Решение этой загадки появилось в виде квантовой механики в начале 1920-х годов. Электрон — не просто частица, которую можно представить себе в виде крошечного шарика отрицательно заряженного вещества, он одновременно и волна, и частица. Он не «здесь» или «там», как можно сказать о локализованном фрагменте вещества, но буквально «везде» в пределах его призрачной, нелокализованной волновой функции. По существу, электроны не обращаются вокруг ядра. Напротив, их волновые функции создают в пространстве вокруг ядра характерные трехмерные формы, которые мы называем орбиталями. Математическая форма каждой орбитали описывает вероятность нахождения теперь уже совершенно загадочного электрона в конкретном месте — «здесь» или «там» — внутри атома (см. рис. 1).

Период квантовой революции оказался беспрецедентно плодотворным как для теоретической, так и для экспериментальной физики. Когда в 1927 году английский физик Поль Дирак объединил квантовую механику со специальной теорией относительности Эйнштейна, вдруг появилось совершенно новое свойство, названное электронным спином. Оно уже было известно экспериментаторам и приблизительно толковалось в смысле вращения электрона вокруг своей оси, подобно волчку, примерно так же, как Земля вращается вокруг своей оси, двигаясь вокруг Солнца (см. рис. 2).

Но это была очередная визуальная метафора, не имевшая, как быстро выяснилось, никаких оснований в действительности. Сегодня мы понимаем спин как чисто релятивистский квантовый эффект, в котором электроны могут принимать одну из двух возможных ориентаций, которые мы называем «спин вверх» и «спин вниз». Это не ориентация по известным направлениям в обычном трехмерном пространстве, но ориентация в так называемом спиновом пространстве, которое имеет только два измерения — вверх и вниз.

Рис. 2

В 1927 г. Дирак соединил квантовую механику и эйнштейновскую специальную теорию относительности, чтобы создать полностью релятивистскую квантовую теорию. При этом проявилось такое свойство, как спин электрона, представлявшееся в виде вращения отрицательного заряженного электрона вокруг своей оси, который тем самым генерирует небольшое локальное магнитное поле. Сегодня мы представляем спин электрона с точки зрения его возможной ориентации — вверх или вниз

Как оказалось, каждая атомная орбиталь содержит два — и только два — электрона. Это знаменитый принцип запрета, или принцип Паули, сформулированный австрийским физиком Вольфгангом Паули в 1925 году, который утверждает, что электроны не могут находиться одновременно в одном и том же квантовом состоянии. Принцип выводится из математического выражения волновой функции для любого сложного состояния, включающего два электрона или более. Если сложное состояние включает два электрона с совершенно одинаковыми физическими свойствами, то у волновой функции нулевая амплитуда — такое состояние не может существовать. Чтобы волновая функция имела ненулевую амплитуду, два электрона должны так или иначе отличаться. Это значит, что на атомной орбитали один электрон должен иметь ориентацию спин вверх, а другой — спин вниз. Иными словами, электроны должны быть спаренными.

Есть искушение попытаться представить себе, как выглядят эти ориентации на самом деле, однако не стоит ему поддаваться. При этом их эффекты вполне реальны. Спин определяет величину момента импульса у электрона — момента, связанного с «вращательным» движением спина. Спин также управляет взаимодействием электрона с магнитным полем. Эти эффекты можно досконально исследовать в лаборатории. Но, говоря о квантовой механике, такое впечатление, что мы перешагнули грань между тем, что можно узнать о происхождении этих эффектов, и тем, чего нельзя.

Релятивистская квантовая теория электрона Дирака также дала вдвое больше решений, чем, по его мнению, было нужно. Два решения соответствуют двум ориентациям электронных спинов. Чему же соответствуют два «лишних» решения? У Дирака были кое-какие свои идеи, но в конце концов в 1931 году он был вынужден признать, что они представляют ориентации спина вверх и вниз неизвестного до тех пор положительно заряженного электрона. Дирак открыл антивещество. Античастица электрона, названная позитроном, впоследствии была обнаружена в экспериментах с космическими лучами, так как она образуется в околоземном пространстве при столкновениях высокоэнергетических частиц.

В 1932 году нашелся, как казалось, последний кусочек головоломки. Английский физик Джеймс Чедвик открыл нейтрон, электрически нейтральную частицу, которая уютно расположилась рядом с положительно заряженным протоном внутри атомного ядра. Физики как будто получили все нужные ингредиенты, чтобы сформулировать четкий ответ на вопрос, поставленный в начале главы.

Ответ вышел примерно таким. Все вещество в мире состоит из химических элементов. Химические элементы встречаются в природе в самых разнообразных видах и составляют периодическую таблицу от самого легкого — водорода — до самого тяжелого из известных природных элементов — урана^[4].

Все элементы состоят из атомов. Все атомы имеют ядра, состоящие из разного количества положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов. Свойства каждого элемента определяются количеством протонов в ядре его атома. У водорода один протон, у гелия два, у лития три, и так далее вплоть до урана, у которого их девяносто два.

Ядро окружают отрицательно заряженные электроны в количестве соответствующем числу протонов, таким образом, что в итоге атом остается электрически нейтрален. Каждый электрон может иметь ориентацию либо вверх, либо вниз, и каждую орбиталь могут занимать два электрона при условии, что они спаренные.

Ответ очень обстоятельный. Имея элементарные составные части в виде протонов, нейтронов и электронов и принцип Паули, можно объяснить, почему периодическая таблица имеет такую структуру, а не другую. Можно объяснить, почему материя имеет форму и плотность. Можно объяснить существование изотопов — атомов с таким же количеством протонов, но другим количеством нейтронов в ядре. При некотором старании можно объяснить всю химию, биохимию и материаловедение.

В таком объяснении масса не представляет никакой загадки. Массу всего материального вещества можно проследить до составляющих ее протонов и нейтронов, на долю которых приходится около 99 процентов массы любого атома.

Представьте себе кубик льда, замороженной воды тройной дистилляции. Кубик с ребрами длиной 2,7 сантиметра, чуть больше дюйма. Возьмите его в руку. Он холодный и скользкий. Он не тяжелый, но ладонь ощущает его вес. Итак, из чего складывается масса кубика?

Молекулярная масса воды считается по суммарному количеству протонов и нейтронов в ядрах двух атомов водорода и одного атома кислорода, которые составляют молекулу H2O. Ядро каждого атома водорода состоит всего из одного протона, а ядро атома кислорода содержит 8 протонов и 8 нейтронов, что дает в сумме 18 нуклонов. Кубик чистого льда, который вы держите в руке, весит около 18 граммов^[5], это масса его молекул в граммах. Таким образом, кубик представляет собой стандартную единицу измерения воды в твердом состоянии, которая называется молем.

Нам известно, что моль вещества содержит установленное количество атомов или молекул, из которых состоит это вещество. Оно называется числом Авогадро, оно чуть больше 600 миллиардов триллионов (6 × 10²³). Здесь и содержится ответ. Вес ледяного кубика у вас в ладони — это сумма масс 600 миллиардов триллионов молекул H2O, или примерно 10 800 миллиардов триллионов протонов и нейтронов (см. рис. 3)^[6].

Пришлось признать, что атомы не являются неделимыми, как когда-то считали греки. Атомы можно преобразовывать, превращать из одной формы в другую. В 1905 году Эйнштейн использовал специальную теорию относительности, чтобы показать эквивалентность массы и энергии в том, что впоследствии стало самой знаменитой научной формулой Е = mc²: энергия равна произведению массы на квадрат скорости света. При этом мысль, что масса представляет собой хранилище энергии, отнюдь не подорвала ее концепцию, а каким-то образом сделала ее еще более значительной.

Рис. 3

Кубик льда с длиной ребра 2,7 см весит около 18 г (а). Он представляет собой кристаллическую решетку, содержащую чуть больше 600 миллиардов триллионов молекул воды H2O (b). Каждый атом кислорода содержит 8 протонов и 8 нейтронов, а каждый атом водорода содержит 1 протон (c). Кубик льда, таким образом, содержит около 10 800 миллиардов триллионов протонов и нейтронов

Значительной, но не неизменной. Эйнштейн показал, что материя (масса) не сохраняется — она может превращаться в энергию. Когда атом урана-235 расщепляют бомбардировкой нейтронами, около пятой части массы одного протона превращается в энергию в результате ядерной реакции. Если взять 56-килограммовое ядро бомбы из урана-235 90-процентной чистоты, то высвобожденного количества энергии оказалось достаточно, чтобы стереть с лица земли японский город Хиросиму в августе 1945 года.

Но на самом деле Эйнштейна интересовал ответ на более глубокий вопрос. В его статье 1905 года есть намек: «Зависит ли инерция тела от содержания в нем энергии?» Эйнштейн понимал, что формула Е = mc² фактически означает, что m = Е/с²: вся инертная масса — это всего лишь иная форма энергии^[7]. Далекие следствия этого наблюдения станут очевидны только через 60 лет.

В середине 1930-х годов казалось, что строительные кирпичики материи — протоны, нейтроны и электроны — дают исчерпывающий ответ на вопрос, поставленный в начале главы. Но оставалась одна проблема. Еще с конца XIX века было известно, что изотопы некоторых элементов нестабильны. Они радиоактивны: их ядра спонтанно распадаются, запуская цепную ядерную реакцию.

Есть разные виды радиоактивности. Один из них, который Резерфорд назвал бета-радиоактивностью в 1899 году, представляет собой преобразование нейтрона в ядре в протон, что сопровождается излучением высокоскоростного электрона (бета-частицы). Это естественная алхимия: изменение количества протонов в ядре неизбежно меняет его химические свойства^[8].

Бета-радиоактивность подразумевает, что нейтрон — нестабильная составная частица и потому совсем не является «фундаментальной». Кроме того, возник вопрос и относительно баланса энергии в этом процессе. Энергией излучаемого электрона нельзя было объяснить всю теоретическую энергию, высвобождаемую превращением протона внутри ядра. В 1930 году Паули решил, что у него нет иного выбора, кроме как предположить, что энергия, которой «не хватает» в реакции, уходит с еще ненаблюдавшейся электрически нейтральной частицей с небольшой массой, которую в конечном итоге назвали нейтрино («нейтрончик»). В то время считалось, что обнаружить такую частицу невозможно, однако впервые она была открыта в 1956 году.

Пора было подвести итог. Одно было ясно. Материя удерживается воедино благодаря силе. Помимо силы притяжения, действующей универсально на все материальные тела, наука пришла к выводу, что есть еще три рода сил, называемых взаимодействиями, которые действуют непосредственно внутри атома.

Рис. 4

Схема взаимодействия двух электронов, как его описывает квантовая электродинамика. Электромагнитная сила отталкивания между двумя отрицательно заряженными электронами подразумевает обмен виртуальным фотоном в точке наибольшего приближения. Фотон назван виртуальным, так как его нельзя наблюдать во время взаимодействия

Взаимодействия между электрически заряженными частицами происходят благодаря электромагнетизму, хорошо известному из трудов физиков-первооткрывателей XIX века, которые, помимо многих других выдающихся достижений, заложили основы электроэнергетики. Полностью релятивистская квантовая теория электромагнитного поля, которая называется квантовой электродинамикой (КЭД), была разработана в 1948 году американскими физиками Ричардом Фейнманом и Джулианом Швингером и японским физиком Синъитиро Томонагой. В КЭД силы притяжения и отталкивания между электрически заряженными частицами переносят так называемые частицы — переносчики взаимодействий.

Например, когда два электрона сближаются друг с другом, они обмениваются частицей, которая заставляет их отталкиваться (см. рис. 4). Переносчики взаимодействия электромагнитного поля — это фотоны, квантовые частицы, из которых состоит всем известный свет. КЭД быстро добилась признания как теория, позволяющая делать беспрецедентно точные предсказания.

Осталось разобраться еще с двумя взаимодействиями. Электромагнетизм не мог объяснить, каким образом протоны и нейтроны связаны внутри атомного ядра, а также как происходит бета-распад. Эти процессы происходят в настолько разных энергетических масштабах, что никакое взаимодействие не способно учесть сразу оба. Ученые признали, что для этого требуются два разных взаимодействия — сильное ядерное, отвечающее за связь между составными частями атомного ядра, и слабое ядерное, управляющее некоторыми ядерными превращениями.

Так мы подходим к периоду в истории физики, о котором и пойдет речь в этой книге. Последующие 60 лет теоретической и экспериментальной физики элементарных частиц привели нас к созданию Стандартной модели — собранию фундаментальных квантовых теорий поля, которые описывают всю материю и все взаимодействия между материальными частицами, за исключением гравитации. Проще всего понять, что такое Стандартная модель и что она значит для понимания материального мира, можно, совершив краткий экскурс в ее историю.

Наше путешествие начинается в 1915 году в Геттингене, тихом университетском городке в Германии.

Примечания

3

См. Платон, Тимей и Критий. По Платону, воздух, огонь и вода состоят из одного вида треугольников, а земля из другого. Поэтому, как утверждал Платон, землю невозможно преобразить в другие элементы.

4

Существуют элементы тяжелее урана, но они не встречаются в природе. Они нестабильны, поэтому их приходится искусственно производить в лаборатории или ядерном реакторе. Самый известный пример — это, пожалуй, плутоний.

5

Плотность чистого льда при 0 °C равна 0,9167 грамма на кубический сантиметр. Объем кубика около 19,7 кубического сантиметра, таким образом, его масса чуть больше 18 граммов.

6

Конечно, нельзя путать вес и массу. Кубик льда весит 18 граммов на Земле, гораздо меньше на Луне и вообще ничего на околоземной орбите. Однако его масса не меняется. Условно мы считаем массу равной его весу на Земле.

7

На самом деле формула E = mc² не встречается в таком виде в статье Эйнштейна.

8

Это не является дешевым способом трансформировать неблагородные металлы в золото, так что мировым запасам золота ничто не угрожает.