Хиггс, много Хиггсов и суперсимметрия

— 30.10.12 14:54 —

ЛЕКТОР: Андрей Крохотин

ФОТО: Moonrunner Design Ltd., National Geographic

Возникновение бозона Хиггса при столкновении частиц, взгляд художника

Существуют ли дополнительные измерения, удалось ли на Большом адронном коллайдере открыть бозон Хиггса, единственен он или их много, и кому дадут Нобелевскую премию за это открытие? Обо всем этом рассказывает в своей лекции «Газете.Ru» сотрудник коллаборации CMS БАК Андрей Крохотин.

Андрей Крохотин

с.н.с., Институт теоретической и экспе­ри­мен­тальной физики РАН

Краткая биография ►▼ Все лекции автора

Кандидат физико-математических наук. В 1999 году закончил Московский физико-технический институт. В настоящее время - старший научный сотрудник Института теоретической и экспериментальной физики РАН (Москва). Участник коллаборации CMS на Большом адронном коллайдере CERN (Европейской организации ядерных исследований).

Свернуть ▲

В июне в CERN объявили, что по результатам экспериментов на Большом адронном коллайдере удалось обнаружить частицу со свойствами, похожими на свойства бозона Хиггса. Однако на тот момент информации было недостаточно для того, чтобы найти одно из определяющих свойств частицы – ее спин. В зависимости от спина найденная частица может оказаться либо, действительно, бозоном Хиггса Стандартной модели – и тогда это будет означать полное экспериментальное подтверждение разработанной десятки лет назад «картины мира» элементарных частиц, либо другой частицей, в рамках Стандартной модели не существующей – и тогда это будет дорога в «новую физику». Именно на этот главный вопрос должны дать ответ результаты обработки данных за 2012 год, которые планируется обнародовать в декабре.

Однако уже сейчас большинство экспертов сходятся в том, что эта частица – все-таки бозон Хиггса Стандартной модели, то есть так просто «новой физики» найти не удалось.

В чем разница между этими двумя сценариями? Дело в том, что хиггсовский бозон – это скалярная частица, то есть у нее спин должен быть равен нулю. Частица, об открытии которой было объявлено в июне, находится в «хиггсовском» диапазоне масс, однако ее спин на тот момент точно определить не удалось. Остались два сценария – спин ноль и спин два. Это удалось выяснить, так как частица распадается на два гамма-кванта, а в этом канале распада возможные спины – только 0 и 2. То есть, на самом деле, спин может быть любым четным, то есть 4, 6 и так далее, но такие большие значения, хотя и теоретически возможны, маловероятны: природа устроена по минималистичному сценарию. Поэтому ноль и двойка – единственные оставшиеся варианты. Разрешение этой неопределенности – главный вопрос текущего периода работы Большого адронного коллайдера. Пока никаких других новых частиц не наблюдалось.

На текущем уровне энергии и светимости коллайдер проработает до середины февраля, и подведение итогов этой работы окончательно прояснит вопрос о природе новой открытой частицы.

После этого ускоритель планово остановят на два года, будет проводиться апгрейд, в результате чего будет повышена и энергия столкновений, и светимость. Затем еще несколько лет ускоритель будет работать с более высокой энергией и более высокой светимостью, чтобы попытаться все-таки выйти за рамки Стандартной модели. Работа на более высокой энергии позволяет повысить массу возможных наблюдаемых частиц, а повышение светимости означает увеличение количества столкновений протонов в единицу времени, то есть возможность набрать большую статистику за более короткий срок. Учитывая, что интересующие ученых события рождения и распада частиц имеют чрезвычайно низкие вероятности, повышение светимости принципиально важно. На повышенной энергии и светимости, возможно, удастся открыть «новую физику».

Одним из наиболее популярных расширений Стандартной модели является теория суперсимметрии, которая предполагает, что у каждой частицы есть тяжелый суперсимметричный партнер: каждому бозону соответствует определенный фермион, каждому фермиону – бозон, а бозонов Хиггса, на самом деле, несколько.

Здесь, в отличие от Стандартной модели, нельзя точно предсказать, что именно будет открыто, так как суперсимметрия – нефиксированная теория. В ней есть свободные параметры, которых мы не знаем, и в зависимости от того, какой выбор природа сделала для этих свободных параметров, какое они имеют значение, возможен тот или иной расклад: то есть суперсимметричные частицы будут иметь немного различные массы. Также суперсимметричные теории различаются по количеству новых частиц, которые они предсказывают. Наибольшее распространение и признание среди теоретиков получила так называемая минимальная суперсимметричная модель (МССМ). Минимальной она называется потому, что предсказываемое в рамках этой модели количество новых частиц минимально. Тут опять-таки работает принцип минималистичности, согласно которому природа предпочитает самые простые и «надежные» сценарии. Однако, к большому разочарованию физиков, пока эта теория не подтверждается, и с набором новых данных возможность того, что именно эта модель реализуется в природе, стремительно уменьшается.

Большой адронный коллайдер устроен таким образом, что позволяет исследовать всю область параметров минимальной суперсимметричной модели и ответить на вопрос, реализуется ли эта модель в природе. Надо только подождать, пока будет собрано необходимое количество данных. Так что скоро мы будем точно знать, работает эта модель или нет. Но если эта модель не работает, что же тогда? Возможно, реализуется другая суперсимметричная модель, отличная от минимальной, или какой-то совершенно другой механизм. И тогда нам предстоит понять, почему природа предпочла именно этот механизм. Это поставит перед нами новые загадки, которые надо будет разгадать. Такой вариант развития событий является не менее волнующим, чем подтверждение уже существующей теории!

Скажу честно, что в среде физиков была довольно распространена крамольная мысль о том, что хорошо было бы, если бы бозона Хиггса вообще не существовало.

На первый взгляд, это может показаться странным. Почему!? Дело в том, что Стандартная модель была придумана более сорока лет назад, и с тех пор все ее предсказания неизменно подтверждались. С одной стороны, это рождало уверенность в собственных силах и удовлетворенность от того, что человеческая мысль оказалась способна приподнять еще одну завесу мироздания. Но с другой стороны, над учеными начинала довлеть предопределенность. Как будто вы едете в поезде, скажем из Москвы в Санкт-Петербург, и вы точно знаете, что поезд приедет в Санкт-Петербург, а не куда-нибудь на другой конец света. Вы бы очень удивились, если бы, открыв дверь поезда, вы бы вдруг оказались в Лондоне или в Торонто. Ведь этого просто не может быть! Вот таким же чудом для физиков стало бы отсутствие хиггсовского бозона. Ведь Стандартная модель – настолько хорошо подтвержденная теория, что отсутствие хиггсовского бозона оказалось бы чудом более удивительным, чем прибытие ленинградского поезда в Лондон. Это поставило бы перед учеными новые волнующие вопросы и загадки. Вариантов «новой физики», которая может себя проявить при увеличении энергии БАК, очень много. Вот только один любопытный пример:

наличие определенного типа новых частиц может свидетельствовать о наличии дополнительных измерений нашего пространства.

Одно можно сказать с большой долей уверенности: если в конце года будет объявлено, что на БАК был найден именно хиггсовский бозон, то есть подтвердится, что у найденной частицы нулевой спин, то на следующий год за его открытие должны дать Нобелевскую премию. А вот кому ее дадут – вопрос очень сложный, к разработке теории этой частицы в той или иной мере причастны несколько человек. Лично мне кажется, было бы справедливо, если бы одним из награжденных оказался бы Питер Хиггс, человек, чьим именем частица и названа. Еще более важный вопрос – дадут ли премию за ее экспериментальное подтверждение, сделанное в CERN огромным коллективом БАК. По правилам Нобелевской премии ее могут получить не более трех людей одновременно, а тут претендент – огромная коллаборация. Нобелевские премии мира неоднократно давали организациям, но научные премии все-таки обычно дают отдельным людям.

— 30.10.2012 14:54 —
	Если бы бозона Хиггса вообще не существовало Существуют ли дополнительные измерения, удалось ли на Большом адронном коллайдере открыть бозон Хиггса, единственен он или их много, и кому дадут Нобелевскую премию за это открытие? Обо всем этом рассказывает в своей лекции Газете.Ru сотрудник коллаборации CMS БАК Андрей Крохотин. http://www.gazeta.ru/science/2012/10/30_a_4829449.shtml

Tweet