Что-то подобное и произошло в ранней Вселенной. Начальное горячее состояние было очень симметричным, но зато неустойчивым; остывая, Вселенная теряла симметрию, но обретала устойчивость.
Но каким было состояние с меньшей энергией, в котором Вселенная пребывала? Какой механизм мог вызвать спонтанное нарушение электрослабой симметрии?
Эта проблема стала очевидна уже с первым плачем новорожденной теории, и для нее были предложены разнообразные решения, ни одно из которых не обладает достаточной убедительностью. Правильная идея появилась только в 1964 году – ее предложили трое молодых физиков, едва перешагнувших тридцатилетний рубеж: два бельгийца Роберт Браут и Франсуа Энглер и их почти ровесник из Великобритании Питер Хиггс.
И снова какие-то юнцы проталкивают новую идею, противоречащую всем схемам, и ее никто не принимает всерьез, потому что она по-настоящему революционна.
Если два взаимодействия описываются одними и теми же уравнениями, то нарушение симметрии может затрагивать только среду, в которой они распространяются, – то есть вакуум. Другими словами, это в вакууме оказывается нарушенной симметрия. Потому что вакуум… совсем не пуст. Некое поле присутствует в каждом уголке Вселенной с незапамятных времен. Это поле Хиггса, а связанную с ним элементарную частицу следует добавить к другим фундаментальным частицам Стандартной модели. Только так можно объяснить, почему слабое взаимодействие и электромагнитное ведут себя столь непохожим образом, что трудно заподозрить их родство, даже отдаленное.
А в маленькой раскаленной первоначальной Вселенной поле Хиггса было в возбужденном состоянии – и из-за этого все вокруг было идеально симметрично. Стоило температуре уменьшиться, как оно застыло в состоянии равновесия с меньшей энергией – и от этого нарушилась изначальная симметрия. Бозоны W и Z становятся массивными оттого, что поле их изрядно запутывает, словно сеть, а фотон ускользает из нее и продолжает повсюду носиться, лишенный массы, так как его поле даже не пощекотало.
Аналогичный механизм объясняет, почему у лептонов и кварков такие разные массы. Они тоже все родились демократично лишенными массы. Это поле Хиггса их разделило, дав кому-то массу побольше, а кому-то поменьше. Чем сильнее взаимодействие с полем, тем больше масса частицы.
Все разрешилось вполне элегантно, оставалась только сущая мелочь… А точно ли существовало это поле Хиггса? Кто мог быть уверен, что именно это элегантное решение выбрала природа? Если где-то есть такое поле, из него должна выскочить ассоциированная с ним частица! Так начиналась великая экспедиция в поисках бозона Хиггса.
Открытие бозона Хиггса
Потребовалось почти пятьдесят лет, чтобы убедиться: механизм Хиггса и в самом деле ответственен за нарушение электрослабой симметрии. Столько времени длилась охота на самую неуловимую частицу в истории физики.
Теория не предсказывала, какой должна быть масса бозона Хиггса, а потому он мог прятаться где угодно. На протяжении десятилетий ученые всего мира прилагали сверхчеловеческие усилия, чтобы поймать новую частицу, но все было тщетно. Сейчас, когда мы ее уже открыли, мы знаем, что это большая удача, так как бозон Хиггса оказался слишком тяжелым и до 2010 года энергии ускорителей просто не хватало для его появления. Поворотным пунктом стал запуск Большого адронного коллайдера – ускорителя ЦЕРН под Женевой.
Ускорители частиц – это современные машины времени: они переносят нас вспять на миллиарды лет, давая возможность изучать процессы, разворачивающиеся во Вселенной близко к моменту ее рождения. При столкновениях сотрясается вакуум – и из него рождаются новые материальные частицы. Тут проявляется знаменитое эйнштейновское соотношение эквивалентности массы и энергии. При столкновении встречных пучков элементарных частиц энергия столкновения может трансформироваться в массу: E = mc2, чем больше энергия столкновения, тем более тяжелые частицы могут образоваться и позволить изучать себя во всех деталях. Так что ускорители – это настоящие фабрики вымерших частиц, возвращающие к жизни на долю секунды те формы материи, которые исчезли сразу после Большого взрыва.
Большой адронный коллайдер – это сегодня самый крупный ускоритель в мире. Два пучка протонов, насчитывающие тысячи пакетов с частицами, движутся по кругу навстречу друг другу в вакууме внутри трубы длиной в двадцать семь километров. В каждом пакете собраны более ста миллиардов протонов, они разгоняются сильнейшим электрическим полем, в то время как мощные магниты искривляют траектории их движения, дабы удержать их на орбите и заставить сталкиваться. Энергия Большого адронного коллайдера равна 13 ТэВ (тераэлектронвольт), но из-за того, что протоны состоят из кварков и глюонов, их столкновения – сложный процесс, поэтому только часть энергии оказывается доступной, лишь несколько тераэлектронвольт могут преобразоваться в новые частицы. Однако протоны сами довольно тяжелые, поэтому на излучение теряется мало энергии, так что в результате с их помощью удается получить более высокие энергии. Поэтому ускорители протонов лучше других подходят для непосредственного открытия новых частиц.
У ускорителей электронов есть дополнительная функция. Поскольку электроны – точечные частицы, их столкновения значительно проще, и вся энергия удара может быть использована для образования новых частиц. Лептонные коллайдеры идеальны для точных измерений и для обнаружения новых частиц косвенными методами – через исследование тонких аномалий.
Недостаток ускорителей электронов в том, что они не подходят для достижения очень высоких энергий. Легкие частицы вроде электронов при движении по круговым орбитам излучают большое количество фотонов, теряя на этом значительную часть своей энергии. Эта потеря сильно возрастает с ростом энергии и оказывается непреодолимым барьером, ограничивающим возможность использования таких ускорителей для непосредственного открытия новых частиц.
Энергия, высвобождающаяся при столкновениях элементарных частиц в ускорителях, совершенно незначительна по сравнению с процессами, типичными для нашей повседневной жизни. Но там она сконцентрирована в бесконечно малом объеме пространства, занятом этими столкновениями, из-за чего воспроизводятся экстремальные условия, никогда и нигде не возникавшие со времен Большого взрыва. И там, среди неисчислимых процессов, хорошо уже известных и отнюдь не редких, случаются значительно более экзотические события – они-то и позволили обнаружить бозон Хиггса.
Этот успех стал возможен благодаря работе двух различных групп исследователей, одна из них называется Atlas, а другая – Cms, каждая состоит из тысяч ученых. Наличие двух экспериментов при поиске новой частицы – почти обязательное требование. Сигналы, по которым поднимается тревога, настолько редки, а вероятность ошибки настолько велика, что только наличие двух независимых экспериментов, основанных на разных технологиях и проводимых разными группами ученых, может дать уверенность, что эта тревога не ложная.
Atlas и Cms были задуманы так, чтобы обе группы экспериментаторов работали совершенно независимо и между ними существовала жесткая конкуренция: если одной удается первой открыть новое состояние материи, а вторая приходит к нему позже и ей остается только подтвердить полученный первой результат, то первой группе достается и вся слава открытия. Поэтому в обеих коллаборациях никому не спалось спокойно: их постоянно одолевал кошмарный сон о том, как что-то идет не так или как другая группа выигрывает гонку.
По стечению невероятных обстоятельств оба эксперимента, напротив, сработали идеально и обе группы пришли к финишу вместе. Они одновременно идентифицировали первые признаки бозона Хиггса в своих данных и потом, в 2012 году, когда указания на его присутствие уже не оставляли никаких сомнений, совместно объявили миру, что ими открыта новая частица. Ее масса – 125 ГэВ (гигаэлектронвольт), и по всему выходило, что свойства у нее ровно те, что и предполагались “теми парнями из 1964-го” для бозона Хиггса.
Этот результат означал новый триумф для Стандартной модели, заслуживающий Нобелевской премии, которая и была присуждена в 2013 году Франсуа Энглеру и Питеру Хиггсу – двум остававшимся в живых участникам из трио молодых ученых, первыми предположивших существование прежде неуловимой частицы.
Кто нарушил симметрию между материей и антиматерией?
Теперь, когда новая частица была открыта, все стало намного яснее: мы смогли лучше понять, когда произошел переход, и обозначить схему спонтанного нарушения симметрии электрослабых взаимодействий.
Час икс зависит от массы бозона Хиггса и точно ему соответствующей температуры ранней Вселенной, которая достигается через 10–11 секунды после Большого взрыва. С этого момента электромагнитное взаимодействие окончательно отделяется от слабого и начинается долгий процесс, длящийся до наших дней. Как упавший на стол карандаш, Вселенная утратила симметрию, но приобрела множественность вариантов и стабильность. Все, что нас окружает, все это многообразие форм, не перестающее нас поражать, не смогло бы родиться, если бы не была нарушена дьявольская симметрия, державшая Вселенную в своей ловушке. Поцелуй бозона Хиггса разрушил чары, погрузившие принцессу в смертельное совершенство абсолютной однородности. От этого толчка, от этого маленького первородного дефекта все и пришло в движение.
Сегодня может быть описан потенциал нового скалярного поля и лучше понят механизм процесса, сыгравшего такую важную роль в создании материальной составляющей нашей Вселенной.
Возможно, в том таинственном моменте скрыта разгадка тайны антиматерии, поэтому после открытия бозона Хиггса стали возникать новые гипотезы.
Впервые идея антиматерии возникла в 1928 году, она родилась практически случайно из расчетов Поля Дирака. Молодой английский ученый – в то время ему было только двадцать шесть лет – пытался построить теорию, которая бы объясняла поведение субатомных частиц при высоких энергиях. Чтобы сделать это, надо было как-то помирить квантово-механическое описание с преобразованиями, сохраняющими релятивистские эффекты. Когда он вывел релятивистское уравнение движения для электронов, то с изумлением обнаружил, что это же уравнение остается справедливым и для