Фермилаб на пути к бозону Хиггса

Опубликовано в еженедельнике ОИЯИ "Дубна"  ? 8 (2010)

12 февраля в 104-м номере ведущего физического журнала Physical Review Letters ученые из Национальной ускорительной лаборатории имени Э.Ферми (Фермилаб, США) опубликовали новые результаты, проливающие свет на массу бозона Хиггса, поисками которого озабочены многие тысячи физиков как в Америке, так в других частях Земного шара. Отмеченная публикация в ряду других работ по данной тематике может рассматриваться как новый важный шаг мирового сообщества физиков, разделяющих самую фантастическую и плодотворную гипотезу о существовании хиггсовского бозона, на жестком и долгом пути его поисков.

Объединив свои результаты на основе экспериментальных данных, полученных на коллайдере Тэватрон в Фермилабе, ученые из двух независимых коллабораций CDF и D0 уверенно продвинулись по пути увеличения чувствительности в связи с оценкой массы бозона Хиггса - одного из основных параметров, которые могут быть получены лишь в лабораторном эксперименте, в предположении о справедливости популярной Стандартной модели (СМ) взаимодействия элементарных частиц. В частности, физиками коллабораций CDF и D0 дано указание на новую область масс этих хиггсовских бозонов, с которыми последние не могут быть обнаружены вообще в рамках СМ. Заметим, что задачи, сформулированные в программе этих коллабораций и уже реализуемые на опытах в течение последних нескольких лет, поистине масштабны и не имеют пока аналогов в сегодняшнем мире. Поэтому коллективы коллабораций являются многонациональными, объединяющими опыт и знания сотен физиков и инженеров из многих научных центров и университетов стран мира, включая институты Российской академии наук, Объединенный институт ядерных исследований в Дубне, Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова и другие.

Физика частиц занимается так называемыми фундаментальными взаимодействиями, которые невозможно свести друг к другу: они различны по силе и радиусу влияния. Сегодня известны четыре типа фундаментальных взаимодействий: гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное. Поиски других типов взаимодействий упорно продолжаются и на уровне микромира, и в космологических масштабах, но пока никаких признаков их существования не обнаружено.

Многие свойства частиц проявляются только в высокоэнергетических процессах, то есть в процессах, происходящих при очень высоких энергиях (в сотни и тысячи раз больше, чем в ядерных!). Именно высокая энергия частиц создает условия, в которых образуются новые формы материи, не доступные для наблюдения и исследования при низких энергиях.

Накопленные к концу ХХ столетия сведения о фундаментальных свойствах материи радикально изменили все наше мировоззрение. Платформой для анализа и мощным вычислительным инструментом стала квантовая теория поля, описывающая поведение частиц и предсказывающая их свойства, закономерности рождения и распада.

На базе достижений квантовой теории поля и теории элементарных частиц сформулирована самая совершенная и самая стройная к нынешнему моменту теория фундаментальных частиц и взаимодействий, названная Стандартной моделью. Эта модель с высокой точностью описывает практически всю известную сегодня совокупность экспериментальных данных о фундаментальных взаимодействиях в природе и фактически представляет собой иерархическую структуру мира частиц, связанных двумя типами взаимодействий: электрослабым и сильным. Стандартная модель позволяет качественно и количественно объяснить процессы, протекавшие во Вселенной, начиная с первых долей секунды после Большого взрыва вплоть до нашей эпохи. О поразительных возможностях этой модели, взятой вместе с теорией гравитации (гравитационное взаимодействие физикам пока не удается объединить с остальными типами взаимодействий в единой модели), можно судить по масштабу и диапазону ее предсказательной силы. Диапазон расстояний тех явлений, которые описывает Стандартная модель, составляет величину 44-го порядка! Так что, без всяких преувеличений, Стандартную модель можно назвать одним из наивысших достижений научной мысли ХХ века. Правда, в последние десятилетия появились прямые указания на неполноту этой великолепной модели - прежде всего практически доказано существование так называемой "темной материи".

Основные положения, на которые опирается Стандартная модель, включают представления о фундаментальных частицах - кварках и лептонах; о калибровочных векторных полях, являющихся переносчиками основных сил природы - сильных, слабых и электромагнитных; о фундаментальной группе калибровочной симметрии. Важную роль в Стандартной модели играет принцип спонтанного нарушения калибровочной симметрии электрослабых взаимодействий. Все перечисленные положения и их следствия уже детально проверены. Они считаются незыблемыми элементами существующей теории. Исключение составляет лишь хиггсовский механизм генерации масс элементарных частиц.

Проблема происхождения массы - самая обескураживающая. Удивительно, что это всем хорошо известное понятие так мало изучено. Ответ, возможно, кроется в недрах Стандартной модели, в положении, которое называется механизмом Хиггса. На основе спонтанного нарушения калибровочной симметрии при сохранении перенормируемости английский физик П.Хиггс в 1964 году предложил теоретический механизм приобретения элементарными частицами массы. Механизм Хиггса опирается на предположение о существовании в природе фундаментального скалярного поля с ненулевым значением в вакууме - своего рода "моря", заполняющего в вакууме все пространство и вызывающего появление массы у кварков, лептонов и промежуточных векторных бозонов.

Однако механизм Хиггса еще ждет своего экспериментального подтверждения, возможно, на коллайдере Тэватрон в Фермилаб и в экспериментах на Большом адронном коллайдере, недавно успешно запущенном в Европейской организации ядерных исследований в Женеве.

В обоснование Стандартной модели внесли важнейший вклад многие яркие и блистательные физики мира, в том числе представители известных российских физических школ, таких как школы академиков В.А.Фока, Л.Д.Ландау, Н.Н.Боголюбова, И.Е.Тамма и ряда других.

В экспериментах CDF и D0 на Тэватроне, о которых мы ведем речь, при столкновении пучков протонов с антипротонами с суммарной энергией 1960 гигаэлектрон-вольт (ГэВ), поиски бозонов Хиггса проводились по идентификации продуктов его распада на два заряженных калибровочных W-бозона, или два W-бозона и один нейтральный калибровочный Z-бозон, либо три W-бозона в конечных состояниях.

Конечно, бозон Хиггса не был найден, но результаты, полученные физиками из Фермилаб в 2009-2010 гг., уже исключают его существование с массой в интервале 162-166 ГэВ с уровнем достоверности в 95 процентов. Ранее, в 1990-х годах, в экспериментах на Большом электрон-позитронном коллайдере (ЛЭП) в ЦЕРН с суммарной энергией столкновения электронов с позитронами 205 ГэВ, уже было получено ограничение в 114,5 ГэВ на нижний предел массы бозона Хиггса. Другими словами, если хиггсовский бозон и существует, то его масса не может быть меньше, чем 114.5 ГэВ. С другой стороны, учет в вычислениях т.н. квантовых эффектов, включающих бозон Хиггса, предполагает, что масса последнего не может превышать величину в 185 ГэВ при условии справедливости Стандартной модели.

Таким образом, сегодня, опираясь на опытные результаты коллабораций в экспериментах CDF и D0, можно ожидать, что бозон Хиггса в его стандартном представлении может быть найден с массой в интервале [114,5-162] ГэВ, либо в узком "коридоре" с [166-185] гэвными значениями. В этих масс-интервалах и будут, в том числе, искать хиггсовские бозоны физики из более чем 20 стран мира на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН с суммарной энергией столкновения пучков протонов друг с другом, значительно превышающей энергию коллайдера Тэватрон.

Только независимые эксперименты в Фермилаб и ЦЕРН в ближайшие годы могут либо прояснить величайшую загадку современной физики частиц и космологии и найти замечательный бозон Хиггса, либо отвергнуть яркую и гениальную модель о его существовании, тем самым открывая дорогу теоретикам для построения новых теорий, объясняющих основы в конструкции мироздания.

Последующая декада XXI века ответит на многие вопросы, прояснения которых мир ожидает уже почти полвека.

А.Н.СИСАКЯН, академик РАН, директор ОИЯИ, 
Г.А.КОЗЛОВ, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник ОИЯИ 
Дубна, 18 февраля 2010 г.