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:
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