Дерек Мюллер, ведущий научно-популярного канала Veritasium, отправляется в Европейскую организацию по ядерным исследованиям (CERN), чтобы зафиксировать один из величайших моментов в истории науки. Открытие новой элементарной частицы, с высокой долей вероятности оказавшейся бозоном Хиггса, вызвало беспрецедентный эмоциональный отклик в мировом научном сообществе. Теперь перед исследователями стоит задача выяснить, подтверждает ли эта находка классическую Стандартную модель или открывает дверь в совершенно новую, неизведанную физику.
🔬 Исторический триумф в CERN 0:01
Ведущий канала Veritasium Дерек Мюллер вместе с оператором Жан-Марком прибывает в Женеву, где располагается знаменитый комплекс зданий CERN с его узнаваемым футуристическим куполом. Поводом для визита стало историческое событие: 4 июля в стенах лаборатории было официально объявлено об обнаружении новой фундаментальной частицы, которая с огромной долей вероятности представляет собой долгожданный бозон Хиггса.
Это известие мгновенно облетело весь мир и вызвало бурю эмоций среди физиков-ядерщиков, обычно демонстрирующих профессиональную сдержанность. Сами первооткрыватели не скрывали слез, называя полученные графики невероятно красивыми. Однако после того, как первый триумф утих, возник закономерный вопрос: чем теперь будет заниматься Большой адронный коллайдер, если его главная цель успешно достигнута?
🌌 Стандартная модель и загадка массы 1:30
Современное научное понимание устройства Вселенной базируется на так называемой Стандартной модели — теории, описывающей все фундаментальные частицы материи и их взаимодействия. Практически каждый элемент этой сложнейшей структуры был экспериментально подтвержден за прошедшие десятилетия, за исключением одного критически важного компонента — механизма, который наделяет материю массой.
[Image of the Standard Model of particle physics]
Наличие массы у элементарных частиц имеет определяющее значение для самого существования нашей Вселенной. Как объясняют исследователи CERN, если бы, к примеру, электрон внезапно лишился массы, он физически не смог бы удерживаться на орбите вокруг протона. Без этого взаимодействия формирование атомов стало бы невозможным. В результате во Вселенной не возникло бы химических элементов, звезд, планет и, как следствие, самой жизни. Вместо структурированного космоса мы имели бы лишь хаотичные потоки безмассовых электронов, разлетающихся на субсветовых скоростях в бесконечность.
🍯 Поле Хиггса: океан космического «мёда» 2:10
В рамках Стандартной модели появление массы объясняется механизмом Хиггса, в котором сам бозон играет лишь роль индикатора. Существует популярное заблуждение, будто именно бозон Хиггса напрямую дает массу другим субатомным частицам. Но если бы это было так, бозоны Хиггса должны были бы находиться повсюду вокруг нас, и ученым не потребовалось бы строить гигантские ускорители для их фиксации.
В действительности массу частицам передает не сама обнаруженная частица, а всепроникающее поле Хиггса. Его можно представить в виде колоссального невидимого океана из жидкого мёда, который равномерно заполняет собой абсолютно всё космическое пространство. Некоторые элементарные частицы пролетают сквозь этот «мёд» без какого-либо сопротивления, оставаясь безмассовыми. Другие же, напротив, активно взаимодействуют с полем, вязнут в нем и замеляются, что на макроуровне и трансформируется в физическое свойство, называемое массой.
Сам же бозон Хиггса рождается лишь тогда, когда в это квантовое поле искусственно закачивается колоссальный объем энергии. В результате сильного энергетического всплеска в поле Хиггса возникают кратковременные колебания, порождающие ту самую заветную частицу. Ее фиксация служит прямым доказательством того, что гипотетическое поле Хиггса реально существует в природе.
🎡 Большой адронный коллайдер: мегамашина открытий 3:04
Для того чтобы «всколыхнуть» поле Хиггса и материализовать искомую частицу, ученым потребовалось создать сложнейший инженерный комплекс — Большой адронный коллайдер. При помощи сверхмощных электромагнитов эта исполинская установка разгоняет два встречных пучка протонов внутри кругового подземного туннеля протяженностью 27 километров.
В моменты, когда пучки протонов сталкиваются, их колоссальная кинетическая энергия преобразуется в массу новых, ранее скрытых частиц. Рождающиеся тяжелые элементы крайне нестабильны и распадаются за ничтожные доли секунды. По этой причине физики не могут увидеть сам бозон напрямую — вместо этого они тщательно фиксируют и анализируют траектории продуктов его распада при помощи массивных детекторов.
🤝 Соперничество гигантов: CMS и Atlas 3:30
На линии столкновения пучков протонов развернуты два ключевых независимых эксперимента — детекторы CMS и Atlas. Установка CMS представляет собой гигантский научный аппарат, расположенный на глубине 90 метров под землей. Прямо под ногами исследователей протоны несутся по туннелю со скоростью 99.9999999% от скорости света, что практически неотличимо от предельной световой скорости.
Каждая из исследовательских групп — Atlas и CMS — насчитывает порядка 3000 высококлассных ученых. Между командами поддерживается атмосфера дружеского, но жесткого соперничества. Физики CERN подчеркивают, что независимость исследований принципиально важна для верификации результатов: любое крупное открытие должно быть подтверждено обеими установками автономно друг от друга. Именно поэтому совместное заявление об обнаружении бозона Хиггса произвело такой фурор — оба детектора зафиксировали идентичные аномалии практически одновременно.
Поскольку протоны сами по себе являются сложными структурами («мешками с другими частицами»), их лобовое столкновение порождает хаотичный веер осколков. Проанализировав структуру этого субатомного мусора, ученые выявили следы новой частицы с массой в диапазоне между 125 и 126 гигаэлектронвольт (ГэВ). Приборы зафиксировали два крупных сгустка энергии в калориметре, суммирование которых дало показатель ровно в 125 ГэВ, что совпало с ожидаемым сигналом распада бозона на два гамма-кванта.
❓ Идеальное несовершенство: в поисках «новой физики» 5:36
Несмотря на успех, главный вопрос остается открытым: является ли найденная частица именно тем классическим бозоном, который предсказан Стандартной моделью? В личных беседах исследователи признаются, что готовы поставить жизнь на сам факт открытия новой частицы, но не станут утверждать, что она безупречно вписывается в Стандартную модель. На текущий момент ученым известны далеко не все ее свойства.
Парадоксально, но физики CERN искренне надеются, что свойства частицы обнаружат отклонения от теоретических предсказаний. Наука продвигается вперед не тогда, когда получает подтверждение старых правил, а когда генерирует новые вопросы. Первые намеки на это уже появились: оба детектора зафиксировали аномалию — бозон Хиггса распадался на фотоны несколько чаще, чем предполагали расчеты.
Если частица действительно окажется отличной от прогнозов Стандартной модели, это гарантированно подтвердит существование так называемой «новой физики». По мнению ученых, в таком случае перед человечеством откроются фундаментальные перспективы устройства мироздания, среди которых:
- Существование дополнительных пространственных измерений.
- Теория суперсимметрии, предполагающая наличие во Вселенной полной зеркальной копии всех известных элементарных частиц.
Вне зависимости от того, подтвердит ли бозон Хиггса старую модель или перевернет науку, его открытие уже стало важнейшей вехой на пути к пониманию фундаментальных законов природы.
