Три частицы электрон, протон и нейтрон свели воедино физику и химию. Они объяснили весь перечень химических элементов от водорода до калифорния самого сложного элемента, существующего в природе и даже различные короткоживущие элементы, созданные искусственно и обладающие еще большей сложностью. Все блистательное многообразие материи можно было получить из небольшого набора частиц, фундаментальных в том смысле, что их нельзя разделить на более мелкие составляющие. Это было просто и понятно.
Но простота, понятное дело, оказалась недолговечной. Во-первых, для объяснения многочисленных экспериментальных данных, касающихся мельчайших деталей материи, потребовалось ввести в дело квантовую механику. Затем были обнаружены новые, столь же фундаментальные, частицы, например, фотон частица света и нейтрино электрически нейтральная частица, которая настолько редко взаимодействует с прочей материей, что могла бы без труда пройти сквозь свинцовую плиту толщиной в несколько тысяч миль. Каждую ночь мириады нейтрино, порожденных ядерными реакциями на Солнце, проходят сквозь твердую оболочку Земли и сквозь ваше тело, не вызывая практически никаких последствий.
Но нейтрино и фотоны были лишь началом. Через несколько лет фундаментальных частиц стало больше, чем химических элементов, и это вызвало некоторое беспокойство, потому что объяснение оказалось сложнее объясняемых явлений. Но в итоге физики выяснили, что некоторые частицы более фундаментальны, чем другие. Протон, к примеру, состоит из трех более мелких частиц, которые называются кварками. То же самое касается и нейтрона, только кварки скомбинированы иначе. Электроны, нейтрино и фотоны, тем не менее, остались фундаментальными частицами: насколько нам известно, они не состоят из более простых частей[7]
Одной из главных причин строительства БАК было исследование последнего недостающего компонента стандартной модели, которая, несмотря на свое скромное название, дает почти полное объяснение физики элементарных частиц. В соответствии с этой моделью, в пользу которой говорят довольно убедительные факты, из шестнадцати по-настоящему фундаментальных частиц можно составить любую элементарную частицу. Шесть из них называются кварками и образуют пары с довольно необычными названиями: верхний/нижний, очарованный/странный, истинный/прелестный. Нейтрон состоит из одного верхнего и двух нижних кварков; протон из одного нижнего и двух верхних.
Далее идут так называемые лептоны, и снова парами: электрон, мюон и тауон (обычно его называют просто тау) вместе с соответствующими нейтрино. Самое первое нейтрино теперь называется электронным и образует пару с электроном. Все вместе эти двенадцать частиц называются фермионами в честь выдающегося американского физика итальянского происхождения Энрико Ферми.
Оставшиеся четыре частицы имеют отношение к силам, а значит, удерживают вместе всю остальную материю. Физики выделяют четыре основных силы природы: гравитацию, электромагнетизм, сильное ядерное взаимодействие и слабое ядерное взаимодействие. Пока что вписать гравитацию в квантовомеханическую картину не удалось, поэтому в стандартной модели она не играет никакой роли. Остальные три силы связаны с особыми частицами, которые называются бозонами в честь индийского физика Сатьендры Ната Бозе. Различие между фермионами и бозонами играет важную роль, так как эти частицы обладают различными статистическими свойствами.
Четыре бозона выступают в качестве «посредников» соответствующих взаимодействий по аналогии с тем, как два игрока в теннис держатся вместе, благодаря тому, что их внимание приковано к мячу. Посредником электромагнитного взаимодействия служит фотон, посредником слабого ядерного взаимодействия Z-бозон и W-бозон, а посредником сильного глюон. Это и есть стандартная модель: двенадцать фермионов (шесть кварков и шесть лептонов) удерживается вместе четырьмя бозонами.
Всего шестнадцать фундаментальных частиц.
Ах да, еще бозон Хиггса семнадцатая фундаментальная частица.
Конечно же, при условии, что этот легендарный Хиггс (как его называют в разговорной речи) действительно существует. До 2012 года он существовал только в теории.
Несмотря на свои успехи, стандартная модель не в состоянии объяснить наличие массы у большинства частиц (масса здесь понимается в особом узкоспециальном смысле). Хиггс приобрел известность в 1960-х, когда некоторые из физиков поняли, что бозон, обладающий необычными свойствами, мог бы объяснить один из важных аспектов этой головоломки. Одним из них был Питер Хиггс, который рассчитал некоторые свойства этой гипотетической частицы и предсказал ее существование. Бозон Хиггса создает одноименное поле море бозонов Хиггса. Главное необычное свойства поля Хиггса заключается в том, что его сила отлична от нуля даже в пустом пространстве. Когда частица движется в таком всепроникающем поле, она вступает с ним во взаимодействие, результат которого можно интерпретировать как массу. В качестве аналогии можно привести ложку, которая движется сквозь патоку, хотя в таком случае масса неверно отождествляется с сопротивлением, и сам Хиггс критически отнесся к подобной интерпретации своей теории. Другая аналогия рассматривает Хиггс в качестве знаменитости, вокруг которой на вечеринке собираются поклонники.
Существование (или отсутствие) бозона Хиггса было главной, хотя и далеко не единственной причиной вложить миллиарды евро в строительство БАК. В июле 2012 года эти расходы должным образом окупились, когда две независимые группы экспериментаторов объявили об открытии ранее неизвестной частицы. Ей оказался бозон с массой около 126 ГэВ (миллиардов электронвольт это стандартная единица измерения, которая используется в физике элементарных частиц), причем результаты наблюдений соответствовали предположению Хиггса в том смысле, что значения параметров, поддающихся измерению, совпали с предсказанными.
Долгожданное открытие бозона Хиггса при условии, что оно не будет опровергнуто завершает стандартную модель. Оно стало возможным, благодаря большой физике, и отражает одно из важнейших достижений БАК. Тем не менее, на сегодняшний день его основная роль ограничивается теоретической физикой. Существование Хиггса не оказывает заметного влияния на другие области науки, которые действуют из предположения, что у частиц уже есть масса. Таким образом, можно возразить, что, потратив точно такую же сумму на менее зрелищные проекты, можно было бы почти наверняка получить результаты с большей практической ценностью. Однако природа Огромных Штук такова, что если деньги не тратятся на них, то более мелкие научные проекты тоже остаются ни с чем. Мелкие проекты, в отличие от больших, не способствуют столь эффективному карьерному росту в среде бюрократов и политиков.
Открытие бозона Хиггса иллюстрирует некоторые из основных вопросов научного мировоззрения и природы научных знаний. Реальным доказательством существования Хиггса служит крошечный всплеск на статистическом графике. Какой смысл стоит за нашей уверенностью в том, что этот всплеск действительно представляет собой новую частицу? Ответ требует крайне специализированных знаний. Непосредственное наблюдение бозона Хиггса невозможно, так как он спонтанно и очень быстро распадается на целый рой других частиц. Столкнувшись с третьими, они создают грандиозную неразбериху. Чтобы выделить из нее характерные признаки бозона Хиггса, требуются хитроумные математические выкладки и очень быстрые компьютеры. Чтобы исключить случайные совпадения, нужно зафиксировать большое количество подобных событий. Так как они происходят довольно редко, этот эксперимент требует многократного повторения, а его результаты тщательно продуманного статистического анализа. И только после того, как шансы случайного всплеска упадут ниже одной миллионной, физики смогут позволить себе выразить уверенность в существовании Хиггса.
Мы говорили о единственном бозоне Хиггса, но есть и альтернативные теории с несколькими хиггсоподобными частицами то есть восемнадцатью фундаментальными частицами. Или девятнадцатью, или двадцатью. Но теперь мы, по крайней мере, знаем о об одной из этих частиц, в то время как раньше само их существование находилось под вопросом.
Понимание этих проблем требует значительного опыта в эзотерических областях теоретической физики и математики. Сложности возникают даже при попытке разобраться в упомянутом аспекте «массы» и понять, к каким частицам его можно применить. Для успешного выполнения эксперимента нужны не только глубокие познания в экспериментальной физике, но и целый ряд инженерных навыков. Даже само слово «частица» несет узкоспециализированное значение, которое совсем не похоже на простой и понятный образ крошечного шарикоподшипника. Каким же образом ученые могут претендовать на «знание» устройства Вселенной в таком мелком масштабе, что ни один человек не способен наблюдать ее непосредственно? Совсем другое дело посмотреть в телескоп и, подобно Галилею, увидеть, как вокруг Юпитера вращаются четыре более мелких небесных тела; или заглянуть в микроскоп и узнать, что живые существа состоят из крошечных клеток, как это сделал Роберт Гук. Факты, говорящие в пользу Хиггса, как и многих фундаментальных аспектов науки, не лежат на поверхности.
