МС квадрат!» — ответили физики и попросили денег на очень большой ускоритель. На нем электроны разгонялись так, что им удавалось залезть внутрь протона и нащупать те самые кварки.
Это была победа! Физики (Вайнберг, Салам и другие) придумали теорию, назвав ее Стандартной Моделью. Теория объяснила «строение» всех известных частиц и их взаимодействий. «Физика кончилась?» — облегченно спросили чиновники. «Нет!» — вздохнули физики. Осталась еще непонятная гравитация, темная материя, темная энергия и много другого, в частности, почему у частиц есть масса. Впрочем, почему у частиц есть масса физики понимали, но не очень. В их уравнениях получалось, что частицы невесомы, а масса появляется из-за взаимодействия с неким таинственным полем.
Это поле называется полем Хиггса. Почему Хиггса, я не понимаю. В 60-х годах прошлого века было еще минимум четыре физика, понявших, что с массой дела обстоят неважно и нужно что-то придумывать. Вообще-то, это поле надо называть полем Браута-Энглера-Хиггса-Хейгена-Киббла. Но, наверное, «поле Хиггса» звучит красивее.
Что это за поле и какое отношение оно имеет к массе?
А вообще, что такое масса? Вот мы пинаем легкий футбольный мяч, он быстро ускоряется и летит с бешеной скоростью. А потом пинаем большой камень, он ускоряется неохотно, летит низёхонько и не очень быстро. Это оттого, что у них разная масса. Чем больше масса, тем труднее разогнать тело.
Вроде все понятно, как-никак в школе законы Ньютона все учили. Но вот другой пример. Мы одели кроссовки и побежали по дорожке в парке. Быстро набрали свои десять километров в час, наслаждаемся вентиляцией легких и укреплением здоровья. А теперь мы зашли по пояс в воду и тоже пробуем бежать. Не тут-то было! Такое чувство, что мы весим не 70 кг, а все 300! Сопротивление воды мешает нам разгоняться, что очень похоже на увеличение массы.
— В мире частиц все так и происходит, — сказал Хиггс. — Частицы невесомы, но они преодолевают сопротивление поля имени меня, что и делает их тяжелыми в неповоротливыми.
— Еще одно поле! — возмутились редакторы журнала Physics Letters, куда Хиггс в 1964 году послал свою статью. — Ты бы хоть что-нибудь предсказал для приличия!
И завернули статью на доработку. Хиггс дописал, что это поле возможно проявится, если будут найдены его кванты — бозоны. После этого статью приняли. Одновременно с Хиггсом на эту тему думали другие физики, но Хиггс этого не знал.
Что такое квант поля? Ну, это элементарно! Есть электромагнитное поле. Его квант называется фотон. Он частица и волна одновременно. Непонятно? Мне тоже. Как и всем остальным. Но так устроен мир. Вот летит фотон — он же волна. Плоская такая, простирается от края до края бездны. Потом эта волна касается поверхности чего-нибудь, мгновенно локализуется и «ударяет» как частица в один единственный электрон. Что значит «мгновенно локализуется»? Вот то и значит! Так уравнения гласят, и не надо задавать лишних вопросов. Эйнштейн тоже этого не понимал, но получил Нобелевскую премию как раз за эти частицы-кванты.
Понимаем мы или не понимаем — неважно. Главное, что физики точно знают, что если есть поле, то у этого поля есть кванты. Называй их сгустками поля, или еще как — это вопрос к нашему воображению, которое не работает в микромире. Если «заглянуть» в микромир с нашими представлениями, то там вообще сплошная пустота. Была надежда на твердые протоны с нейтронами, да и то оказалось, что там кроме трех малюсеньких кварках ничего нет. А если внутрь кварка заглянуть, то вообще жить расхочется. Возможно и там пустота, где только невесомые микрочастицы иногда радуют глаз усталого путешественника в микромир. Из пустоты мы пришли, в пустоте живем, в пустоту вернемся.
Итак, есть некое поле Хиггса, которое тормозит все частицы и у них появляется инерция — сопротивление прилагаемой силе. И это мы называем массой. И у этого поля, как у всех полей, есть кванты, называемые бозонами Хиггса.
Почему бозоны? Так называются все частицы, которые обеспечивают взаимодействие между другими «нормальными» частицами, называемыми фермионами. Это названия от фамилий великих физиков — Бозе и Ферми. Кварки, электроны, мезоны — это все фермионы. А фотоны — бозоны. Эти участвуют во взаимодействии заряженных частиц. Вот встретились два электрона, которым положено отталкиваться, потому что у них у обоих отрицательный электрический заряд. Физики выяснили, что это отталкивание происходит с помощью фотонов — квантов электромагнитного поля. Один электрон испускает эти кванты, второй поглощает. В результате получается отталкивание. Непонятно? Ага, непонятно, но так устроен и работает микромир. И это доказано. Просто надо радоваться, что мы теперь знаем, что есть «нормальные» частицы—фермионы и есть частицы-бозоны, которые обеспечивают взаимодействие между «нормальными» частицами.
Хорошо, пойдем дальше. У фотона нет массы в нашем понимании. Он ускоряется мгновенно и, поэтому, сразу летит с максимальной скоростью — скоростью света. Как, спросите вы. Энергия есть, а массы нет? А как же Е = МС квадрат? Правильный вопрос. У фотона нет массы покоя, вся его энергия «кинетическая». Он живет, пока летит. И не спрашивайте меня больше об этом. Так все устроено и так все вычисляется.
А как же фотон летит через поле Хиггса, которое заполняет всю нашу вселенную? Разве поле его не тормозит? Нет, не тормозит. Плевать фотону на это поле. Он с ним не взаимодействует.
А как насчет бозона Хиггса? Он тоже летит аки камень из пращи в ночи через поле своего имени? Нет! Он взаимодействует. Поле его тормозит и это означат что у бозона есть масса. Ее можно измерить, если удастся получить этот бозон.
Вот теперь мы переходим к самому волнующему. Как обнаружить бозон Хиггса и, тем самым, доказать, что мы все живет в поле Хиггса.
Для этого нам нужно разогнать протоны во встречных пучках и смотреть, что получается в результате их столкновений. Скорости протонов должны быть близки к скорости света, чтобы удар сильным настолько, что в результате родились бы все частицы, которые нам известны. В том числе бозоны Хиггса. А чтобы разогнать протоны до такой скорости, нужен огромный ускоритель. Существующие ускорители не обладали нужной энергией.
Американские физики решили всех опередить и предложили в 1986-м году проект огромного протонного коллайдера (столкновителя) со сверхпроводящим магнитами. В Европе уже поговаривали о строительстве похожего коллайдера немного меньшей мощности, но достаточного для обнаружения пресловутого бозона. Американский проект был таким дорогим, что последнее решение было за президентом. Рональд Рейган посмотрел на стоимость проекта и вздохнул. «Господин президент, — сказали физики. — Это ведь прорыв! Мы докажем, что нас окружают не только гравитационные и электромагнитные поля, но и новое поле Хиггса. Мы должны быть первыми, не опозорить память первопроходцев, покорителей прерий и Скалистых гор». Рейгану это понравилось. Он процитировал Джека Лондона, что «лучше путь я буду пеплом, чем пылью», и подписал бумагу.
Строительство началось в Техасе. Этот штат выделил миллиард, чтобы коллайдер был на их территории. Другие штаты обиделись и стали противниками проекта. Физики обратились за помощью к физикам других стран, но получили отказ. Правительства не захотели давать деньги на проект, который бы прославил Америку. «Это не международный проект», — говорили они. Буш, уроженец Техаса, как мог поддерживал проект, но когда пришел Клинтон, то дело совсем застопорилось. У коллайдера появился соперник — проект по Международной космической станции стоимостью 25 миллиардов долларов. Палата представителей проголосовала в поддержку космического проекта, и выделила физикам деньги только на консервацию прорытых туннелей и зданий коллайдера.
В Европе дела шли более успешно. Физики получили 15 миллиардов и в 2000 году начали переделывать свой старый коллайдер в БАК — Большой адронный коллайдер. В 2008 году там столкнулись первые протоны.
Почему коллайдер называется адронным? Слово «адрон» придумал советский физик Лев Окунь. Это название всех тяжелых частиц, состоящих из кварков. Протоны — это тоже адроны.
Коллайдер сначала поработал, на через 9 дней была пробита
