В соответствии со Стандартной Моделью элементарных частиц и взаимодействия между ними механизм, предложенный британским физиком Питером Хиггсом, придает массу таким частицам как электроны и кварки. Подтверждение этого механизма в эксперименте ответит на один из самых важных вопросов сегодняшней физики – откуда берется масса?

Ученые возлагали большие надежды на Большой адронный коллайдер, построенный в Европейском центре ядерных исследований (CERN) на границе Франции и Швейцарии. Однако после нескольких пробных запусков в августе и официального открытия в сентябре прошлого года ускоритель вышел из строя и не возобновит работу до нынешней осени.

В то же время, европейские исследователи уже обнаружили, что бозон Хиггса должен «весить» более 114 ГэВ/с2 и менее 185 ГэВ/с2. Суть открытия, сделанного в Лаборатории Ферми (Фермилаб), заключается в том, что в диапазоне 160–170 ГэВ/с2 бозон Хиггса искать не стоит. К данному выводу совместными усилиями пришли две научные группы, работавшие на исполинском ускорителе протонов и антипротонов Теватрон (и проанализировавшие результаты столкновений огромного массива элементарных частиц).

В Национальной лаборатории ускорителей имени Ферми выполнены очень трудоемкие эксперименты, которые позволили с беспрецедентной точностью измерить массу заряженных промежуточных векторных бозонов. Эта информация впервые была обнародована 8 марта на состоявшейся в Италии международной встрече специалистов по физике элементарных частиц. Она также содержится в сообщении для прессы, которое также опубликовано на сайте «Фермилаб».

Промежуточные векторные бозоны переносят слабые взаимодействия между элементарными частицами, которые, в частности, несут ответственность за бета-распад атомных ядер. Они либо электрически нейтральны, либо несут по одной элементарной единице положительного или отрицательного электрического заряда. Нейтральные частицы этого типа обозначаются латинской буквой Z, а заряженные – буквой W (точнее, в соответствии с их знаком, W+ и W-).

Физики из «Фермилаб» использовали для уточнения массы W бозонов реакцию распада бозонов. Они работали на 5500-тонном детекторном комплексе DZero, которым оснащен находящийся в Фермилаб ускоритель Тэватрон. Анализируя распады отрицательных векторных бозонов на электроны и антинейтрино, ученые определили их массу с точностью до одной двадцатой процента. По последним данным, масса W- равна 80,401 миллиардов электронвольт с возможной ошибкой в ту или сторону в 44 миллиона электронвольт. Положительный векторный бозон W+ является античастицей своего отрицательного собрата W- и потому обязан иметь в точности ту же самую массу. Стоит отметить, что нейтральные Z бозоны почти на 15% тяжелее.

Новое измерение массы W бозона поможет в охоте на все еще неуловимый бозон Хиггса. Об этой частице стоит поговорить отдельно. Согласно общепринятой модели элементарных частиц, переносчики слабого взаимодействия, W и Z бозоны, тесно связаны с фотонами, носителями электромагнитных сил. Однако промежуточные векторные бозоны по меркам микромира имеют огромную массу (так, W бозон примерно в 85 раз тяжелее атома водорода), в то время как масса покоя фотона равна нулю. Это противоречие, естественно, требует объяснения.

Большинство физиков полагает, что за различие в массах фотонов и векторных бозонов отвечает так называемый механизм Хиггса, который был теоретически описан 45 лет назад. Он постулирует существование особого скалярного поля, пронизывающего все пространство и в чем-то напоминающего эфир, столь любимый физиками 19 веке. Все частицы за исключением фотонов и гравитонов приобретают массу просто потому, что это поле сопротивляется их движению. Согласно этой модели, то, что мы считаем массой – просто результат трения частиц о хиггсовское поле. Его кванты должны проявлять себя в виде сильно нестабильной частицы, хиггсовского бозона. Вычисления показывают, что его масса, по всей видимости, лежит в диапазоне 115–190 миллиардов электронвольт.

Питер Хиггс, профессор Эдинбургского университета (фото Science Photo Library)

Механизм Хиггса – это пока только теоретическая модель, хотя и очень убедительная. Чтобы доказать его реальность, надо обнаружить хиггсовский бозон, который известный американский физик Леон Ледерман когда-то окрестил «божественной частицей». Экспериментаторы пытаются это сделать много лет, но пока безуспешно. Для облегчения поисков ученые стараются как можно надежней оценить массу хиггсовского бозона, которая пока вычисляется с большим разбросом. А ее значение сильно зависит от массы W бозона. Именно поэтому любое уточнение массы W бозона имеет шансы приблизить открытие заветной «божественной частицы». Судя по всему, эти дорогие «игры» стоят свеч.

Евгений Биргер