Неуловимая частица Бога

9 апреля 2024 года в возрасте 94 лет умер британский ученый Питер Хиггс, нобелевский лауреат по физике 2013-го. Его теоретические предсказания в области элементарных частиц нашли свое реальное подтверждение только спустя полвека.

Питер Хиггс предположил, что самые элементарные частицы нашего микромира обретают массу, взаимодействуя с некоторым квантовым полем. Иными словами, квантовое поле, впоследствии названное полем бозона Хиггса, образует некоторую субстанцию, которая из повседневной жизни чем-то отдаленно напоминает конденсат на дне бутылки. Электроны, мюоны, кварки, Z- и W-бозоны, двигаясь в этом конденсате, приобретают массу. Чем сильнее взаимодействие, тем тяжелее частица. Это явление, предсказанное Хиггсом, дало человечеству представление о фундаментальных свойствах материи.

Фактически Хиггс рассмотрел некоторое элементарное усложнение теории, которую разработали Виталий Лазаревич Гинзбург и Лев Давидович Ландау для описания свойств сверхпроводников. В их теории конденсат так называемых куперовских пар (полный аналог конденсата поля Хиггса) приводит к появлению эффективной массы у фотона, что имеет прямое отношение к эффекту Мейснера — невозможности проникновения магнитного поля внутрь сверхпроводника. Именно это явление лежит в основе того, что сверхпроводник может висеть над магнитом.

Элементарные частицы живут по отличным от мира макроскопических объектов законам просто по той причине, что сильно меньше привычных нам предметов. Эти частицы можно привести к единой системе, наподобие таблицы Менделеева. Она называется «Стандартная модель физики элементарных частиц», в которой частицы можно расположить в таблицу относительно их заряда, спина и массы. В ней было практически всё открыто к 1980-м, кроме бозона Хиггса. То есть не было объяснено одно из основных свойств — появление массы у самых элементарных кирпичиков мироздания.

При этом в Стандартной модели, помимо неделимых элементарных частиц материи, присутствуют частицы — переносчики различных взаимодействий. Для электромагнитного взаимодействия таким переносчиком служит фотон, который движется со скоростью света и не может иметь массы (если конечно не попадает в среду, такую, например, как сверхпроводник). Для слабого взаимодействия переносчиками являются Z-бозон и W-бозон. Причина, по которой у последних образуется масса, также была неясна. Их массу тоже объясняет конденсат поля Хиггса. Практически так же как в сверхпроводнике возникает масса у фотона.

Наличие бозона Хиггса (кванта поля Хиггса) очень долго не могли подтвердить экспериментально, так как он живет лишь микроскопические доли секунды. Ее удалось обнаружить только в 2013 году в ходе экспериментов на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН. После этого Питер Хиггс и получил Нобелевскую премию вместе с бельгийским коллегой Франсуа Энглером.

Экспериментальное подтверждение существования хиггсовского бозона окончательно закрепило Стандартную модель как верную теорию частиц материи и фундаментальных взаимодействий. Она объединяет слабые взаимодействия, которые отвечают за радиационные распады атомов, и электромагнитные взаимодействия, которые имеют повсеместное технологическое применение. Описал это другой великий ученый — Джеймс Клерк Максвелл. Его теория была выдвинута уже 150 лет назад и легла в основу развития радиоприемников, телефонов, телевизоров, геолокационных систем. На чем сейчас и стоит наша цивилизация.

Автор — заведующий кафедрой теоретической физики имени Л.Д. Ландау МФТИ

Позиция редакции может не совпадать с мнением автора