Что может означать открытие частицы Хиггса?

   Сфера исследований Стивена Вольфрама включает математику, физику и компьютерные технологии. В начале своей карьеры он уделял основное внимание физике элементарных частиц, затем создал получившую широкое применение компьютерную алгебраическую систему Mathematica, а еще позже – информационно-поисковую систему Wolfram Alpha. Он также написал работу «A New Kind of Science» («Новый вид науки»), посвященную исследованию простых вычислительных систем, таких как клеточный автомат. В настоящее время Стивен Вольфрам занимает пост Председателя правления Wolfram Research.

   Вчера поздно ночью сообщили о получении экспериментальных доказательств существования частицы Хиггса. Это сообщение ставит точку в развитии темы, за которой я наблюдал (а порой и участвовал в ней) на протяжении сорока лет. Я вновь почувствовал себя подростком. Открыли новую частицу! При этом вопросы, которые мне хочется задать сейчас, те же, что я задал бы в 15 лет: «Какова ее масса?», «Какой канал распада?», «Каков общий размер?», «Сколько сигма-связей?», «Сколько актов взаимодействия?»

   Подростком я ощущал какую-то личную связь со всеми этими частицами, перечислявшимися в маленькой книге об их свойствах, которую я всегда носил с собой. С пионами, каонами, лямбда частицами, f-мезонами и так далее. В каком-то плане картина эта являла полную мешанину: сотни видов частиц, со всеми возможными свойствами и отношениями. Но были теории, много. Кварковая модель. Теория Редже. Калибровочные теории. Теория S-матрицы. Было непонятно, какая из них верна. Одни казались примитивными  и утилитарными, другие – глубокими. Иные были ясными, но скучными. Иные казались неестественными. Некоторые были математически изысканными и элегантными, остальные – нет.

   Однако к середине семидесятых физики пришли к тому, что стало называться «стандартной моделью». Из всех вариантов за основу, вероятно, была взята самая простая теория. Она казалась слегка натянутой, но лишь слегка. В ней присутствовала сложная математика, но не самая глубокая и не самая утонченная. Однако из всех теорий-кандидатов она в большей степени позволяла делать вычисления в явном виде. Фактически, именно их выполнение в итоге привело меня к Mathematica. Но в то время казалось, что сам факт трудоемкости вычислений придавал теории больше значимости и содержательности.

   По крайней мере, в ранние годы еще были сюрпризы. В ноябре 1974-го сообщили об открытии частицы J/psi. Вопросы при этом задавались те же, что и сегодня, начиная с «какова масса?» (у этой частицы она составляла 3.31 гигаэлектрон-вольт; у нынешней - 126 ГэВ). Но, в отличие от частицы Хиггса, появление частицы J/psi почти для всех было полной неожиданностью. Поначалу было даже непонятно, что это, собственно, такое? Было ли это проявлением чего-то действительно важного и захватывающего? Или, в каком-то смысле, - всего лишь повторением того, что уже видели раньше?

   В моей первой опубликованной статье (плод лихорадочного труда, законченный в Рождество 1974-го, вскоре после того, как я отметил пятнадцатилетие) содержались мысли как раз о том, что данная частица и некоторые явления, с ней связанные, возможно, говорят о существовании субструктуры в электроне. Однако, какой бы увлекательной ни была теория, природа, увы, не обязана ей следовать. Например, в данном случае. Чудесные феномены имели объяснение куда более тривиальное. Оказалось, они связаны с дополнительным (четвертым) типом кварка (известным как кварк С или очарованный кварк). В последующие годы сюрпризы продолжились. Исследования показали, что существует более тяжелый аналог электрона и мюона – тау-лептон. Затем, в июле 1977 года последовало еще одно «внезапное открытие», сделанное в Fermilab: на этот раз частицы, в основе которой лежит b-кварк. Так вышло, что лето 1977 года я провел в Национальной лаборатории Аргонн, недалеко от Fermilab. И я очень хорошо помню довольно безразличную реакцию ученых на новейшее открытие. Что-то вроде «ну да, открыли новую частицу, да, внезапно. А сколько еще впереди!».

   Оказалось, однако, все иначе. Прошло 35 лет, а никаких новых сюрпризов в мире частиц и вокруг него так и не появилось. (Открытие массы нейтрино, а также некоторые открытия в области космологии можно считать исключениями). Исследования и эксперименты, конечно же, помогли сделать новые открытия - бозоны W и Z, справедливость теории квантовой хромодинамики, верхний кварк. Но все эти открытия были вполне ожидаемы в рамках «Стандартной модели», здесь не было никаких сюрпризов.

   Нет необходимости говорить, что подтверждение прогнозов «стандартной модели» не всегда было простым делом. Я сам несколько раз побывал «на линии фронта». К примеру, в 1977 году я вычислил показатели, которые «стандартная модель» прогнозировала в области коэффициента выработки очарованных частиц при протон-протонных столкновениях. Однако ключевой эксперимент, проведенный в то время,  показал, что фактический коэффициент значительно ниже. Я потратил массу времени, пытаясь выяснить, где именно закралась ошибка - то ли в мои вычисления, то ли в саму теорию. В конце концов, в один момент, - очень важный для моего понимания метода - выяснилось, что неверной была не теория, а сам эксперимент.

   В 1979 году, когда я находился «на передовой», среди ученых, занятых «открытием глюона», произошла, можно сказать, противоположная вещь. Убежденность в истинности «стандартной модели» к тому моменту была настолько сильна, что выводы из экспериментов делались излишне поспешно, порой еще прежде корректных вычислений. В конце концов все вновь закончилось хорошо (и метод, который я изобрел для анализа экспериментов, до сих пор активно применяется).

   К 1981 году я начал постепенно отдаляться от физики элементарных частиц - передо мной замаячили задачи куда более фундаментальные. Однако я по-прежнему следил за тем, что происходит в этой области. И по-прежнему радовался известиям об очередном открытии, которое, казалось, шло вразрез со «стандартной моделью» или было необъяснимо с ее точки зрения. Правда, в конце концов все оказывалось сплошным разочарованием. Каждое новое открытие вызывало вопросы, остающиеся без ответов. А в последние годы проявилась их какая-то подозрительная взаимосвязь со сроками финансирования. И всякий раз какое-то время спустя открытие таяло само собой, оставляя лишь голую «стандартную модель» и никаких сюрпризов.

   И только одна загадочная тема постоянно висела в воздухе – та самая частица Хиггса. Оставалось неясным, что именно она собой представляет, но если «стандартная модель» была верна, она должна была существовать.

   Для меня лично частица Хиггса (и связанный с нею механизм Хиггса) всегда были чем-то вроде неудачной мистификации. Основой «стандартной модели» стала чистая с точки зрения математики теория, утверждающая, что любая частица совершенно не имеет массы. Однако почти все частицы (кроме фотона) имеют массу, не равную нулю. Цель механизма Хиггса – объяснить это, не разрушая привлекательные черты исходной математической модели.

   Вот как это происходит в общих чертах. Каждый тип частицы в «стандартной модели» ассоциируется  с волнами, распространяющимися в поле – подобно тому, как фотоны ассоциируются с волнами, распространяющимися в электромагнитном поле. Однако почти для всех типов частиц средняя величина амплитуды основного поля равна нулю. Но в отношении поля Хиггса подразумевается нечто иное. Допускается, что существует нелинейная неустойчивость, встроенная в математические уравнения, которые ею управляют, что приводит к ненулевому среднему значению для поля во всей Вселенной.

   Затем допускается, что все типы частиц непрерывно взаимодействуют с этим фоновым полем – таким образом, будто бы у них есть масса. Но какая масса? Она определяется интенсивностью взаимодействия частицы с фоновым полем. А это, в свою очередь, определяется параметром, который вводится в модель. Таким образом, чтобы получить массы наблюдаемых частиц, надо ввести один параметр для каждой частицы, а затем, приспособив его, получить массу частицы.

   Сама идея может показаться натянутой. Но до какого-то уровня она «выносима». Было бы неплохо, если бы теория [«стандартная модель»] предсказывала массы частиц. Но так как она этого не делает, вводить их значения как силу взаимодействия представляется вполне правомерным.

   Есть еще одна проблема. Чтобы та или иная частица могла получить массу, фоновое поле Хиггса, существующее во всей Вселенной, должно обладать невероятно большой плотностью энергии и массы, ведущей к огромному эффекту гравитации – достаточному для того, чтобы свернуть Вселенную в маленький шарик. Дабы избежать этого, следует предположить, что существует параметр («космологическая константа»), встроенный прямиком в фундаментальные уравнения гравитации, который нейтрализует до невероятно высокой точности эффекты энергии и плотности массы, ассоциирующиеся с фоновым полем Хиггса.

   И, если это не выглядит слишком невероятным, могу сказать, что примерно в 1980 году я заметил кое-что еще: эта хрупкая комбинация не смогла бы выжить в условиях высокой температуры Вселенной времен «Большого взрыва». Получается, что в расширении Вселенной имеется некий сбой. Согласно моим вычислениям, сбой этот не слишком велик – но расширение границ теории некоторым образом привело к возможности огромного сбоя и, фактически, ранней версии сценария расширяющейся Вселенной.

   Итак, в 1980 году казалось, что если все в порядке со «стандартной моделью», частица Хиггса в скором времени должна объявиться. Предполагалось, что масса ее составит примерно 10 ГэВ (то есть примерно 10 масс протона), что позволит обнаружить ее в текущем или следующем поколении ускорителей частиц. Всякий раз при постройке нового ускорителя начинались разговоры о том, как он сейчас наконец-то позволит найти частицу Хиггса. Но частица Хиггса так и не объявлялась.

   В 1979 я занимался темой возможных масс частиц согласно «стандартной модели». Нестабильность поля Хиггса, используемого для генерирования массы, несла в себе риск нестабильности для всей Вселенной. И, по моим расчетам, именно это и произошло бы, если бы существовали кварки с массой, превышающей 300 ГэВ. Отсюда у меня развился повышенный интерес к верхнему кварку, который, по идее, должен был существовать, но в то время не был открыт. А в 1995-м году, он, наконец, появился – с массой в 173 ГэВ - оставляя, на мой взгляд, поразительно узкую границу, отделяющую нас от тотальной нестабильности Вселенной.

   Масса частицы Хиггса сначала оценивалась очень неопределенно («менее 1000 ГэВ» и т.п.). Постепенно, однако, она стала казаться все более и более плотной. И к прошлому году, после огромной работы, ученые, наконец, с большей или меньшей вероятностью определили, что масса должна колебаться в пределах от 110 до 130 ГэВ. То есть нынешнее заявление о доказанной массе частицы Хиггса, равной 126 ГэВ, уже не вызывает удивления. Между тем произошло нечто очень важное, поставлена точка в сорокалетних сомнениях.

   Хотя, признаюсь, я немного разочарован. Я никогда не делал секрета – в том числе и от самого Питера Хиггса – из того, что механизм Хиггса мне не особенно нравится. Мне всегда в нем виделась некая банальность. Я надеялся, что в конце концов мы обнаружим что-то более изящное и глубокое, отвечающее за такие фундаментальные вещи, как масса частиц. Однако сама природа, похоже, решила не мудрствовать и предложить решение, выглядящее прозаично – а именно, механизм Хиггса в «стандартной модели».

   Стоило ли тратить более 10 миллиардов долларов для того, чтобы сделать подобное открытие?  Я убежден, что да. Пусть открытие и не самое захватывающее. Но заранее быть уверенными в таком результате было абсолютно невозможно.

   Может быть, я слишком привык к нынешней индустрии, когда технологическими корпорациями постоянно тратятся  миллиарды долларов. Поэтому мне кажется, что потратить всего $10 млрд. на такое значительное продвижение в изучении основной теории физики – неплохая сделка.

Питер Хиггс

   Я думаю, что это событие достойно уважения хотя бы потому, что поднимает самооценку нашего биологического вида: вот уже сотни лет мы непрерывно добиваемся постоянного прогресса в понимании того, как устроена наша Вселенная. Есть что-то облагораживающее в международном сотрудничестве ученых, работающих в одном направлении.

   Вчерашнее ночное бдение в ожидании долгожданного заявления сильно напомнило мне детство. Почти 43 года назад, в Англии, я тоже не спал допоздна, чтобы увидеть, как Apollo 11 садится на лунную поверхность и астронавты ходят по ней (это показывали в «праймтайм» в Соединенных Штатах, но не в Европе). Однако должен отметить, что вчерашнее объявление «Это эффект 5 сигма!» звучало несравненно менее драматично, чем когда-то «Орел приземлился!». Хотя в обоих случаях речь шла о величайших событиях. Эксперименты в области физики элементарных частиц не имеют значимости космической миссии в глазах публики! Но мне все равно немного грустно, что во вчерашнем объявлении не было ощущения блеска и ликования, и я ничего не могу с этим поделать.

   Несомненно, за последние 30 лет физика элементарных частиц прошла сложный путь. В пятидесятые годы сохранялось некое ощущение продолжения Манхэттенского проекта и чувство благодарности к нему. Затем последовало фантастическое количество ярких открытий. К восьмидесятым физика элементарных частиц обрела статус устоявшейся академической дисциплины, но из нее началась очень сильная «утечка мозгов». И к 1993 году, когда был закрыт проект «сверхпроводящего ускорителя» («Суперколлайдера»), стало ясно, что физика элементарных частиц потеряла свое особенное место в мире фундаментальных исследований.

   Мне грустно на это смотреть. Посещая лаборатории после двадцатилетнего перерыва, я вижу, как разваливается на части инфраструктура, которая когда-то вибрировала от энергии. Конечно, достойно уважения, что, несмотря на весь этот упадок, физики упорно трудились и все-таки (предположительно) добыли частицу Хиггса. Однако мне показалось (и от этого чувства трудно отделаться), что от вчерашнего объявления исходили усталость и примирение…

   Видимо, я надеялся на нечто иное. Все произошло так, словно за 40 лет в этой ветви физики ничего не изменилось. Конечно, энергии частиц стали мощнее, детектор больше и информационная скорость выше. Но и только (разве что, появилось новое пристрастие к статистическим идеям, вроде р-величин). Не было даже визуализации заветной вспышки частиц, для реализации которой пригодились бы новейшие технологии, разработке которых люди вроде меня посвятили так много времени и сил. 

   И если «стандартная модель» верна, вчерашнее объявление вполне могло оказаться последним большим открытием в нашем поколении, сделанным в ускорителе частиц. Конечно, еще могут быть сюрпризы, но неясно, можно ли на это делать ставку.

Стивен Вольфрам

   Так стоит ли строить ускорители частиц? Как бы то ни было, ниточка знаний о том, как это делать, уже очень важна. Но достичь такой энергии частиц, когда, не в качестве сюрприза, а безусловно можно ожидать новых явлений и открытий – вот настоящая перспектива! Радикально новые идеи в области ускорения частиц (например, более высокие энергии для меньшего количества частиц) весьма многообещающи, хотя и рискованны. Я полагал так многие годы и сейчас в этом уверен.

   Приведут ли к новым технологиям будущие открытия в физике элементарных частиц? Несколько лет назад такие вещи, как «кварковые бомбы», казались вполне вероятными. Но не теперь. Да, можно использовать пучок частиц для радиационного эффекта. Но я определенно не надеюсь увидеть в ближайшем будущем мюонные компьютеры, антипротонные двигатели или системы нейтринной томографии. Или отыщется способ уменьшить размеры ускорителя частиц, и все изменится (что тоже не исключено).

   Больших технических результатов я скорее ожидаю от развития теории элементарных частиц, чем от экспериментов. Если кто-то поймет, как извлекать энергию из вакуума либо передавать информацию, опережая скорость света, это определенно случится благодаря применению теории в новых и неожиданных направлениях, но не вследствие конкретных экспериментов.

   «Стандартная модель» - точно не последнее слово в физике. Пробелы в ней не вызывает сомнений. Мы не знаем, почему параметры вроде массы частиц именно такие, а не другие. Мы не понимаем, как сюда вписывается гравитация. И мы не знаем многое о явлениях, обнаруженных в космологии.

   Но, предположим, мы нашли ответы на все эти вопросы. И что тогда? Тогда появятся новые пробелы, новые проблемы и новые слои физики.

   Раньше я это допускал. Но в работе «Новый вид науки» я высказал иную догадку. Вполне возможно, что все богатство окружающего нас мира появилось из некого одного основополагающего правила – какой-то скрытой теории – и что оно весьма просто. Можно искать различные пути к нему, но если правило это действительно простое, то нам принципиально не понадобится слишком много информации, чтобы открыть его.

   Я подозреваю, что в результате проведенных экспериментов мы уже знаем более чем достаточно для того, чтобы определить, что же именно представляет собой истинная высшая теория – если исходить из предположения, что теория эта действительно проста. Я не думаю, что эта теория укажет число измерений в пространстве и относительную массу мюон-электрона верно, а массу Хиггса или еще какую-нибудь пока неоткрытую деталь - неверно.

   Вероятнее, что сейчас сделают некое новое открытие, и оно прояснит для нас возможные черты высшей теории. Однако я действительно считаю, что мы теперь не особенно нуждаемся в новых экспериментах, и нам следует искать эту теорию в границах уже доступной информации. И во мне растет уверенность, что человеческие и компьютерные ресурсы, необходимые для длительного ведения такого исследования, будут стоить во много раз меньше, чем фактические эксперименты с ускорителями частиц.

   Может быть, в конце концов мы обнаружим (бросив ретроспективный взгляд в прошлое), что данные, позволяющие ухватить за хвост высшую теорию, имелись в нашем распоряжении еще 50 лет назад. Но тогда, вполне вероятно, опять появится желание провести новые эксперименты с ускорителем частиц. И будет стыдно, если к тому моменту в нашем распоряжении не окажется ни одного ускорителя в рабочем состоянии!

   Физика элементарных частиц была моим первым серьезным научным интересом. И теперь я испытываю удивительное ощущение, видя высоты, которых мы достигли спустя сорок лет. И я рад своей скромной причастности этому.

Источник: Wired.