Бозон Хиггса и осцилляции нейтрино Понтекорво

Питер Хиггс (слева), Герард ’т Хоофт (справа) и автор на конференции Европейского физического общества по физике высоких энергий (17-21 июня 2013 года Стокгольм, Швеция)

Прошедший 2013 год отмечен рядом знаменательных событий и дат. Только что мы праздновали славный 80-летний юбилей нашего родного физического факультета. Однако не только этим запомнится прошлый год. Год 2013 войдёт в историю физики как год хиггсовского бозона. В прошлом году, 8 октября, Питер Хиггс — британский теоретик, совместно с бельгийским коллегой франсуа Энглером получил Нобелевскую премию в области физики за теоретическое обоснование механизма возникновения масс у элементарных частиц. 22 августа 2013 года также отмечали 100-летний юбилей выдающегося отечественного ученого итальянского происхождения Бруно Понтекорво, который внес определяющий вклад в физику нейтрино. С 22 по 28 августа на физическом факультете проходила 16-я Ломоносовская конференция по физике элементарных частиц — одно из важнейших международных мероприятий — посвященная 80-летию физического факультета и 100-летию Бруно Понтекорво.

Совершенно удивительным образом перечисленные даты и события тесно связаны между собой. Подводя итоги ушедшего года и определяя дальнейшие перспективы развития важной «отрасли» современной науки, коей является фундаментальная физика элементарных частиц, кратко остановимся на перечисленных выше вопросах.

Безусловно, центральным событием прошедшего года явилось присуждение Нобелевской премии Хиггсу и Энглеру за «теоретическое открытие механизма, который обеспечил понимание происхождения масс элементарных частиц».

Питер Хиггс родился в 1929 году в Великобритании, член Лондонского королевского общества, сейчас является почетным профессором Эдинбургского университета. Бельгиец франсуа Энглер родился в 1932 году, многие годы работал в Брюссельском свободном университете, где и сейчас является почетным профессором. В конце 50-х начале 60-х годов Энглер работал в Корнелльском университете вместе со своим соотечественником и соавтором по «нобелевским» исследованиям Робертом Браутом, который, к сожалению, умер в 2011 году, не дожив до нобелевского триумфа совместного открытия. Интересно, что Хиггс и Энглер впервые за последние многие годы встретились на семинаре в ЦЕРНе в июле 2012 года, на котором было объявлено об обнаружении хиггсовского бозона (существование последнего следует из развитой ими теории) в экспериментах, параллельно проводящихся двумя коллаборациями atlaS и CmS на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе.

Научные исследования Хиггса и Энглера совместно с Браутом, отмеченные нобелевской премией, были выполнены в середине 60-х годов прошлого века. К тому моменту в физике элементарных частиц сложилась непростая ситуация, когда, благодаря значительному прогрессу в проведении экспериментов на ускорителях, был получен большой объём новой информации о взаимодействиях элементарных частиц, однако последовательной и непротиворечивой теоретической модели, описывающей частицы, не существовало. Одну из основных нерешенных проблем в то время представляла так называемая «проблема массы частиц». Суть её сводилась к следующему.

Вся логика развития физики элементарных частиц показывала, что должна существовать единая теоретическая модель, объединяющая возможно большее число различных типов взаимодействий. Как известно, существуют электромагнитное, слабое, сильное и гравитационное взаимодействия элементарных частиц. К началу 60-х годов были предложены несколько различных теоретических моделей, которые объединяли электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия. Однако все указанные модели обладали фатальным недостатком. Как только в рамках теоретической модели рассматривались взаимодействия массивных частиц, модели теряли предсказательную силу и смысл, так как в их рамках обнаруживались непреодолимые трудности, связанные с возникновением при проведении конкретных расчетов наблюдаемых в экспериментах физических величин бессмысленных выражений, содержащих нули в знаменателе. Это так называемые «расходимости», а соответствующие модели, обладающие подобными свойствами, называются «неперенормируемые».

Таким образом, существовала проблема непротиворечивой перенормируемой модели взаимодействия массивных частиц. Отметим, что важно, в случае безмассовых частиц проблема перенормируемости (т.е., непротиворечивости) благополучно решается. В связи с этим возникло понимание того, что следует каким-то образом разделить или упорядочить процедуры введения взаимодействия частиц и возникновения у частиц масс. В рамках такого подхода при построении теоретической модели частиц изначально вводится взаимодействие безмассовых частиц, а затем модель дополняется механизмом генерации масс при низких энергиях. Конкретная реализация данной схемы и является открытием новых нобелевских лауреатов Хиггса и Энглера (и соавтора последнего Браута).

Предложенная тремя учёными схема возникла не на пустом месте. П.Хиггс в своём докладе «Происхождение нового бозона» на открытии Международной конференции Европейского физического общества по физике высоких энергий (17-21 июля 2013 года, Стокгольм, швеция) подробно рассказал о предыстории совместного открытия нового механизма генерации массы и предсказанного им нового бозона, а также о важных работах предшественников.

Первая из упомянутых Хиггсом работ этого ряда под названием «Модели элементарных частиц, подобные теории сверхпроводимости» посвящена рассмотрению теоретических моделей элементарных частиц, демонстрирующих спонтанное нарушение симметрии, принадлежит нобелевскому лауреату йоичиро Намбу, японскому ученому долгие годы работающему в США.

Спонтанное нарушение симметрии — это один из ключевых принципов построения современных теоретических моделей взаимодействия частиц. Суть его заключается в том, что в качестве основания модели выбирается квантовая система, уравнения движения и соответствующий лагранжиан которой обладают определенной симметрией, а реальное физическое состояние системы, отвечающее частному решению уравнения движения, этой симметрией не обладает.

Наглядный пример спонтанного нарушения симметрии может представить классическая система, образованная пустой винной бутылкой с выпуклостью по центру донышка и шариком, помещенным точно на центр донышка. Исходно такая система обладает симметрией относительно вращения вокруг вертикальной оси, проходящей через центр донышка бутылки. Однако, после того как шарик опустили на центр выпуклости, он не удержится на ней и скатится в сторону ближе к стенке бутылки. То есть, конечное состояние изначально обладавшей симметрией системы является несимметричным.

Указанная выше работа Намбу инициировала появление в том же 1960 году работы английского физика Джеффри Голдстоуна, также посвященной рассмотрению теоретических полевых моделей с решениями, по типу совпадающих с решениями в моделях, которые описывают сверхпроводники. В этой работе было показано, что при спонтанном нарушении симметрии возникают безмассовые бесспиновые (скалярные) бозоны («голдстоуновские» бозоны).

Их работам предшествовали исследования, проведенные в другой области фундаментальной физики элементарных частиц. А именно, в феноменологической теории сверхпроводимости Гинзбурга-Ландау (1950 г.) и дальнейшем развитие микроскопической теории во второй половине 50-х годов в работах Бардина, Купера и шриффера (1957 г.) и Боголюбова (1958 г.).

Таким образом, к 1963 году, когда Хиггс, по его словам, приступил к своим исследованиям, возникновение не наблюдаемых в экспериментах «голдстоуновских» бозонов закрывало, казалось бы, навсегда использование механизма спонтанного нарушения симметрии при построении теоретических моделей взаимодействия элементарных частиц.

Однако в 1963 году появилась работа американского физика филиппа Андерсона, в которой было показано, что в сверхпроводнике «голдстоуновские» моды превращаются в массивные плазмоны благодаря электромагнитным взаимодействиям.

В исследованиях Хиггса и Браута-Энглера, отмеченных нобелевской премией, показано как образующиеся при спонтанном нарушении симметрии безмассовые «голдстоуновские» бозоны» исчезают из наблюдаемого физического спектра частиц, но при этом векторные поля (частицы) становятся массивными.

Любопытна предыстория появления термина «бозон Хиггса». Дело в том, что 24 июля 1964 года статья Хиггса «Нарушенные симметрии, безмассовые частицы и калибровочные поля» была принята для публикации в журнале Physics Letters. Затем Хиггс подготовил дополненный и расширенный вариант статьи под названием «Нарушенные симметрии и массы калибровочных бозонов» и направил её 31 июля в тот же журнал. Однако статья была отклонена редакцией. Раздосадованный таким решением редакции Хиггс решил, ничего не меняя в тексте, а лишь добавив в выводах указание на то, что его теория предсказывает существование нейтральной массивной скалярной частицы (т.е. хиггсовского бозона), направить статью для опубликования в другой авторитетный журнал Physical Review Letters, где она была принята к печати 31 августа 1964 года.

Интересно, что как раз 31 августа 1964 года в этом же журнале была опубликована статья Браута и Энглера «Нарушение симметрии и массы калибровочных векторных мезонов» (была направлена в редакцию 22 июня 1964 года), в которой также показано исчезновение безмассовых частиц и за счет этого возникновение массы у векторных полей. Поэтому представляется справедливым именовать механизм генерации масс частиц за счет исчезновения безмассовых «голдстоуновских» бозонов механизмом Браута-Энглера-Хиггса (Braut-engler-Higgs mechanism), а новую частицу, введённую Хиггсом, называть хиггсовским бозоном.

Механизмом Браута-Энглера-Хиггса явился краеугольным камнем сформулированной к концу 60-х годов в работах нобелевских лауреатов шелдона Глешоу, Стивена Вайнберга и Абдуса Салама теории взаимодействия частиц, объединяющей электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия, которая получила название Стандартной модели взаимодействия элементарных частиц.

Дальнейшим важным шагом в разработке данной модели явились исследования квантовой структуры электрослабых взаимодействий голландских физиков Герарда ’т Хоофта и Мартинуса Велтмана. В 1999 году они были удостоены Нобелевской премии за разработку математических методов устранения расходимостей в Стандартной модели, что позволило предсказать новые эффекты электрослабого взаимодействия, в частности, оценить массы промежуточных векторных W и Z-бозонов, предсказанных теорией и затем открытых экспериментально. Отметим, что первое доказательство перенормируемости теории полей Янга — Миллса, лежащих в основе современной калибровочной теории взаимодействий элементарных частиц, было дано Андреем Алексеевичем Славновым.

Таким образом, ушедший 2013 год, после экспериментального обнаружения хиггсовского бозона на Большом адронном коллайдере ЦЕРНА в 2012 году и присуждения Нобелевской премии Питеру Хиггсу и франсуа Энглеру триумфально венчает целую эпоху в фундаментальной физике элементарных частиц.

Этот факт нашёл своё отражение в научной программе проведенной на физическом факультете в прошлом августе 16-й Ломоносовской конференции по физике элементарных частиц. Данная серия конференция проходит в МГУ с 1992 года под патронажем ректора МГУ академика В.А. Садовничего. Мероприятие было посвящено 80-летию физического факультета и его подготовка и проведения активно поддерживались деканом физического факультета профессором Н.Н.Сысоевым.

16-я Ломоносовская конференция по физике элементарных частиц явилась важнейшим мировым научным событием 2013 года. В научную программу конференции вошло более 150 докладов известных ученые из 23 стран. Программа конференции охватывает актуальные проблемы физики элементарных частиц и высоких энергий, гравитации и космологии, и, конечно, центральное место в программе конференции было отведено бозону Хиггса.

Важнейшим научным событием конференции явилось обнародование в заключительном докладе профессора Митсуаки Нозаки (Национальная лаборатория физики высоких энергий — KeK, Япония) окончательного решения японского правительства о месте строительства будущего Международного линейного коллайдера (IlC), который должен быть введен в эксплуатацию после окончания работы Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе. В докладе было впервые объявлено, что Международный линейный коллайдер будет размещен в Китаками (департамент Тохоку). Данный глобальный проект должен открыть новую эпоху в физике элементарных частиц и будет определять развитие данной отрасли фундаментальной науки к середине XXI века.

Символично, что открытие 16-й Ломоносовской конференции состоялось 22 августа в день столетия со дня рождения всемирно известного ученого академика Бруно Максимовича Понтекорво (1913-1993), внесшего определяющий вклад в развитие физики нейтрино, и который более сорока лет работал в Объединенном институте ядерных исследований (Дубна) и почти 20 лет возглавлял кафедру физики элементарных частиц физического факультета МГУ. Можно утверждать, что именно Бруно Понтекорво открыл «окно» в новую физику за пределами Стандартной модели, теоретически предсказав явления смешивания и осцилляций между различными типами нейтрино — эффекта, который сейчас наблюдается в многочисленных экспериментах и который не может быть описан в рамках Стандартной модели.

Значительная часть конференции была посвящена обсуждению новейших достижений в физике нейтрино. И опять, говоря о триумфальном завершении почти полувековых исследований по теоретической формулировке и экспериментальной проверке Стандартной модели взаимодействий элементарных частиц, следует учитывать, что дальнейший прогресс в постижении фундаментальных основ мироздания теснейшим образом связан с развитием исследований в физике нейтрино.

Юбилей со дня рождения Бруно Понтекорво на конференции был отмечен проведением круглого стола на тему «Удивительное нейтрино: от Паули, ферми и Понтекорво до перспектив сегодняшнего дня». В завершении первого дня работы конференции также состоялся премьерный показ нового полнометражного художественно-публицистического фильма известного итальянского продюсера Джузеппе Муссарди «Максимович. жизнь Бруно Понтекорво». Специальный фрагмент фильма посвящен пребыванию Понтекорво на физическом факультете МГУ.

Ещё одним кульминационным событием конференции явился доклад директора Департамента науки и технологий Министерства образования и науки РФ С.В.Салихова, в котором был дан обзор и намечены перспективы важнейших международных проектов в области физики высоких энергий, участие в которых российских ученых осуществляется при значительной финансовой поддержке министерства.

Александр Студеникин, профессор кафедры теоретической физики, директор Научно-образовательного центра, «Лаборатория физики нейтрино и астрофизики имени Б.М.Понтекорво» физического факультета МГУ, член Научного совета РАН «Физика нейтрино и нейтринная астрофизика»

Назад