Бозониада: страсти по бозону Хиггса.

4 июля 2012 г. в ЦЕРНе состоялся специальный семинар, на котором от имени работающих на Большом адронном коллайдере (БАК) международных коллабораций ATLAS и CMS были сделаны два доклада о последних результатах по поиску бозона Хиггса. Предполагается, что бозоны Хиггса являются квантами особого поля, пронизывающего все пространство Вселенной и оказывающего сопротивление движению частиц, что трактуется как приобретение ими инертной массы. Этот механизм наделения частиц массой был предложен в 1964 году Питером Хиггсом и предполагает спонтанное нарушение симметрии электрослабого взаимодействия, возможное при особом (вырожденном) состоянии физического вакуума. Поиск бозонов Хиггса – главная задача БАК, поскольку без этих бозонов физика элементарных частиц теряет свой фундамент, а описывающая их полуэмпирическая Стандартная модель, содержащая около 20 взятых из эксперимента параметров, должна будет подвергнута радикальной ревизии. Эта интрига привлекает к бозону Хиггса интерес СМИ и внимание широкой публики.

Символично, что в отличие от предыдущих подобных семинаров на последний семинар был приглашен П. Хиггс и его коллеги, внесшие основной вклад в разработку этого механизма приобретения частицами массы. Это многие СМИ расценили как негласное подтверждение тому, что бозон Хиггса, наконец, обнаружен, и П. Хиггса ждет Нобелевская премия. Сами докладчики в своих оценках были скромнее, но и в их выступлениях сквозила мысль, что открытая частица с массой 125 ГэВ окажется именно бозоном Хиггса. Конкурирующая с БАК коллаборация лаборатории Ферми (Чикаго), работающая на коллайдере Тэватрон, сыграв на опережение, на семинаре 2 июля представила свои результаты. Она расценила их как убедительное доказательство существования бозона Хиггса, хотя они основывались на существенно менее значимых статистических данных. Создалось впечатление, что конкурирующие в поиске бозона Хиггса коллективы полны уверенности, что он, наконец, обнаружен. В неофициальных высказываниях руководители и ведущие исследователи были полны оптимизма, что величайшая проблема фундаментальной физики практически решена, но для надежности нужны еще некоторые исследования и набор статистических данных. Кто-то даже оценил вероятность ошибки в 0,01%. Эту позицию ищущих бозон Хиггса исследователей можно понять. Вера в его существование нужна для продолжения дорогостоящих исследований. Но и некоторые видные физики, не работающие в ЦЕРНе, разделяли оптимизм исследователей.

Эйфория, царившая на обоих семинарах, убедила СМИ, что усилия исследователей и средства налогоплательщиков не пропали даром: предсказанный великий прорыв к глубинному пониманию природы материи совершен. И лишь несколько СМИ прочли внимательно официальные материалы и обратили внимание, что открыт не бозон Хиггса, а "похожая" на него частица. Руководитель экспериментов коллаборации СМS, работающей на БАК, Джо Инканделло заявил, что "коллаборации удалось обнаружить частицу, подобную бозону Хиггса, но по некоторым параметрам она не совсем соответствует ожидаемому… Это может быть не бозон Хиггса Стандартной модели, а похожая на него частица. В ближайшее время БАК продолжит работу, и к концу года СМS рассчитывает утроить объем набранной на сегодня статистики. Тогда ученые смогут с уверенностью говорить о свойствах новой зарегистрированной частицы".

Через несколько дней после семинаров в СМИ стали появляться более осторожные высказывания экспертов и иные интерпретации полученных результатов. Трое физиков из Корнельского университета (США) посоветовали более осторожно объявлять о сенсационном открытии, "поскольку в настоящее время неопределенность в фактических данных слишком велика", чтобы делать окончательные заявления. А.Ростовцев из Института теоретической и экспериментальной физики (Москва) отметил, что "в некоторых случаях частица распадается совсем не так, как было предсказано".

Так что же получено на БАК, где исследовалось пять основных каналов распада новой частицы коллаборацией CMS и два канала коллаборацией ATLAS?

Главный итог не вызывает сомнений ни у кого: обнаружен новый бозон с массой около 125 ГэВ и спином 0 или 2. Но является ли он бозоном Хиггса, спин которого 0? Из известных фундаментальных частиц спин 2 только у гравитона. На этом основаны надежды, что спин новой частицы окажется нулевым.

Знание массы бозона Хиггса позволяет теоретически предсказать вероятности распада по всем пяти каналам и сравнить их с доложенными результатами. Согласно Стандартной модели, при массе 125 ГэВ наибольшей вероятностью (около 80%) обладает канал с образованием b-кварка и его антикварка. Затем с вероятностью около 10% должны образовываться пары W-бозон и его антибозон и -лептон со своей античастицей. Канал распада на два нейтральных Z-бозона имеет вероятность порядка 1%, а распад на два фотона – около 0,1%.

Результаты, доложенные CMS, следующие.

1) Обнаружены три канала распада на два бозона частицы, имеющей массу 125 ГэВ (коллаборация ATLAS приводит близкую массу -- 126,5 ГэВ). Это распады на два фотона, два Z-бозона и два W-бозона. Наилучшую статистику удалось набрать при распаде на два фотона, хотя этот канал имеет наименьшую теоретическую вероятность. Оказалось, что распад на два фотона идет с вероятностью, вдвое превышающей его теоретическое значение для бозона Хиггса Стандартной модели. Канал распада на два W-бозона не дал заметного превышения над фоном.

2) Главные для бозона Хиггса каналы распада на два фермиона оказались слабыми, как считается, из-за большого фона. Канал распада на два -лептона не проявился, но статистическая погрешность здесь велика, и делать вывод о его отсутствии преждевременно.

Из этих данных только при большом желании можно усмотреть, что новая частица является бозоном Хиггса. Возникает естественный вопрос: каким из бозонов? Стандартной модели или одного из ее многочисленных обобщений, возникших из-за неспособности Стандартной модели в рамках хиггсова механизма решить ряд важных проблем физики (доминирование вещества над антивеществом, существование темной материи, осцилляции нейтрино, огромный разброс масс фермионов и др.)? Выявленное на БАК существенное расхождение со Стандартной моделью сохраняет интригу. Зря С. Хокинг признал, что он проиграл пари.

За последние дни опубликованы десятки препринтов, в которых теоретики, делая новые предположения и гипотезы, стараются подогнать какой-то один из вариантов теории для объяснения полученных результатов. И это только начало. Возможно, кому-то удастся, придумав несколько гипотез, удовлетворительно описать результаты исследования пяти каналов распада обнаруженной частицы. Эти гипотезы станут рассматриваться как проявление новой физики. Но нет гарантий, что новые результаты не заставят от нее отказаться и сформулировать другие гипотезы новой физики. Если спин открытой частицы окажется нулевым, блуждание в лабиринтах "хиггсова мира" продолжится.

Концентрируя свое внимание на экспериментальном изучении каналов распада и подборе для них модели бозона Хиггса, фундаментальная физика движется в тупиковом направлении. И вот почему. Любая теория с бозоном Хиггса, претендующая на понимание природы инертной массы, должна давать ответы на главные вопросы: почему обнаруженный бозон имеет массу 125 ГэВ, а не какую-то иную, и как из этого значения массы получаются известные из эксперимента массы фундаментальных частиц, являющиеся сейчас параметрами Стандартной модели? Пока это не будет сделано, теория остается полуэмпирической, т.е. недостаточно глубокой, и говорить о хиггсовом механизме образования массы преждевременно. Открытая частица может по характеристикам распада быть "похожа" на бозон Хиггса какого-то варианта теории, но если теория неспособна ответить на эти (и перечисленные выше) вопросы, то к ней и к бозону Хиггса надо относиться как в поговорке: на безрыбье и рак рыба. Нельзя скидывать со счета существование другой, "похожей" на него, но "заурядной" частицы. Бозон Хиггса придуман для объяснения появления у частиц массы. Поскольку теория механизм Хиггса не позволяет без использования взятых из эксперимента параметров определять массы фундаментальных частиц, то она не может в принципе претендовать на понимание природы возникновения массы. Поэтому надо искать иной механизм ее возникновения, теория которого позволяет вычислять массы фундаментальных частиц без использования таких (по сути подгоночных) параметров. Сложившееся среди физиков мнение, что такой механизм сегодня неизвестен, ошибочно.

Его предлагает поляризационное обобщение Стандартной модели, разработанное в 2008 г. и оперирующее не двадцатью экспериментальными параметрами, а всего тремя мировыми константами и включающее гравитационное взаимодействие [1]. Поэтому целесообразно оценить полученные на БАК результаты с позиций поляризационной теории, согласно которой в бозоне Хиггса природа не нуждается. Фундаментальные частицы являются производными от планковской частицы с нулевым спином, масса которой известна с точностью несколько лучше 0,01%. Среди них есть неизвестные сегодня кандидаты на роль темной материи. Реальность этого механизма подтверждается хорошим согласием рассчитанных масс фундаментальных частиц с их экспериментальными значениями, являющимися параметрами Стандартной модели. Точность поляризационной теории образования массы частиц удивительна, можно сказать, беспрецендентна: вычисленная масса электрона, которая меньше массы планковской частицы на 22(!) порядка, согласуется с экспериментальным значением его массы в пределах погрешности массы планковской частицы. Эта точность оказалась возможной при учете новых физических полей (что является косвенным подтверждением их существования). Современная физика, ограничивающая себя всего четырьмя фундаментальными полями, их не знает. Это лишает ее "инструментов" для объяснения не только происхождения массы, но и множества других явлений природы, в которых скрыта новая физика. Ее поисками в микромире заняты экспериментаторы, работающие на БАК и Тэватроне. В поляризационной теории отсутствует не только бозон Хиггса, но и гипотетическая темная энергия, порождающая множество проблем. Недавно обнаруженное ускорение расширения Вселенной реализуется без нее, а рождение вещества доминирует над рождением антивещества. Наконец, возможны осцилляции нейтрино, имеющих нулевую массу. Это новая физика, дающая новое и более глубокое понимание природы материи, поскольку она не противоречит известным сегодня опытным данным и позволяет существенно расширить область применения фундаментальной физики. Поэтому странно видеть коллективное стремление пройти сквозь стену, когда рядом открыта дверь.

В поляризационной теории существует много неизвестных частиц, тем или иным образом проявляющих себя в исследуемом физиками релятивистском мире. Одной из них является скалярный бозон с массой 125,2 ГэВ. Он не является бозоном Хиггса, так как его спин равен 2. Эта частица образуется при поляризации 46 комбинированных полей (это новый тип полей), тогда как W- и Z-бозоны – при 47, а лептоны и кварки – при 71 комбинированных полях. С увеличением числа полей возрастает время образования соответствующих частиц, и, следовательно, снижается вероятность распада по бозонным и еще более сильно по фермионным каналам. Распад на два фотона не требует поляризации комбинированных полей. Поэтому этот канал может оказаться наиболее вероятным. Для рождения W- и Z-бозонов нужно образование одного комбинированного поля. Поскольку W-бозоны рождаются при поляризации электрического заряда, то следует ожидать, что вероятность распада по W-каналу будет ниже, чем по Z-каналу. Образование фермионов происходит при поляризации 25 комбинированных полей, что значительно увеличивает время образования фермионов и соответственно снижает вероятность распада на два фермиона. Поэтому если предположить, что найденной частицей является бозон с массой 125,2 ГэВ, то пять каналов его распада в порядке снижения вероятности реализации располагаются в следующем порядке: фотонный, Z-бозонный, W-бозонный, b-кварковый и -лептонный. Это соответствует результатам эксперимента СМS. Поэтому возможно альтернативное предположение: открыт не бозон Хиггса, а скалярный бозон поляризационной теории со спином 2. Следует отметить, что наряду с ним (т.е. при 46 комбинированных полях) рождается также скалярный бозон с массой 146 ГэВ, "похожий" на обнаруженную на Тэватроне частицу с массой ГэВ, которая, как было установлено, не является бозоном Хиггса [1]. На БАК эта частица не обнаружена.

Таким образом, обнародованные результаты, полученные на обоих коллайдерах, не противоречат поляризационной теории. По крайней мере, пока. Поэтому прогноз об отсутствии в природе бозона Хиггса остается в силе. Ожидаемые в конце 2012 г. результаты экспериментов на БАК включают определение спина открытой частицы. Как будут выходить из положения охваченные эйфорией адепты бозона Хиггса, если спин окажется равным 2? Интрига сохраняется. Наберемся терпения.

[1] Чернуха В.В. Об универсальной теории "Всего Сущего", www.ptm2008.ru

19.07.2012.