Нейтрино и фотоны были лишь началом. Уже через несколько лет количество фундаментальных частиц превысило количество химических элементов, что вызвало лёгкую панику, так как объяснение становилось куда сложнее явления, которое физики пытались объяснить. Впрочем, в конце концов они выяснили, что некоторые частицы фундаментальнее других. К примеру, протон состоит из трёх частиц помельче, называемых кварками. То же самое касается и нейтрона, хотя комбинация кварков в нём иная. Как бы то ни было, электроны, нейтрино и фотоны остаются фундаментальными частицами. Насколько нам известно, они не делятся на более простые составляющие.[5]
Одной из главных причин создания БАКа был поиск последнего недостающего звена так называемой стандартной модели, которая, несмотря на непритязательное название, похоже, объясняет почти всё в физике элементарных частиц. Предъявляя веские доказательства, сторонники этой модели настаивают, что атомы состоят из 16 истинно фундаментальных частиц. Шесть из них – кварки, имеющие совершенно дикие названия: нижний/верхний, странный/очарованный, прелестный/истинный. Нейтрон состоит из одного «верхнего» кварка и двух «нижних»; протон – из одного «нижнего» и двух «верхних».
Следующие шесть – лептоны – также состоят из трёх пар: электронов, мюонов и таонов (тау-лептонов), каждый со своим собственным нейтрино. Оригинальное нейтрино теперь называется электронным нейтрино и идёт в паре с электроном. Все двенадцать частиц (кварки и лептоны) в совокупности носят название фермионов, данное им в честь великого итальянского физика Энрико Ферми.
Оставшиеся четыре частицы связаны с физическими силами, которые удерживают всю материю вместе. Физики различают следующие основные природные силы: гравитация, электромагнетизм, сильное ядерное взаимодействие и слабое ядерное взаимодействие. Гравитация не играет особенной роли в стандартной модели, поскольку не вписывается в квантово-механическую картину мира. Остальные три силы связаны с особыми частицами, известными как бозоны. Своё название они получили в честь индийского физика Сатьендры Ната Бозе (Шотендроната Бошу). Разница между бозонами и фермионами принципиальна: у них различные статистические свойства.
Четыре бозона выступают в качестве «связующего звена» сил, словно теннисисты, играющие пара на пару. Для электромагнетизма таким «связующим звеном» служит фотон; для слабого ядерного взаимодействия – W± и Z-бозоны, а для сильного ядерного взаимодействия – глюон. Такова стандартная модель: 12 фермионов (6 кварков и 6 лептонов) удерживаются вместе четырьмя бозонами.
Итого, у нас получается 16 фундаментальных частиц.
Ах, да! Ещё есть бозон Хиггса – семнадцатая фундаментальная частица. Если, конечно, эта легендарная, как её часто называют, частица действительно существует. По крайней мере, до 2012 года это было весьма сомнительно.
Несмотря на свою популярность, стандартная модель не в состоянии объяснить наличие у частиц массы (в общепринятом смысле этого слова). Бозон Хиггса был придуман в 60-х годах XX века, когда некоторые физики смекнули, что новая частица с особыми свойствами может пролить свет на один важный аспект этого противоречия. Среди них был и Питер Хиггс, рассчитавший кое-какие свойства гипотетической частицы и предсказавший, собственно, её существование. Бозон Хиггса создаёт поле Хиггса, так называемый «хиггсовский океан». Важно то, что сила поля Хиггса не равна нулю даже в пустом пространстве. Когда частица движется сквозь всепроникающее поле Хиггса, то взаимодействует с ним, и этот эффект можно истолковать как массу. В качестве аналогии представьте, что вы перемешиваете ложкой патоку. Правда, в таком случае за массу выдаётся сопротивление перемешиванию, поэтому сам Хиггс скептически относится к подобному способу объяснения своей теории. Другая аналогия представляет самого Хиггса в качестве знаменитости, притягивающей к себе толпу поклонников.
Доказательство существования (или несуществования) бозона Хиггса являлось главной, хотя и не единственной, причиной, по которой миллиарды евро были потрачены на строительство БАКа. Как раз в июле 2012 года две независимые команды экспериментаторов объявили об обнаружении неизвестной ранее частицы: бозона массой около 126 ГэВ (миллиард электронвольт – стандартная единица, используемая в физике частиц). Их наблюдения совпадали, в том смысле, что свойства частицы, по крайней мере те, которые можно было измерить, соответствовали предсказанным Хиггсом.
Долгожданное открытие бозона Хиггса, если, конечно, оно подтвердится, логически завершит стандартную модель. Оно никак не могло быть сделано без «Большой науки» и, возможно, стало главным триумфом БАКа. Основное влияние открытие оказало на теоретическую физику. Существует бозон Хиггса или нет, для всей остальной науки безразлично, поскольку там давно уже принято, что частицы имеют массу. Иначе говоря, можно утверждать, что такое же количество денег, будучи затраченным на менее впечатляющие проекты, почти наверняка позволило бы получить куда более полезные с практической точки зрения результаты. Но такова уж натура Больших-Пребольших Штуковин: если деньги не тратятся на них, маленьким научным проектам они тоже никогда не достаются.
Видите ли, на маленьких научных проектах политической или чиновничьей карьеры не сделаешь.
Открытие бозона Хиггса демонстрирует нам, как именно учёные видят мир, а кроме того, служит примером, раскрывающим природу научных знаний. Доказательством существования этого бозона служит всего лишь крошечный пичок на статистическом графике. Насколько мы можем быть уверены, что за этим пичком действительно скрывается новая частица? Можно дать лишь сугубо формальный ответ. Непосредственно наблюдать бозон Хиггса невозможно, потому что он спонтанно и чрезвычайно быстро расщепляется на целое облако других частиц. При этом они сталкиваются друг с другом, создавая полнейший беспорядок. Чтобы различить в этом хаосе характерный след бозона Хиггса, требуются очень сложная математика и очень быстрые компьютеры. А для того, чтобы убедиться, что увиденное – не случайное совпадение, необходимо понаблюдать события подобного типа множество раз. Поскольку они редки, нужно повторять эксперимент за экспериментом, пока результаты не окажутся достаточными для непростого статистического анализа. И только тогда, когда вероятность того, что выброс на графике является случайным совпадением, будет меньше одного на миллион, физики позволят себе выразить уверенность, что бозон Хиггса существует.
Мы говорим об одном конкретном бозоне Хиггса, хотя имеются альтернативные теории с восемнадцатью, девятнадцатью или даже двадцатью фундаментальными «хиггсоподобными» частицами. Впрочем, сейчас нам хоть что-то известно, тогда как совсем недавно уверенности не было ни в чём.
Для понимания всего изложенного требуется значительный опыт в некоторых известных лишь посвящённым областях теоретической физики и математики. Проблему представляет уже осмысление самого понятия «масса», как и того, с какими частицами она может быть связана. Для успешного проведения подобного эксперимента, в дополнение к основательной подготовке в области экспериментальной физики требуется целый комплекс инженерных знаний и навыков. Даже слово «частица» обладает специальным значением, не имеющим ничего общего с привычным образом крошечного шарика. Так почему же учёные смеют утверждать, что они разбираются в поведении Вселенной на микроуровне, если человек не в состоянии увидеть всё это собственными глазами? Это далеко не то же самое, что обнаружить в телескоп четыре маленьких небесных тела, вращающихся вокруг Юпитера, как в своё время сделал Галилей. Или, подобно Роберту Гуку, рассмотреть в микроскоп, что живая материя состоит из клеток. Доказательства существования бозона Хиггса, как и доказательства большинства основных научных положений, косвенны и, скажем так, не бросаются в глаза.
Для того чтобы справиться с сомнениями, давайте взглянем на природу научного знания, используя примеры более знакомые, чем бозон Хиггса. И, таким образом, разделим два фундаментально различных типа мировоззрения. Это разделение будет красной нитью проходить через всю книгу.
