Обнаружение бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере в 2012 году стало триумфом теоретической и экспериментальной физики, однако мы только начинаем его понимать. Точные измерения, проведенные совместными усилиями ATLAS и CMS, показывают, что эта фундаментальная частица, ответственная за создание массы элементарных частиц, ведет себя так, как предсказывает Стандартная модель физики элементарных частиц полувековой давности. Но откуда взялся бозон Хиггса? И почему он такой легкий, что БАК может производить его массово? Никаких ответов на тайны Вселенной частица не дала — только новые вопросы.
Бозон Хиггса — простейшая известная частица. Можите считать его чем-то вроде фрагмента вакуума — нечто без заряда и спина. Как и все элементарные частицы, это возбуждение, или квант, более фундаментальной сущности, называемой полем — уникального безликого поля Браута-Энглерта-Хиггса, которое равномерно заполняет все пространство. Считается, что это поле возникло во время эпохального электрослабого фазового перехода через долю наносекунды после Большого взрыва. И если до его появления элементарные частицы, такие как электрон, двигались со скоростью света, они навсегда были вынуждены взаимодействовать с этой квантовой структурой, которая наделила их свойством массы. Но если эта картина верна, то сам бозон Хиггса должен набирать массу в результате взаимодействия известных частиц с его родительским полем. Суммируя эти, так называемые, квантовые поправки, можно предположить, что значение массы бозона Хиггса на много порядков превышает наблюдаемое. Помимо того, что такая тяжеловесная частица была бы просто бесполезна для любого мыслимого эксперимента, она не позволила бы сформироваться Вселенной, какой мы ее знаем.
Зная об этом парадоксе (называемом проблемой электрослабой иерархии) задолго до того, как был открыт бозон Хиггса, и руководствуясь возможным существованием частиц и сил, выходящих за рамки описанных Стандартной моделью, физики придумали различные объяснения. Во-первых, бозон Хиггса состоит из более простых сущностей, удерживаемых вместе очень сильными силами, что позволяет обойти влияние квантовых поправок. Другая состоит в том, что пространство-время обладает дополнительными "суперсимметричными" измерениями, которые подразумевают существование совершенно нового зеркального мира частиц, компенсирующих неприятные квантовые поправки стандартных. Однако до сих пор не было найдено никаких свидетельств таких экзотических решений проблемы электрослабой иерархии.
Где-то тут и проходит граница, за которой расположены "Экзотические подходы к естественности", которые опираются на такие понятия, как обобщенные симметрии, ультрафиолетовое и инфракрасное смешивание, предположения о слабой гравитации и "магические нули", чтобы попытаться объяснить массу бозона Хиггса и другие неестественные числа в физике. Звучит невероятно сложно и запутано, но это тоже часть физики.
Противоричивая природа бозона Хиггса обсуждалась в течении недели отделом теоретической физики ЦЕРН. Вместо попыток привязать видимые явления к тому что мы знаем, физики, буквально, бросили вызов условностям и просто бросали идеи на стыке науки и того, что можно назвать бредом. В конце концов, масса бозона Хиггса — не единственное кажущееся неестественным число в природе: там, где физики когда-то недоумевали, почему электрическая энергия электрона не возрастает до бесконечности на коротких расстояниях, например, тайна исчезла с открытием того, что у электрона есть партнер из антиматерии, позитрон, который уравновешивает нефизическое расхождение. Неестественная масса бозона Хиггса может быть даже связана с чрезвычайно малым, но ненулевым значением космологической постоянной, ответственной за ускоряющееся расширение Вселенной.
Пока теоретики давали волю своему воображению, вывод семинара ЦЕРН был ясен: дальнейший путь будет определяться данными. Более крупные образцы бозонов Хиггса, которые будут собраны ATLAS и CMS в ближайшие годы, а также с помощью экспериментов на специальной "фабрике Хиггса", предложенной вслед за БАК, позволят физикам изучить уникальное взаимодействие бозона Хиггса с самим собой. Это даст информацию о точной форме и форме поля Браута-Энглерта-Хиггса и природе электрослабого фазового перехода и, возможно, скажет нам, является ли бозон Хиггса естественным или странным образом настроенным для нашего существования.