Как получить «Нобелевку»: Питер Хиггс и его бозон

Питер Хиггс

Родился 29 мая 1929 года, Ньюкасл-апон-Тайн, Англия, Великобритания

Умер 8 апреля 2024 года, Эдинбург, Шотландия, Великобритания

Нобелевская премия по физике 2013 года (совместно с Франсуа Энглером).

Формулировка Нобелевского комитета: «За теоретическое открытие механизма, который помогает нам понять происхождение массы субатомных частиц, который в недавнее время был подтвержден открытием предсказанной фундаментальной частицы на экспериментах ATLAS и CMS на Большом Адронном Коллайдере в ЦЕРНе (for the theoretical discovery of a mechanism that contributes to our understanding of the origin of mass of subatomic particles, and which recently was confirmed through the discovery of the predicted fundamental particle, by the ATLAS and CMS experiments at CERN's Large Hadron Collider)».

Хиггс. Готем. Начало

Физик, считавшийся в последние десятилетия олицетворением Шотландии, родился в Англии в семье Томаса Хиггса и его жены Гертруды, урожденной Кохилл (отец Питера женился в 1924 году на сестре его фронтового товарища). Если говорить о национальностях, то будущий первооткрыватель «частицы Бога» был лишь на четверть скоттом, а на остальные три четверти – чистокровным бриттом, хотя и пишут, что среди дальних предков Хиггса можно найти переехавших на Туманный Альбион саксонских земледельцев.

Юный Питер был слаб здоровьем – страдал экземой, а затем – астмой, которая прекратилась (как бывает) к 14 годам. Это заставило его пойти в школу только в 1935 году, на год позже. А тут еще и сильнейшие астматические бронхиты, которые усугублял отец – страстный курильщик. Правда, нет худа без добра: в отличие от подавляющего большинства своих сверстников, Хиггс так и не закурил на протяжении всей своей долгой жизни.

Со второй половины своего школьного возраста Хиггс жил с матерью в Бристоле, где их навещал отец, которого перевели по службе. И учился в школе Готема. Но не того, в котором жили Бэтмен и Джокер, а в сабурбе Бристоля, в миле от центра. И Готемская средняя школа, где учился Питер, сама по себе уже могла натолкнуть мальчика в мир физики элементарных частиц – ведь ее окончил сам Поль Дирак, к тому времени уже давно лауреат Нобелевской премии. Однако, как пишут биографы, Хиггс перед фигурой Дирака благоговел – но о карьере физика не помышлял. Зато уже тогда получил шанс выучить русский язык – в 1942 году его школьный учитель в знак солидарности с Красной Армией купил лингафонный курс русского языка, учил сам и учил учеников. Но, по словам Хиггса, дальше фразы «Дай мне карандаш» тогда он не продвинулся.

Как при помощи атомной бомбы придти в физику

А для того, чтобы в итоге был открыт знаменитый бозон, судьбе пришлось привлечь усилия еще двух (будущих) нобелиатов и две атомные бомбы. В 1945 году, незадолго до окончания Хиггсом школы, в октябре, после бомбардировки Хиросимы и Нагасаки бристольцы Невилл Мотт и Сесил Фрэнк Пауэлл прочитали в Бристольском университете научно-популярную лекцию о том, что такое ядерное оружие и ядерная физика. Военно-научный научпоп сразу после победы оказал взрывное влияние на мозг школьника. Он решил стать физиком.

После окончания школы Хиггс поступает в Кингс-колледж в Лондоне, весьма престижное заведение, где стал бакалавром теоретической физики – и вознамерился делать PhD по физике элементарных частиц. Но добрые люди-наставники сказали, что тут может быть, уже и нечего ловить. Прямо, как Максу Планку родня пыталась запретить заниматься физикой – дескать, деточка, не порть себе жизнь, тут уже все открыто. Поэтому некоторое время Хиггс занимался молекулярной физикой.

Именно в те годы Хиггс впервые попал в ставший ему родной Эдинбург. Он говорил: «Со своим школьным другом мы приехали на попутках из Бристоля. Это был 1949 год. Тогда в городе как раз проходил третий по счету Эдинбургский фестиваль. Все исторические здания ночью подсвечивались. Вокруг красота. Именно тогда я понял, что хочу здесь жить. План удался!». Правда, потом понял, что дело в близости к горам и сотне производств односолодового виски. В 1955 году Хиггс приедет сюда на стажировку, а с 1959 года и до конца жизни проработает в Эдинбурге уже в качестве местного.

Но вернемся к физике. Свою PhD Хиггс сделал в 1954 году по рентгеноструктурному анализу молекулярных кристаллов – в те годы, после прорыва с ДНК, случившегося в 1953 году, тема была очень модной. Но все же Хиггс вернулся в теоретическую физику – и… на первых порах не сделал в ней почти ничего. Как пишут биографы, он отметился парой статей по теории относительности в конце 1950-х годов, о которых никто не помнит.

А затем случилась проблема электрослабого взаимодействия.

Банда шестерых

История объединения взаимодействий, как известно, начинается с Джеймса Клерка Максвелла, который в XIX веке написал уравнения, объединяющие электричество и магнетизм. Позже стало понятно, что у электромагнитного поля есть частица-переносчик взаимодействий: фотон.

Дальше процесс пошел в 1930-х годах, когда великий Энрико Ферми начал разбираться с бета-распадом и описывать слабое взаимодействие. Так появились новые частицы – нейтрино (саму частицу придумал Вольфганг Паули, а название дал Ферми), а теория слабого взаимодействия начала развиваться.

В 1960-е годы физики додумались до единого описания электромагнитного и слабого взаимодействия, получившего названия теория электрослабого взаимодейтствия. Это объединение стало возможным благодаря введению так называемых калибровочных полей, в которых переносчиками взаимодействия становятся калибровочные бозоны – два заряженных, W⁺ и W^-, и нейтральный Z⁰. Скажем, что сами частицы были открыты в 1983 году, а за создание теории электрослабого взаимодействия Шелдон Ли Глэшоу, Абдус Салам и Стивен Вайнберг в 1979 году получат Нобелевскую премию по физике (к ним мы еще вернемся в соответствующих статьях рубрики «Как получить Нобелевку».

Но тогда, в 1960-х годах у электрослабой теории оказалось одно неслабо слабое место: все эти бозоны по теории имели нулевую массу. А это никуда не годилось: слабое взаимодействие имеет очень маленький радиус действия, а, значит, его переносчики должны иметь массу, и достаточно большую. И откуда ж ее взять?

Абдус Салам предложил, что масса этих частиц должна рождаться при таком интересном явлении как спонтанное нарушение калибровочной симметрии. Однако это запрещала опубликованная в 1961 году теорема Голдстоуна, которая сообщала: во всех релятивистских (основанных на теории относительности) квантовых теориях поля, к которой относилась и теория электрослабого объединения, спонтанное нарушение симметрии будет рождать только частицы без массы, подобные фотону. И вот как тут быть?

А дальше, в 1964 году, случилось необычное. Три группы – из одного, двух и трех ученых одновременно и разными путями показали, как это препятствие обойти. Во-первых, это сам Хиггс, действовавший в одиночку (сама идея, как может появляться масса у бозонов пришла ему во время прогулки по нагорью), во-вторых, это сотрудники Свободного университета в Брюсселе Франсуа Энглер (бельгиец) и американец Роберт Браут, в-третих, это британцы Джеральд Гуральник и Томас Киббл и американец Карл Хаген, которые работали в Имперском колледже в Лондоне. К этой банде шести (этот термин - The Gang of Six) нужно добавить и двух московских вчерашних школьников – студентов Александра Полякова и Александра Мигдала, которые придумали то же самое в 1965 году и опубликовали в январе 1967 года в ЖЭТФ статью «Спонтанное нарушение симметрии сильного взаимодействия и отсутствие безмассовых частиц» (пролежала в редакции полтора года!). Но, кажется только Хиггс уже в своей статье 1964 года сказал, что из решения проблемы вытекает существование еще одной частицы, а в работе 1966 года он показал, как будет распадаться новый бозон – который задолго до его открытия на Большом адронном коллайдере в 2012 году получил название «бозон Хиггса».

За подробной хронологией событий того самого 1964 года мы адресуем вас к блестящей статье Игоря Иванова на «Элементах». Но, конечно же, бозон Хиггса («частица Бога», как любили писать журналисты чуть более 10 лет назад) – это не то, за что дают Нобелевскую премию.

Интересно, что уже после присуждения премии Хиггс вспоминал:

«Интернет — штука полезная и важная. Но его чаще всего используют не по назначению. Если бы в 1964 году у нас был интернет, про меня никто бы не узнал. Я бы попросту не написал свою знаменитую статью. В 1964 году надо было отправить препринты, прежде чем напечататься. В Брюссель я препринт не отправил, потому что мне казалось, что там статистику любят, а не физику элементарных частиц. А в Лондон мой препринт пришел только в октябре — почтальоны бастовали. А с интернетом все было бы иначе».

Хиггс и другие члены «банды шести» показали, что механизм спонтанного нарушения симметрии, который уже в 1962 году для нерелятивистских систем разработал Филипп Андерсон, вполне работает в электрослабой теории, и никакой Голдстоун им не указ, потому что поля Янга-Миллса, которые легли в основу электрослабого объединения, обладают локальной симметрией.

Мир обретает массу

Так как же все работает, и при чем тут бозон?

Считается, что спустя одну триллионную секунду после Большого взрыва Вселенную наполнили так называемые хиггсовские поля. Или проще, хиггсовское поле, которое взаимодействует с бозонами и некоторыми другими частицами. Из четырех бозонов в теории электрослабого взаимодействия, три поглощают кванты этого поля и «тормозятся» со световой скорости и обретают массу. Четвертый бозон – один из двух безмассовый – ничего не поглощает. Это и есть старый добрый фотон. Конечно, даже это – упрощенное объяснение, но достаточно удачное.

Если говорить об аналогиях, из достаточно удачных, но неточных аналогий хиггсовскому полю можно назвать крошки пенопласта. Сначала мы высыпаем их на стол, и они разлетаются при малейшем дуновении ветерка. А затем мы кладем их в воду, и сдуть их уже не так легко. Вот вода – это хиггсовское поле. А что же такое бозон Хиггса? Рябь на воде! И эту рябь искали почти полвека, пока в 2012 году команда двух экспериментов на Большом адронном коллайдере не сообщила: бозон Хиггса открыт. И сразу стало ясно, что в следующем году Питер Хиггс, который с того времени не показал в физике ничего, уйдя в преподавание и организацию науки – и кто-то еще – получат Нобелевскую премию по физике.

Как пишет прекрасный физик Игорь Иванов, открытие бозона Хиггса – «не просто рядовое открытие еще одной новой частицы (так, новых адронов в последние годы было открыто предостаточно, в том числе и на LHC). Это открытие по-настоящему нового типа материи. До этого физики имели дело лишь с частицами вещества (электроны, протоны и т. д.), либо с частицами —переносчиками взаимодействия, квантами силовых полей (фотоны, глюоны, тяжелые W- и Z-бозоны). Но хиггсовский бозон не является ни тем, ни другим; это «кусочек» хиггсовского поля, которое является совсем иной субстанцией и занимает совсем иное место в устройстве нашего мира».

Так и случилось: Питер Хиггс и Франсуа Энглер стали нобелевскими лауреатами. Был бы жив Роберт Браут (он не дожил до открытия бозона Хиггса всего год), он наверняка стал бы третим нобелиатом.

То, что вклад в создание хиггсовского механизма внесли не только наш герой и Франсуа Энглер, отметил и сам Питер в своей речи на нобелевском банкете: «Мы оба (я и Энглер – прим. авт.) очень сожалеем, что Роберт Браут не дожил до того, чтобы разделить с нами премию. Тот факт, что эта награда была присуждена только нам двоим, косвенно признает его вклад, и это правильно. Однако следует помнить, что мы трое были не единственными теоретиками, которые около пятидесяти лет назад внесли свой вклад в выяснение того, что называется механизмом Браута-Энглера-Хиггса (BEH-mechanism в оригинале – прим.авт.)».

Что ж, Питер Хиггс прожил долгую, красивую – и достаточно скромную жизнь, расстраиваясь, когда его называли Полом Маккартни от теоретической физики. «Возвели обычное открытие в статус вселенского» – он считал, что это неправильно.