До поры до времени никто не утверждал, что бозон Хиггса обнаружен, и лишь в марте 2013 года впервые решились это сделать.
Событие было тут же объявлено самым выдающимся открытием последних лет. Ведь бозон Хиггса, по идее, — последний недостающий элемент современной теории элементарных частиц, так называемой Стандартной модели, объединяющей все виды взаимодействий, кроме гравитационного, — сильное (связывающее кварки в протонах и нейтронах), слабое (взаимодействие между электронами и нейтрино) и электромагнитное.
Роль этой частицы так важна, что ее иногда даже называют «частицей Бога». Ведь согласно принципам Стандартной модели, в момент рождения Вселенной после Большого взрыва частицы приобрели массу под действием хиггсовского поля, сформированного именно бозонами Хиггса. А без этого поля не могло бы произойти образование атомов и молекул, поскольку частицы, не имеющие массы, просто разлетелись бы в космическом пространстве.
Согласно теории, неуловимые бозоны Хиггса существуют всюду. Через поле Хиггса, заполняющее пространство Вселенной, проходят абсолютно все частицы, из которых строятся атомы и молекулы, ткани и целые живые организмы. Тем не менее, долгое время экспериментаторам не удавалось обнаружить что-то похожее на бозон Хиггса.
Положение осложнялось тем, что теория не позволяет точно установить массу бозона Хиггса, поэтому для его обнаружения ученые прибегли к экспериментам. Упрощенно их можно представить так. По некой мишени в гигантском ускорителе ударяют потоком частиц высокой энергии, разгоняя их электромагнитными полями в кольцевом тоннеле ускорителя.
При соударении одни частицы преобразуются в другие. В том числе, согласно теории, рождается и бозон Хиггса, который тут же распадается на разные частицы. Одним из вариантов может быть распад на два Z-бозона, четыре лептона (электрона или мюона) и на два гамма-кванта.
Поэтому, если в экспериментах регистрируются перечисленные частицы — продукты возможного распада бозона Хиггса, физики говорят: «Вот следы частицы Бога…»
Однако, как ехидно заметил один из экспертов, такой способ изучения мира элементарных частиц смахивает на анекдот. Дескать, некие чудаки, чтобы узнать, что находится в закупоренной бочке, не нашли лучшего способа, как подложить эту бочку под тяжелый каток. А потом, попробовав на вкус сок из натекшей лужи, оставшейся от раздавленной бочки, отважно заявили: «В ней скорее всего были соленые огурцы, а не квашеная капуста…»
Ну, а если серьезно, то первые существенные попытки отловить бозон Хиггса были предприняты на рубеже XX и XXI веков с помощью Большого электронно-позитронного коллайдера (БАК) или Large Electron-Positron Collider (LEP), находящихся в Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) неподалеку от Женевы.
В результате многочисленных опытов на ускорителе был установлен нижний порог массы бозона Хиггса — 114,4 гигаэлектронвольта. Первый цикл экспериментов на БАКе был завершен в 2001 году.
Следующие циклы экспериментов проводили на коллайдере Теватрон (Tevatron), построенном в 1983 г. в Лаборатории имени Ферми (Fermilab), штат Иллинойс, США. Энергия столкновений в нем составляла около 2 тераэлектронвольт. В 2004 г. на Теватроне была установлена верхняя граница массы частицы Хиггса — 251 гигаэлектронвольт, а нижняя — 114 гигаэлектронвольт.
В ноябре 2011 г. цифры были скорректированы — 141 и 115 гигаэлектронвольт соответственно. Окончательные результаты Теватрон а, завершившего свою работу осенью 2011 г., показали, что масса бозона Хиггса находится в интервале от 115 до 135 гигаэлектронвольт.
Затем за дело снова взялся БАК, модернизированный за это время. На этом ускорителе ученые сталкивали разогнанные во встречных пучках до околосветовой скорости протоны, а затем фиксировали частицы и излучения, получившиеся в результате очередного столкновения, с помощью 4 специализированных детекторов — двух крупных (ATLAS и CMS) и двух средних (ALICE и LHCb). Анализом полученных данных занимались две группы ученых, работавших независимо друг от друга.
В 2010 г. первыми положительными результатами работы коллайдера стало рождение четырех неустойчивых элементарных частиц — мюонов, образовавшихся в результате столкновения протонов. Физики предположили, что в цепочке превращений от протонов до мюонов промежуточным звеном мог быть неуловимый бозон Хиггса.
Далее физики стали накапливать статистику данных о столкновениях частиц в ускорителе, все повышая энергетику столкновений. Они заявляли, что порог, за которым коллайдер начнет «чувствовать» бозон Хиггса, находится на уровне пяти обратных фемтобарн. В «переводе» на наш обыденный язык, 5 обратных фемтобарн соответствуют примерно 350 квадриллионам столкновений протонов за сеанс.