Һиггс бозоны ачылуы хакында 2012 елның 4 нче июлендә ЦЕРН оешмасының матбугат очрашуында игълан иткәннәр иде. Чарада физика галиме Питер Һиггс та катнашты. Ул, чиктән тыш дулкынланып, теориясенең тәҗрибәдә раслануын исән чакта көтмәгәнен, шуңа бик сөенгәнен белдерде. Бер елдан соң Һиггс белән бельгияле Франсуа Энглер 1964 елда ук кисәкчекне фаразлаганнары өчен физика өлкәсендә Нобель бүләген алдылар. 

Һиггс хакына

Тарихта иң кыйммәтле, иң куәтле һәм иң югары технологияле фәнни җайланма — Зур адрон коллайдеры (Large Hadron Collider – LHC) — беренче тапкыр 2008 нче елның 10 нчы сентябрендә эшләтеп җибәрелде. Ул зарыгып көтелгән Һиггс бозонын эзләү, ачу һәм өйрәнү белән тыгыз бәйләнгән. Әлбәттә, ЗАКның башка казанышлары да бар, әмма халык һәм белгечләр өчен алар төп бурыч белән чагыштырырлык та түгел. Асылда, кичекмәстән бернинди дә «алтын таулары һәм чиксез көч-куәт» бирергә вәгъдә итмәгән бер кисәкчекне эзләр өчен төрле ил белгечләренең берләшеп, бу гайрәтле һәм чыгымлы җайланманы төзүе үзе генә дә бик уникаль, үзенчәлекле вакыйга.

Ә бит чынлыкта Һиггс бозоны артык бәйләнчек рецензентлар аркасында «туган».  Иң элек сүз һиггс кыры турында барган. Бу кырга бәйле рәвештә кайбер кисәкчекләрнең (кварклар, лептоннар) массасы булдырыла, калганнары (фотоннар) массасыз кала. Һиггс әфәнде кисәкчекләрнең массалы булу механизмын Эдинбург тирәсендә таулар буйлап сәяхәт кылганда уйлап таба. Аңа кадәр дә бу хакта күп галимнәр баш ваткан була. Һиггсның мәкаләсе Physical Review Letters журналына килеп ирешкәч, аны формаль сәбәпләр аркасында кабул итмиләр: яңа фаразларны тәҗрибәләр ярдәмендә тикшерү мөкинлеге булмый. Шулчак Һиггс мәкаләгә постулат буларак кабул ителгән кыр белән бәйле бер яки берничә скаляр массив бозоннар барлыгы турында искәртүләр өсти (кисәкчек булса, аны табып була, ягъни эксперименталь тикшеренүләр мөмкин булып чыга). Шул рәвешле Һиггс бозоны барлыкка килә (Higgs boson, яки һиггс).

Һиггсның нәрсә уйлап тапканын аңлар өчен бер гасырдан күбрәк вакыт элек Һенрик Лоренц хезмәтләрендә искә алынган калибрлау әверелешләренең асылын аңларга кирәк (электромагнит кырларына кагылышлы). Калибрлау инвариантлыгы булуы (сакланыш кануннарының язылыш формасы) элементар кисәкчекләр физикасының төп кагыйдәләреннән санала. Элементар кисәкчекләрнең стандарт моделендә электромагнит, көчле һәм зәгыйфь тәэсир итешүләр нәкъ шул калибрлау инвариантлыгы аша тасвирлана.

Теоретикларның үкенеченә, бердәм электр-зәгыйфь тәэсир итешү теориясе төзелгәннән соң, чынбарлыкта электр-зәгыйфь симметриянең кисәк кенә шактый түбән энергияләрдә бозылырга тиешлеге ачыклана. Шул ук вакытта кисәкчекнең массасына бәйле аңлашылмаучанлыклар да кала бирә (беренче Стандарт модельләрдә ул бер каян да барлыкка килә алмый). Һиггс (шул ук вакытта үзара бәйсез рәвештә башка авторлар да) тәкъдим иткән механизм ике проблемны берләштереп, уртак бер нәфис чишелеш тәкъдим итә: электр-зәгыйфь симметриянең кисәк бозылуы массив кисәкчекләргә масса бирә торган яңа скаляр кыр кертелү белән тәэмин ителә.

Электромагнит һәм гравитация кырлары, әлбәттә, буш фәзада (пространствода) булмыйлар. Ә һиггс кыры бөтен җирдә була – ул бөтен Галәмдә нульгә тигез булмаган уртача кыйммәткә ия, ягъни ул барча урынга үтеп керә, «үзеннән-үзе» анда була, аны буш фәзадан аеру мөмкин түгел. Мондый, беренче карашка, парадоксаль хәл, һәркайда таралган кыр белән тәэсир итешү нәтиҗәсендә кисәкчекләрнең инерт массалары барлыкка килүенә китерә (алар сиропта баткан сыман була, әмма гади сироптан аермалы буларак, кыр даими тизлек белән инерция буенча хәрәкәт иткән кисәкчекләргә каршылык күрсәтми, траекториясен үзгәртүчеләрне генә акрынайта). Һиггс кырына ким дигәндә бер арадашчы кисәкчек хас булырга тиеш (кыр кванты). Бу – Һиггс бозоны була да инде (аны кырның иң кечкенә, зәгыйфь дулкыны дип кабул итәргә дә була). Симметрия кисәк бозылуның киңәйтелгән модельләрендә төрле массалы берничә Һиггс бозоны да барлыкка килә ала, әмма әлегәчә Зур адрон коллайдерында үткән тәҗрибәләрдә андый хәлләр күзәтелмәде, димәк үзенә күрә Яңа физика әлегә ачылмады.

Кызганычка каршы, корылган һәм нейтраль Һиггс бозоннарының төгәл массаларын фаразлап булмый иде. Бары тик кайбер сыйфатларын, шул исәптән, башка кисәкчекләр белән тәэсир итешүләрен һәм теге яки бу тәэсирдә туу һәм таркалу ихтималлылыгын гына алдан күрергә мөмкин.

Һиггска таян

ЗАК эшләтер алдыннан ук, әгәр серле кисәкчек чыннан да булса, аның массасы 114 һәм 211 ГэВ (ГэВ — гигаэлектронвольт) аралыгында булырга тиешлеге билгеле иде, чөнки түбәнрәк энергияләр күптән «капшап» каралган иде.

2000 нче елда ЗАКка кадәр эшләгән Зур электрон-позитрон коллайдеры (LEP — Large Electron Positron Collider) янындагы ALEPH детекторында эшләүче ЦЕРН төркемнәренең берсе 114 ГэВ массалы һиггс таркалуын теркәүләрен белдерде, шуңа ЗАКны кушу кичектерелде. Әмма соңрак галимнәр үз нәтиҗәләрендә үзләре үк шикләнделәр. LEP 11 ел дәвамында (1989 нчы елның 13 нче ноябреннән 2000 нче елның 2 нче ноябренә кадәр) хезмәт итте. Соңрак, аның өчен корылган 27 чакрымлык тоннельне БАКка яраклаштыра башладылар.

ЗАК төзелгәнче Американың Энрико Ферми исемендәге Югары энергияләр тикшеренләре өчен милли лабораториясенең (Fermilab)  «Тэватрон» (Tevatron) дип исемләнгән протон-антипротон тизләткече эстафетаны тартып алмакчы иде. Әмма 2009 нчы елга чаклы барган реконструкциядән соң ул әле дә бая шул бер 115 ГэВны тикшерүгә дәгъва кыла иде, гәрчә ул чик Женеванын LEPы тарафыннан яхшы үзләштерелгән булса да. Бары тик ЗАК кына җитәрлек дәрәҗәдә куәтле, калган мөмкин булган массалар кыйммәтләрен тикшереп (211 ГэВ ка кадәр) серле кисәкчекнең булу-булмавы турында карар чыгарырлык итеп уйланган иде. Бу бик дулкынландыргыч булды, чөнки асылда Стандарт модель төзелешенең язмышы хәл ителә иде.

 Һиггс безнең белән

2008 нче елның 10 нчы сентябрендә коллайдер тантаналы рәвештә ачыла, әмма нибары 9 көн генә  эшләргә өлгерә. Ул җитди төзекләндерү эшләре өчен  туктатыла, тагын дистәләрчә миллион евро чыгым китә. Корылган кисәкчекләрнең тизләнүен тәэмин итә торган үтә үткәрүчән магнитларның 50ләбен алыштырырга кирәк була. Билгеле сәбәпләр аркасында Женева коллайдерында бирнинди ачышлар ясалмаса да, Time журналы  2008 нче елның иң мөһим фәнни казанышлары исемлегендә ЗАКны беренче юлларга урнаштыра. Ә Nature журналы проект җитәкчесенә ел ньюсмейкеры исемен бирә.

Эксперимент барышында барлыкка килә торган үтә тыгыз материя кара упкынга әйләнәчәк һәм бөтен планны юкка чыгарачак дигән шикле теорияләр исә суперколлайдерга җәмәгатьчелекнең игътибарын арттырды.

Чынлыкта исә табигатьтә шундый ук, яисә тагын да югарырак энергияле кисәкчекләрнең бәрелешүе гел булып тора. Җир шарын даими «бомбага тотучы» кисәкчекләр һәм төшләрнең энергияләре дә, әлбәттә, кеше кулы булдырган тизләткечтәге энергияләрдән күпкә зуррак. Хәлбуки, аномаль күренешләр яклы кешеләр фикеренчә, космостагы үтә тыгыз матдә төерләре, һичбер зыянсыз Җирне үтәли «тишеп» чыгалар да, юлларын дәвам итәләр, ә коллайдерда бәрелешүләр нәтиҗәсендә әкрен хәрәкәт итүче төерләр барлыкка килә, һәм алар Җир шарының үзәгенә төшеп, нидер җимерергә сәләтле икән. Хәтта сәер материядән, сәер кварклардан торучы сәер тамчылар куркынычы да телгә алынды  (strangelet — strange + droplet, сәер + тамчы). Гипотезага караганда, алар Галәмнең бөтен материясен сәер тамчыга әйләндерә ала.

Нәтиҗәдә, бернинди дә хәвефле хәл булмады, ә һиггс ачылды. Тора-бара, статистик мәгълүматлар туплана торгач,  башлангыч чорда CMS һәм ATLAS хезмәттәшлекләре җыйган мәгълүматның үзара тәңгәл килмәве әһәмиятен югалтты, массасы 125 ГэВ ноктасында булырга тиеш дип килештеләр. Шуннан соң дәвам иткән тикшеренүләр барышында барлык фаразлар да расланды – нульле спин һәм уңай җөплелек (0+) дөрес булып чыкты. Кисәкчек хак скаляр булып чыкты, ә башка вариантлар кире кагылды. Галимнәр ЗАК та чыннан да Һиггс бозоны ачылуга инандылар дип әйтергә була.

Һиггс кына түгел

Башка, минималь булмаган Һиггс механизмнарын өйрәнү дәвам итә, ләкин аның өчен күбрәк статистик мәгълүмат туплау һәм төгәлрәк үлчәүләр үткәрү зарур. Стандарт модель кысаларында кала биргән бердәнбер билгесез параметр – һиггс массасы – хәзер билгеле булды, димәк исәпләүләр үткәрү, аларның нәтиҗәләрен чынбарлык белән чагыштырып, тайпылышларны һәм Яңа физиканы эзләп карарга мөмкин. Ничек кенә булмасын, Стандарт модель тулы, соңгы теория буларак санала алмый (караңгы материя – энергияләрне аңлатмый, гравитация шартларын исәпкә алмый). Гомумирәк теория булырга тиеш. Аңарга юлны ЗАК күрсәтә ала. Ул юлларны мезоннарның сирәк (ихтималлылык меңнән бердән дә ким) таркалуларында эзләргә кирәк. Кызганычка каршы, әлегә суперсимметрия барлыгын дәлилләп яки кире кагып булмый (стандарт модельне тулыландыру бик шәп булыр иде). Бу модель кысаларында, табигатьтәге һәрбер кисәкчеккә суперавыр пар китерелә, ягъни «суперкисәкчек» (фотон өчен – фотино, кварк – скварк, һиггс – һиггсино һ.б.)

Тагын бер мөһим бурыч – топ-кваркларның сыйфатларын төгәл билгеләү. 2015 нче елның 14 нче июлендә LHCb коллаборациясе (ЗАКтагы тагын бер детекторда) пентакварклар (берюлы биш кварктан торган кисәкчек) ачылышын игълан итте.

2018 нче елга кадәр ЗАК 13-14 ТэВ та статистик мәгълүматлар туплауны дәвам итеп, аннары ике елга модернизациягә тукталачак. 2021-2023 нче елларда 14 ТэВ энергиядә чираттагы «җыю» планлаштырыла. Моннан соң яңадан 2,5 ел дәвамында коллайдер һәм детекторлар яңартылачак. Барлык яңартулардан соң, коллайдер 2034 нче елга кадәр хезмәт итә алыр дип санала. Әмма ЦЕРНда инде яңа, камилрәк, 100 чакрымга кадәрле периметрлы коллайдер төзелеше турында уйланалар (проект FCC — Future Circular Collider исемен алды) Аның энергиясен акылга сыймаслык 100 ТэВ ка кадәр күтәрергә исәплиләр.

«Чердак» сайты материалы, Максим Борисов тексты

Галимҗан Галимов тәрҗемәсе