Версия для печати
Вернуться к списку

Где искать бозон Хиггса?

Современные исследования структуры материального мира требуют достижения все больших энергий, сообщаемых частицам материи. Одна из ключевых задач в этом направлении – доказательство существования бозона Хиггса. Именно этот бозон, как считают физики, отвечает за существование массы у всех материальных тел. Одно это открытие полностью оправдает все надежды, возлагаемые на Большой адронный коллайдер (LHC). Однако ускорительная техника, используемая в современной физике высоких энергий, вплотную приблизилась к пределу технических возможностей.

Прогресс в коллайдерной технике сегодня обеспечивается применением новых технологий, а не увеличением физического размера ускорителей – например, LHC построен в туннеле уже существовавшего ускорителя LEP. Этот процесс имеет свой естественный предел. Вместе с тем самый мощный «ускоритель» элементарных частиц – это ранняя Вселенная с ее квантовым начальным состоянием Большим взрывом и стадией инфляционного расширения.

Идея «использовать» этот «ускоритель» лежит в основе сформулированной А.Д.Сахаровым программы космомикрофизики. Это синтез космологии с (астро)физикой частиц и их наблюдательными программами. Современное понимание структуры микромира (Стандартная модель и электрослабое взаимодействие) предполагает, что новые экспериментальные открытия можно ожидать только на планковском масштабе квантовой гравитации – 1019 ГэВ на нуклон (или на несколько более низком масштабе великого объединения, возможно, подправленного суперсимметрией – примерно 1016 ГэВ). Такие энергии частиц абсолютно недостижимы на рукотворных ускорителях. Так что наиболее перспективным инструментом физики высоких энергий становится синтез данных, следующих из космологии и астрофизики и экспериментов на ускорителях. Это особенно важно в связи со спутниковыми программами WMAP и Planck и введением в действие Большого адронного коллайдера, на котором ожидается открытие хиггсовского бозона.

Общепризнанный в настоящее время сценарий происхождения Вселенной – Большой взрыв с последующей (начиная со времени 10-43 до 10-35 секунд после момента Большого взрыва) стадией инфляции, стадией экспоненциального расширения Вселенной. Именно на этой стадии Вселенная приобретает привычные нам и согласующиеся со всеми теперешними наблюдениями свойства: инфляция делает Вселенную плоской, однородной и изотропной, определяет ее размер и последующую эволюцию. Инфляционная теория и была придумана для того, чтобы всё это объяснить.

В 2008 году была высказана идея, что именно бозон Хиггса может быть источником инфляции – тот самый бозон, который является носителем скалярного поля, отвечающего за тёмную энергию, составляющую примерно 74% всей энергии Вселенной. Специальная модель космологической инфляции связывает бозон Хиггса с кривизной пространства-времени и считает эту частицу источником инфляционной стадии в ранней Вселенной. Квантовые эффекты тяжелых частиц Стандартной модели существенно модифицируют инфляционную динамику ранней Вселенной и влияют на характеристики наблюдаемого спектра реликтового излучения. По слабому красному наклону и амплитуде этого спектра на длине волны порядка 500 мегапарсек можно определить значение константы взаимодействия бозона Хиггса с кривизной пространства-времени и массу этой частицы – основную характеристику Стандартной модели.

Согласно недавно завершившимся исследованиям группы ученых Физического института им. П.Н.Лебедева РАН, Института теоретической физики им. Л.Д.Ландау РАН и Кёльнского университета, спектральный индекс космологических возмущений согласуется с наблюдениями, если хиггсовская масса лежит в интервале от 136 до 185 ГэВ, в пределах которого предполагается открытие хиггсовской частицы на LHC. Обе границы этого интервала определены из экспериментальных данных спутника WMAP, а не из чисто теоретических ограничений. По словам одного из авторов работы, ведущего научного сотрудника сектора теории элементарных частиц ФИАН, доктора ф.-м. наук Андрея Барвинского, открытие бозона Хиггса в этом интервале масс послужило бы подтверждением современной теории происхождения ранней Вселенной и ее связи со структурой материи на наиболее фундаментальном микроскопическом уровне. И показало бы единство картины мироздания, к пониманию которого исследователи двигаются с разных направлений, охватывающих космические спутниковые программы, астрономические наблюдения и коллайдерные эксперименты физики высоких энергий.

На семинаре, который прошел в CERN в декабре, обсуждались результаты экспериментов по поиску бозона Хиггса на детекторах ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) и CMS (Compact Muon Solenoid), основанные на анализе значительно большего количества данных, чем раньше. По мнению физиков, этого достаточно, чтобы говорить о значительных успехах в поиске бозона Хиггса, но недостаточно, чтобы сделать любое окончательное заявление о существовании или небытии этой неуловимой частицы. Но главное заключение состоит в том, что у «стандартного» бозона Хиггса, если он существует, наиболее вероятно будет масса, ограниченная диапазоном 116-130 ГэВ эксперименте ATLAS и 115-127 ГэВ – в CMS. В любом случае экспериментальных данных еще не достаточно, чтобы говорить о каком-либо открытии. Если этого не случится, то «поймать» бозон Хиггса можно будет только после 2013 года, поскольку коллайдер закроется на долговременный ремонт.

Менее чем через два года к космическому радиотелескопу «Спектр-Р», запущенному на орбиту в июле 2011 г. в рамках проекта «Радиоастрон», присоединится еще одно детище российских конструкторов.

Космическая обсерватория «Спектр-РГ» будет исследовать Вселенную в гамма и рентгеновском диапазонах. Как сообщил заместитель директора Института космических исследований (ИКИ) РАН Михаил Павлинский, запуск обсерватории предварительно запланирован на 29 ноября 2013 г. с космодрома Байконур.

Российско-украинская ракета-носитель «Зенит-2СБ» и разгонный блок «Фрегат-СБ» выведут «Спектр-РГ» в так называемую вторую точку Лагранжа солнечной системы (L2), удаленную от Земли на расстояние 1,5 млн км. Здесь телескоп будет находиться в течение 7 лет, пристально наблюдая за Вселенной. Для сравнения: апогей орбиты космического радиотелескопа «Спектр-Р» эквивалентен расстоянию до Луны и составляет 350 тыс. км (более чем в 4 раза меньше), а ориентировочный срок действия аппарата – 5 лет.

Идея нового проекта была совместно сформулирована советскими, финскими, немецкими, датскими, итальянскими и английскими учеными еще в 1987 г. Предполагалось, что на обсерватории будет установлен рентгеновский телескоп с оптикой косого падения и большой площадью детекторов. В 1988 г. проектирование поручили НПО им. С.А.Лавочкина под координацией ИКИ АН СССР. Однако с развалом Советского Союза работы по проектированию «Спектра-РГ» финансировались не в полном объеме, поэтому даты их окончания и планируемых запусков постоянно переносились. К 2001 г. зарубежные партнеры разработали большинство научных приборов для программы. Но сама программа была профинансирована только наполовину, поэтому запуск планировали только на 2006 г. А в 2006 г. проект «Спектр-РГ» включили в Федеральную космическую программу на 2006-2015 годы.

Известно, что на борту обсерватории будет находиться немецкий рентгеновский телескоп eROSITA, обладающий беспрецедентной комбинацией площади зеркал, угла обзора и разрешающей способности. Радиоастрономия регистрирует радиоволны, излучаемые космическими объектами, а рентгеновская астрономия — изучает их рентгеновское излучение. Это излучение поглощается атмосферой Земли, поэтому рентгеновские телескопы, такие как eROSITA, могут функционировать только в космосе. С помощью этого аппарата ученые собираются искать чёрные дыры и тёмную материю. Ожидается, что eROSITA поможет ответить на вопрос, почему расширение Вселенной ускоряется вместо того, чтобы замедляться. Телескоп состоит из семи независимых систем зеркал диаметром 35,8 см. Каждое зеркало, в свою очередь, будет окружено 54 вспомогательными зеркалами. Масса eROSITA – 760 кг, а энергопотребление – 495 Вт. Пару «немцу» составит «россиянин» ART-XC. Это рентгеновский зеркальный телескоп массой 350 кг и мощностью 300 Вт.

Общая масса «Спектра-РГ» составит 2115 кг (2385 кг с топливом). В течение 4 лет он проведет обзор всего неба восемь раз. Еще 3 года будут посвящены сканированию скопления галактик и ядер активных галактик. Всего планируется просмотреть порядка 4000 объектов. По данным генерального конструктора НПО имени С.А.Лавочкина Виктора Хартова, стоимость «Спектра-РГ» составляет около 5 млрд руб. (столько же стоил печально известный проект «Фобос-Грунт»).

В более далёких планах — запуск на орбиту аппаратов «Спектр-УФ» (2015 г.) и «Спектр-М» или «Миллиметрон» (2018 г.). Первый из них будет работать в ультрафиолетовом диапазоне длин волн, а второй – в миллиметровом. Учёные надеются, что эти космические обсерватории дадут им колоссальный объём ценнейших данных, которого хватит для научных открытий на долгие годы.