Нобелевская премия по физике - за предсказание бозона Хиггса

Во вторник, 8 октября, в Стокгольме были объявлены имена лауреатов Нобелевской премии по физике за 2013 год. Ими стали - как, собственно, и ожидалось, - двое физиков-теоретиков, специалистов в области элементарных частиц: бельгиец Франсуа Энглер (Francois Englert) и британец Питер Хиггс (Peter Ware Higgs).

Формулировка, провозглашенная постоянным секретарем Шведской королевской академии наук Стаффаном Нурмарком (Staffan Normark), звучит так: "за теоретическое открытие механизма, который способствует нашему пониманию происхождения массы субатомных частиц, и который недавно получил подтверждение благодаря открытию предсказанной фундаментальной частицы в экспериментах ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе".

Жаркие дискуссии за закрытыми дверями

Журналистам, собравшимся в актовом зале академии, пришлось прождать этого торжественного момента лишний час: столь беспрецедентная задержка, если верить объяснениям члена Нобелевского комитета по физике профессора Ольги Бутнер (Olga Botner), была вызвана несколько затянувшимся жарким обсуждением кандидатур на премию.

Но задержка в один час - это, конечно, сущий пустяк, если иметь в виду, что новоиспеченным лауреатам пришлось дожидаться признания своих заслуг Нобелевским комитетом почти полвека. Правда, это ожидание было отчасти скрашено рядом других почетных премий, полученных также совместно.

Примечательно, что, несмотря на это обстоятельство, первая личная встреча нынешних лауреатов - признанных корифеев в этой области исследований - произошла лишь летом прошлого года: оба присутствовали на исторической пресс-конференции в ЦЕРНе, когда было объявлено об экспериментальном открытии бозона Хиггса - той самой частицы, упомянутой теперь в обосновании присуждения Нобелевской премии.

Но прежде чем попытаться понять, в чем же состоит сущность удостоенных премии научных достижений, давайте коротко познакомимся с виновниками торжества.

Коротко о лауреатах: Франсуа Энглере...

Франсуа Энглеру скоро исполнится 81 год. Он родился 6 ноября 1932 года в Эттербеке - пригороде Брюсселя. В 1955 году Энглер окончил Брюссельский свободный университет по специальности "электроинженер", там же в 1959 году защитил диссертацию, после чего отправился в США, где проработал два года в Корнельском университете под руководством профессора Роберта Браута (Robert Brout).

В 1961 году он вернулся в родной Брюссельский университет, где занял должность профессора. Туда же перебрался и Браут, получивший вскоре бельгийское подданство. В 1964 году они совместно - но независимо от Хиггса - выдвинули ту гипотезу и опубликовали ту работу, которая удостоились теперь Нобелевской премии. К сожалению, Роберт Браут не дожил до этого дня (он скончался в 2011 году в Брюсселе), иначе он наверняка оказался бы в числе сегодняшних лауреатов, тем более что ряд престижных премий Хиггс, Энглер и Браут все же успели получить совместно (премию Европейского физического общества в области физики высоких энергий и частиц, премию Вольфа, премию Сакураи).

С 1988 года профессор Энглер руководил - опять же совместно с Браутом - отделением теоретической физики Брюссельского свободного университета. В 1998 году ученый вышел на пенсию, но продолжил получать разного рода премии, а летом прошлого года король Бельгии Альберт II пожаловал ему баронский титул.

...и Питере Хиггсе

Питер Хиггс старше своего коллеги - ему перевалило за 84. Он родился 29 мая 1929 года в Ньюкасле на северо-востоке Англии, близ границы с Шотландией. Учился в Бристоле и Лондоне, в 1947 году окончил лондонский Королевский колледж, в 1954 году там же защитил диссертацию по специальности "физика", а затем начал научно-исследовательскую деятельность в Эдинбургском университете. Несколько лет Хиггс провел, преподавая физику и математику в Имперском колледже Лондона и в Университетском колледже Лондона, но в 1960 году вернулся в Эдинбургский университет.

Там прошла вся его дальнейшая научная карьера, там он возглавлял кафедру теоретической физики, получил множество премий, стал членом Королевского научного общества. Там же в 1964 году Хиггс выполнил - независимо от Энглера с Браутом - и ту работу, что получила теперь признание Нобелевского комитета. В 1996 году ученый вышел на пенсию, но отнюдь не ушел на покой, продолжая преподавать и получать премии и прочие почести.

Помимо научной работы, Хиггс известен и своей общественной деятельностью: был активистом Движения за ядерное разоружение, но порвал с ним, когда там стали бороться также и с ядерной энергетикой; поддерживал "Гринпис", но лишь до тех пор, пока эта организация не стала выступать против генной инженерии.

Стандартная модель: 24 фермиона...

А теперь давайте попробуем хотя бы в самых общих чертах разобраться в том, за что получили премию сегодняшние лауреаты. Тут нужно сказать несколько слов о том, что же такое Стандартная модель - основная теория современной физики элементарных частиц.

Согласно сегодняшним представлениям, все вещество состоит из 24 так называемых фермионов - фундаментальных частиц с полуцельным значением спина. Они образуют три семейства (или, как говорят специалисты, три поколения). Каждое поколение состоит из двух лептонов и двух кварков, причем кварки в свободном состоянии не встречаются. Вся окружающая нас материя состоит из частиц первого поколения: два вида кварков (нижний и верхний) и один вид лептона (электрон) образуют атомы, еще один лептон (электронное нейтрино) в состав атомов не входит, но является вездесущим, потому что практически беспрепятственно проникает сквозь материю.

Два других поколения состоят из короткоживущих нестабильных частиц. Во втором поколении кварки называются странный и очарованный, лептоны - мюоном и мюонным нейтрино. Третье поколение объединяет прелестный и истинный кварки, а также тау-лептон и тау-нейтрино. Кроме того, у каждой из этих 12 частиц существует и античастица, обладающая такими же параметрами, но электрическим зарядом противоположного знака. При столкновении частицы с соответствующей античастицей происходит их взаимная аннигиляция, они излучаются в виде чистой энергии.

и 4 вида взаимодействия

В природе существуют также четыре вида взаимодействия - электромагнитное, сильное, слабое и гравитационное. Взаимодействия реализуются частицами с целочисленным значением спина - так называемыми бозонами. Например, внутренняя стабильность атома обеспечивается электромагнитным взаимодействием, носителем которого являются фотоны. Кварки удерживаются в составе атомного ядра сильным взаимодействием, его переносит частица под названием глюон. Слабое взаимодействие, ответственное за радиоактивный бета-распад, реализуется W- и Z-бозонами. Предполагается, что существует и гравитон - частица, реализующая гравитационное взаимодействие, однако обнаружить его экспериментально пока не удалось. До сих пор квантовая теория гравитации не разработана, и Стандартная модель не включает в себя гравитационное взаимодействие.

Но со Стандартной моделью долгие десятилетия была связана и еще одна проблема: в ней все частицы лишены массы, а без массы они должны перемещаться со скоростью света, так что никакие атомы, планеты и звезды были бы невозможны. Выход из тупика предложили Роберт Браут и Франсуа Энглер и - независимо от них - Питер Хиггс. Было это в 1964 году.

Кстати, в том же году ту же идею выдвинула - независимо от Браута, Энглера и Хиггса - еще одна группа ученых - Джеральд Гуральник (Gerald Guralnik), Карл Хейген (Carl R. Hagen) и Том Киббл (Tom W. B. Kibble), а поскольку все они живы, хоть и немолоды, то Нобелевскому комитету и впрямь было что сегодня обсуждать.

Так вот, авторы гипотезы предложили считать, что вся Вселенная заполнена неким вязким полем, которое с разной силой тормозит разные частицы, что и придает им массу. Носителем такого поля является бозон, названный бозоном Хиггса и ставший объектом интенсивного поиска. Поиск продолжался почти полвека и увенчался успехом лишь благодаря вводу в строй мощнейшего ускорителя - Большого адронного коллайдера. Таким образом, последнее белое пятно современной Стандартной теории удалось, наконец, закрыть.