| Адроны | |
| Альфа-распад | |
| Альфа-частица | |
| Аннигиляция | |
| Антивещество | |
| Антинейтрон | |
| Антипротон | |
| Античастицы | |
| Атом | |
| Атомная единица массы | |
| Атомная электростанция | |
| Барионное число | |
| Барионы | |
| Бета-распад | |
| Бетатрон | |
| Бета-частицы | |
| Бозе – Эйнштейна статистика | |
| Бозоны | |
| Большой адронный коллайдер | |
| Большой Взрыв | |
Боттом. Боттомоний | |
| Брейта-Вигнера формула | |
| Быстрота | |
| Векторная доминантность | |
| Великое объединение | |
| Взаимодействие частиц | |
| Вильсона камера | |
| Виртуальные частицы | |
| Водорода атом | |
| Возбуждённые состояния ядер | |
| Волновая функция | |
| Волновое уравнение | |
| Волны де Бройля | |
| Встречные пучки | |
| Гамильтониан | |
| Гамма-излучение | |
| Гамма-квант | |
| Гамма-спектрометр | |
| Гамма-спектроскопия | |
| Гаусса распределение | |
| Гейгера счётчик | |
| Гигантский дипольный резонанс | |
| Гиперядра | |
| Глюоны | |
| Годоскоп | |
| Гравитационное взаимодействие | |
| Дейтрон | |
| Деление атомных ядер | |
| Детекторы частиц | |
| Дирака уравнение | |
| Дифракция частиц | |
| Доза излучения | |
| Дозиметр | |
| Доплера эффект | |
| Единая теория поля | |
| Зарядовое сопряжение | |
| Зеркальные ядра | |
| Избыток массы (дефект массы) | |
| Изобары | |
| Изомерия ядерная | |
| Изоспин | |
| Изоспиновый мультиплет | |
| Изотопов разделение | |
| Изотопы | |
| Ионизирующее излучение | |
| Искровая камера | |
| Квантовая механика | |
| Квантовая теория поля | |
| Квантовые операторы | |
| Квантовые числа | |
| Квантовый переход | |
| Квант света | |
| Кварк-глюонная плазма | |
| Кварки | |
| Коллайдер | |
| Комбинированная инверсия | |
| Комптона эффект | |
| Комптоновская длина волны | |
| Конверсия внутренняя | |
| Константы связи | |
| Конфайнмент | |
| Корпускулярно волновой дуализм | |
| Космические лучи | |
| Критическая масса | |
| Лептоны | |
| Линейные ускорители | |
| Лоренца преобразования | |
| Лоренца сила | |
| Магические ядра | |
| Магнитный дипольный момент ядра | |
| Магнитный спектрометр | |
| Максвелла уравнения | |
| Масса частицы | |
| Масс-спектрометр | |
| Массовое число | |
| Масштабная инвариантность | |
| Мезоны | |
| Мессбауэра эффект | |
| Меченые атомы | |
| Микротрон | |
| Нейтрино | |
| Нейтрон | |
| Нейтронная звезда | |
| Нейтронная физика | |
| Неопределённостей соотношения | |
| Нормы радиационной безопасности | |
| Нуклеосинтез | |
| Нуклид | |
| Нуклон | |
| Обращение времени | |
| Орбитальный момент | |
| Осциллятор | |
| Отбора правила | |
| Пар образование | |
| Период полураспада | |
| Планка постоянная | |
| Планка формула | |
| Позитрон | |
| Поляризация | |
| Поляризация вакуума | |
| Потенциальная яма | |
| Потенциальный барьер | |
| Принцип Паули | |
| Принцип суперпозиции | |
| Промежуточные W-, Z-бозоны | |
| Пропагатор | |
| Пропорциональный счётчик | |
| Пространственная инверсия | |
| Пространственная четность | |
| Протон | |
| Пуассона распределение | |
| Пузырьковая камера | |
| Радиационный фон | |
| Радиоактивность | |
| Радиоактивные семейства | |
| Радиометрия | |
| Расходимости | |
| Резерфорда опыт | |
| Резонансы (резонансные частицы) | |
| Реликтовое микроволновое излучение | |
| Светимость ускорителя | |
| Сечение эффективное | |
| Сильное взаимодействие | |
| Синтеза реакции | |
| Синхротрон | |
| Синхрофазотрон | |
| Синхроциклотрон | |
| Система единиц измерений | |
| Слабое взаимодействие | |
| Солнечные нейтрино | |
| Сохранения законы | |
| Спаривания эффект | |
| Спин | |
| Спин-орбитальное взаимодействие | |
| Спиральность | |
| Стандартная модель | |
| Статистика | |
| Странные частицы | |
| Струи адронные | |
| Субатомные частицы | |
| Суперсимметрия | |
| Сферическая система координат | |
| Тёмная материя | |
| Термоядерные реакции | |
| Термоядерный реактор | |
| Тормозное излучение | |
| Трансурановые элементы | |
| Трек | |
| Туннельный эффект | |
| Ускорители заряженных частиц | |
| Фазотрон | |
| Фейнмана диаграммы | |
| Фермионы | |
| Формфактор | |
| Фотон | |
| Фотоэффект | |
| Фундаментальная длина | |
| Хиггса бозон | |
| Цвет | |
| Цепные ядерные реакции | |
| Цикл CNO | |
| Циклические ускорители | |
| Циклотрон | |
Чарм. Чармоний | |
| Черенковский счётчик | |
| Черенковсое излучение | |
| Черные дыры | |
| Шредингера уравнение | |
| Электрический квадрупольный момент ядра | |
| Электромагнитное взаимодействие | |
| Электрон | |
| Электрослабое взаимодействие | |
| Элементарные частицы | |
| Ядерная физика | |
| Ядерная энергия | |
| Ядерные модели | |
| Ядерные реакции | |
| Ядерный взрыв | |
| Ядерный реактор | |
| Ядра энергия связи | |
| Ядро атомное | |
| Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) |
msimagelist>
БОЗОН ХИГГСА
Higgs boson
Бозон Хиггса − массивная бесспиновая
частица, квант соответствующего
поля, возникающего в теоретических моделях со спонтанным нарушением симметрии
(в том числе и в Стандартной модели) и ответственного за возникновение масс
у элементарных частиц.
В 2010 г. «За
прояснение свойств спонтанного нарушения симметрии в четырёхмерной
релятивистской калибровочной теории, а также механизма согласованной генерации
масс векторных бозонов» группе физиков:
Карл Хаген,
Франсуа Энглер,
Джеральд Гуральник,
Питер Хиггс,
Роберт Браут и
Томас Киббл,
была вручена
премия имени
Дзюна Джона Сакураи в
области теоретической физики элементарных частиц.
Стандартная модель предполагает, что существует еще одно поле,
которое практически неотделимо от пустого пространства. Его принято называть
полем Хиггса (по фамилии английского теоретика
Питера Хиггса).
Считается, что все пространство заполнено этим полем, и что частицы приобретают
массу путем взаимодействия с ним. Те из них, которые сильно взаимодействуют
с полем Хиггса, являются тяжелыми частицами, а слабовзаимодействующие −
легкими. Этот эффект аналогичен эффекту движения тела в вязкой жидкости,
когда оно за счет взаимодействия с жидкостью приобретает дополнительную
эффективную массу.
Еще один пример − электрон в кристалле. Из-за электромагнитного
взаимодействия с атомами кристаллической решетки электрон приобретает эффективную
массу, отличную от массы свободного электрона.
Существование бозонов Хиггса чрезвычайно важно
для физики элементарных частиц. По современным теоретическим представлениям,
хиггсовские бозоны имеют прямое отношение к концепции происхождения масс
элементарных частиц – фундаментальному вопросу физики. Примечательно, что
этот вопрос не поднимался до появления Стандартной модели.
В силу корпускулярно-волнового дуализма полю Хиггса должна соответствовать,
по крайней мере, одна частица − квант этого поля, называемая частицей Хиггса
или хиггсовским бозоном. Считается, что хиггсовский бозон имеет нулевой
спин.
4 июля 2012 года, на научном семинаре ЦЕРН
были изложены предварительные результаты экспериментов
ATLAS и
CMS по поиску
бозона Хиггса. Оба детектора наблюдали новую
частицу с массой около 125—126 ГэВ с уровнем статистической
значимости в 5 сигм.
Предполагается что данная частица — бозон, при этом она — самый тяжёлый из
когда-либо обнаруженных бозонов.
На семинар были приглашены физики Франсуа
Энглер, Карл
Хаген, Питер
Хиггс и
Джеральд
Гуральник .
В марте 2013
года появились
сообщения от отдельных исследователей ЦЕРНа,
что найденная полугодом ранее частица действительно является бозоном Хиггса.
В 2013 г Франсуа Энглеру и Питеру
Хиггсу была присуждена Нобелевская премия «За
теоретическое открытие механизма, который вносит свой вклад в наше понимание
происхождения массы субатомных частиц, и который недавно был подтвержден
открытием предсказанной элементарной частицы, в экспериментах ATLAS и CMS на
Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе.»
В марте 2015
года коллаборации ATLAS и CMS уточнили
предыдущие данные по массе бозона: 125.09±0.24 ГэВ, что примерно на 0,2 % точнее
предыдущего значения
Подробнее
- Поиск и открытие бозона Хиггса на БАК
- Бозон Хиггса
- Нобелевская премия по физике вручена за открытие хиггсовского механизма и бозона
Хиггса
10 лет открытию бозона Хиггса.
Что учёные до сих пор не знают о частице?
Физики по всему миру отпраздновали десятилетие со дня пресс-конференции, на которой было объявлено о выдающемся открытии современности. Однако многие свойства «частицы бога» до сих пор остаются для учёных загадкой. Почему бозон Хиггса так называется? Чем он так важен для науки и нашего понимания Вселенной? И как он влияет на стабильность Вселенной? Ответы на все эти вопросы — в нашем материале.
Научная редакция Вести.Ru с интересом следила за объявлением в прямом эфире. По значимости это достижение можно сравнить разве что с созданием примерно в те же годы технологии редактирования генов CRISPR и долгожданном обнаружении гравитационных волн.
В понедельник, 4 июля 2022 года, исполнилось 10 лет со дня проведения знаменитой пресс-конференции в ЦЕРНе, главной европейской лаборатории по изучению основ мироздания. 10 лет назад учёные объявили о долгожданном открытии бозона Хиггса – частицы, которую в те времена часто называли в СМИ «частицей бога».
Яркий пример силы международного сотрудничества позволил обнаружить частицу, которая до этого существовала только в расчётах теоретиков.
Открытие неуловимой частицы заполнило последний пробел в Стандартной модели элементарных частиц — лучшем физическом описании частиц и их взаимодействий на сегодняшний день — и открыло окно в так называемую Новую физику.
С этим открытием в 2012 году фактически завершилось экспериментальное обнаружение элементарных частиц, предсказываемых Стандартной моделью.
Многие тогда надеялись, что теперь начнётся новая эра в физике, которая позволит открыть явления, которые невозможно объяснить с помощью Стандартной модели, и проверить новые экзотические теории, которые объясняют, как устроена Вселенная.
Однако пока этого так и не произошло. Хотя учёные с тех пор провели не один цикл запуска и многолетней работы Большого адронного коллайдера (БАК) и сделали немало других важных открытий в ходе столкновений протонов и тяжёлых ионов внутри гигантского кольца БАК.
Учёные опубликовали 350 научных статей, касающихся бозона Хиггса. Однако многие свойства «частицы бога» до сих пор остаются для них загадкой.
5 вещей, которые узнали физики.
Масса бозона Хиггса составляет 125 миллиардов электронвольт.
Почему масса частицы измеряется не в килограммах? Дело в том, что массу столь малых и неуловимых объектов физикам проще выражать в единицах энергии. Масса и энергия, напомним, связаны знаменитой формулой E=mc2.
В 1960-х годах британский физик-теоретик Питер Хиггс и его коллеги предположили, что то, что сейчас называется полем Хиггса, может объяснить:
— почему у частицы света фотона, переносчика электромагнитного взаимодействия, нет массы,
— почему нет массы у глюона, переносчика сильного взаимодействия,
— почему W- и Z- бозоны, переносчики слабого взаимодействия, обладают столь высокой массой (для элементарных частиц).
W- и Z- бозоны почти в 100 раз тяжелее протона и сопоставимы по этому показателю с гигантами мира химических элементов — технецием и рубидием.
Особые свойства поля Хиггса позволили одной и той же математике объяснить массы всех частиц, и оно стало неотъемлемой частью Стандартной модели. Но теория не делала предсказаний о массе бозона Хиггса и, следовательно, о том, когда БАК сможет его создать.
Тем не менее частица проявила себя намного раньше, чем ожидалось. БАК начал собирать данные в поисках бозона Хиггса в 2009 году, а детекторы ATLAS и CMS фактически поймали его за хвост уже в 2012 году.
Детекторы наблюдали распад всего нескольких десятков бозонов Хиггса на фотоны, W- и Z-бозоны. На них указывал скачок в данных на уровне 125 миллиардов электронвольт (или гигаэлектронвольт, ГэВ), что примерно в 125 раз превышает массу протона.
Масса бозона Хиггса в 125 ГэВ ставит его в золотую середину, что означает, что бозон распадается на широкий спектр частиц с частотой, достаточно высокой для наблюдения в экспериментах на БАК, рассказывает Мэтью Маккалоу, физик-теоретик из ЦЕРН.
«Это очень странно и, вероятно, случайно, но так уж получилось, что [при такой массе] вы можете узнать многое о бозоне Хиггса», ‒ добавляет учёный.
Что же ещё узнали физики?
Бозон Хиггса — частица с нулевым спином.
Спин — это квантово-механическое свойство частицы, которое проще всего представить, если сравнить частицу с магнитом.
Но, чтобы не слишком углубляться в физику элементарных частиц, просто скажем, что все известные фундаментальные частицы имели спин 1/2 или 1. Вместе с тем теории предсказывали, что бозон Хиггса должен быть уникален в этом отношении, так как он имеет нулевой спин (также учёные правильно предсказали, что он имеет нулевой заряд).
В 2013 году эксперименты, проводимые на БАК, позволили изучить угол, под которым фотоны, образующиеся при распаде бозона Хиггса, вылетали в детекторы. Эту информацию учёные использовали, чтобы с высокой вероятностью показать: бозон Хиггса имеет нулевой спин.
К слову, до тех пор, пока это не было продемонстрировано, мало кто из физиков был готов назвать обнаруженную частицу бозоном Хиггса, поясняет Рамона Грёбер, физик-теоретик из Падуанского университета в Италии.
Свойства бозона Хиггса исключили некоторые теории, дополнявшие Стандартную модель.
Физики знают, что Стандартная модель не полностью описывает то, что происходит во Вселенной.
Так, она фактически не работает при высоких энергиях и не может объяснить ключевые наблюдения, такие как существование тёмной материи или почему во Вселенной так мало антиматерии.
Поэтому физики придумали расширения модели, учитывающие это. По словам Грёбер, открытие массы бозона Хиггса в 125 ГэВ сделало некоторые из этих теорий менее привлекательными для исследователей.
Однако из-за массы в 125 ГэВ не так много теорий оказались в ранге несостоятельных.
«У нас есть частица, которая более или менее совместима со всем [, что есть в арсенале физиков]», ‒ рассказала Фрейя Блекман, физик Немецкого электронного синхротрона DESY.
Бозон Хиггса взаимодействует с другими частицами, как и предсказывает Стандартная модель.
Согласно Стандартной модели, масса частицы определяется тем, насколько сильно она взаимодействовала с полем Хиггса.
Хотя бозон, который подобен ряби в поле Хиггса, не играет роли в этом процессе, скорость, с которой бозоны Хиггса распадаются на любую другую частицу или производятся ею, даёт представление о том, насколько сильно эта частица взаимодействует с полем Хиггса.
Эксперименты на БАК подтвердили, что, по крайней мере, для самых тяжёлых частиц, наиболее часто образующихся при распаде бозона Хиггса, масса частиц пропорциональна взаимодействию с полем. И это стало замечательным достижением для теории возрастом 60 лет.
Как частицы получают массу, взаимодействуя с полем Хиггса, или механизм Браута-Энглера-Хиггса.
Теоретики Роберт Браут, Франсуа Энглер и Питер Хиггс предположили, что частицы приобретают массу, взаимодействуя с «полем Хиггса».
Сразу после Большого взрыва поле Хиггса было равно нулю, но по мере охлаждения Вселенной и падения температуры ниже критического значения поле спонтанно возрастало, так что любая взаимодействующая с ним частица приобретала массу.
Чем больше частица взаимодействовала с этим полем, тем она тяжелее. Частицы, подобные фотону, которые не взаимодействовали с ним, вообще не имеют массы.
Всего же частицы «общались» с полем Хиггса порядка 10-12 секунды. До того они не имели массы и путешествовали в пространстве со скоростью света.
Как и все фундаментальные поля, поле Хиггса имеет связанную с ним частицу — бозон Хиггса. Бозон Хиггса — это видимое проявление поля Хиггса, похожее на волну на поверхности моря.
Вселенная стабильна, но только пока.
Расчёты с использованием массы бозона Хиггса показали, что Вселенная может быть стабильной только небольшой промежуток времени, и что существует исчезающе малый шанс, что она может перейти в более низкое энергетическое состояние — с катастрофическими последствиями для всего.
В отличие от других известных полей поле Хиггса имеет низшее энергетическое состояние выше нуля даже в вакууме, и оно пронизывает всю Вселенную.
Согласно Стандартной модели, это так называемое основное состояние системы зависит от того, как частицы взаимодействуют с полем. Вскоре после того, как физики определили массу бозона Хиггса, теоретики использовали это значение (наряду с другими измерениями), чтобы предсказать, что также существует более низкое и более предпочтительное энергетическое состояние для Вселенной.
Попробуем провести аналогию. Все мы порой хотим покоя. Так вот, Вселенная в каком-то смысле пока что подпрыгивает на одной ножке или, если хотите, твёрдо стоит на двух ногах. Но в принципе она хотела бы присесть. Так ей было бы комфортнее.
Впрочем, по словам Маккалоу, переход в другое ещё более энергетически низкое состояние потребует от Вселенной преодоления огромного энергетического барьера. Условно говоря, для того чтобы присесть, Вселенной для начала придётся пробежать марафон.
Вероятность такого исхода настолько мала, что физики полагают следующее: вряд ли это произойдет в масштабе времени жизни Вселенной.
«Наш конец света наступит гораздо раньше по другим причинам», — говорит Маккалоу.
Не слишком вдохновляюще, зато честно. По крайней мере, с точки зрения науки.
5 вещей, которые учёные всё ещё хотят выяснить.
Можем ли мы сделать измерения бозона Хиггса более точными?
На данный момент свойства «частицы бога» соответствуют предсказанным Стандартной моделью, но погрешность измерений составляет около 10%.
Это как если бы мы узнали, что «рост» человека составляет 150 см плюс-минус 15 см. То есть он может быть ростом как 165 см, так и ростом 135 см и всё, что посередине. Довольно ощутимый разброс, не правда ли?
В общем, имеющихся данных, несмотря на все впечатляющие возможности самой большой в мире экспериментальной установки (каковой является БАК), недостаточно. Они не позволяют выявить тонкие различия, предсказанные новыми физическими теориями, которые лишь немногим отличаются от Стандартной модели.
Что может помочь снизить эту погрешность? Новые данные, собранные в ходе новых столкновений. Как те, которые ещё обрабатываются, так и те, что будут получены лишь в будущем.
На данный момент детекторы БАК собрали только одну двадцатую от общего объёма информации, которую он призван собрать. И учёным все эти данные ещё довольно долго придётся обрабатывать.
Увидеть намёки на Новую физику, то есть те теории, которые позволят объяснить то, что не объясняет Стандартная модель, можно будет в новых более точных исследованиях.
Взаимодействует ли бозон Хиггса с более лёгкими частицами?
До сих пор взаимодействия бозона Хиггса с другими частицами, казалось, соответствовали Стандартной модели. Однако физики видели, как он распадается только на самые тяжёлые частицы.
Теперь физики хотят проверить, взаимодействует ли он таким же образом с частицами из более лёгких семейств.
В 2020 году детекторы CMS и ATLAS наблюдали одно такое взаимодействие — редкий распад бозона Хиггса на двоюродного брата второго поколения электрона, называемого мюоном.
Хотя это свидетельствует о том, что связь между массой и силой взаимодействия с полем Хиггса сохраняется и для более лёгких частиц, физикам нужно больше данных, чтобы подтвердить это.
Взаимодействует ли бозон Хиггса сам с собой?
Бозон Хиггса имеет массу, поэтому он должен взаимодействовать сам с собой. А вот нейтрино в этом смысле куда более неуловимо.
Однако такие взаимодействия — например, распад энергичного бозона Хиггса на два менее энергичных — происходят крайне редко, потому что все вовлечённые в этот процесс частицы очень тяжёлые.
Учёные надеются найти намёки на подобное взаимодействие после запланированной модернизации БАК в 2026 году. Впрочем, для убедительных доказательств этому физикам, вероятно, потребуется построить даже более мощный коллайдер.
Скорость этого взаимодействия с самим собой имеет решающее значение для понимания Вселенной, говорит Маккалоу.
Вероятность такого взаимодействия связана с изменением потенциальной энергии поля Хиггса вблизи своего минимума, который описывает условия сразу после Большого взрыва.
Таким образом, знания об этом процессе может помочь учёным понять динамику ранней Вселенной.
Грёбер отмечает, что многие теории, которые пытаются объяснить, как материя во Вселенной каким-то образом стала более распространённой, чем антиматерия, требуют взаимодействия бозонов Хиггса между собой.
Однако в этом они расходятся с предсказанием Стандартной модели на целых 30%.
«Я даже не могу передать, насколько важны [эти измерения]», ‒ говорит Маккалоу.
Каково время жизни бозона Хиггса?
Физики хотят знать время жизни бозона Хиггса — сколько в среднем он существует, прежде чем распасться на другие частицы. И дело не в самой цифре, как таковой, а в том, что любое отклонение от предсказаний может указывать на взаимодействие с неизвестными частицами, такими как те, которые составляют тёмную материю. Однако его время жизни слишком мало, чтобы его можно было измерить напрямую.
Чтобы измерить его косвенно, физики смотрят на разброс энергии частицы по нескольким измерениям (квантовая физика предполагает, что неопределённость в энергии частицы должна быть обратно пропорциональна времени её жизни).
В 2021 году физики, работающие с данными детектора CMS, произвели первое грубое измерение времени жизни бозона Хиггса: получилось 2,1×10–22 секунды.
Этот результат показывает, что время жизни соответствует Стандартной модели.
Насколько верны и верны ли экзотические прогнозы?
Некоторые теории, расширяющие Стандартную модель, предсказывают, что бозон Хиггса не является фундаментальной частицей. То есть он, подобно, например, протону, состоит из других составляющих элементов (кварков).
Другие предполагают, что бозонов Хиггса несколько, просто мы пока ещё не в состоянии их различить, так как ведут они себя одинаково. Однако они отличаются, к примеру, зарядом или спином.
Новые эксперименты на БАК, о которых мы подробно расскажем в ближайшее время, позволят понять, действительно ли бозон Хиггса является частицей Стандартной модели. Также новые опыты по столкновению частиц позволят выявить свойства, предсказанные другими теориями.
Так, физики будут искать в данных распады на запрещённые комбинации частиц.
Получается, непаханое поле Хиггса ждёт ещё немало испытаний и новых исследователей.
Питер Хиггс стоял у истоков создания БАК. На этом снимке он стоит возле детектора CMS, который на тот момент был на техобслуживании.
Фото Maximilien Brice/CERN.
Почему «бозон Хиггса» и почему «частица бога»?
Отчего поле Хиггса и бозон назвали именем британского физика, понятно.
Но почему «частица бога»? Такое название ей придумал нобелевский лауреат Леон Ледерман, написавший книгу «Частица бога: если Вселенная это ответ, то каков вопрос?». Американские и британские издательства любят громкие названия, даже если они не отражают сути.
К слову, сам Ледерман предлагал назвать бозон Хиггса частицей, «проклятой Богом» (goddamn particle). Но у этого слова сильный негативный оттенок в английском языке, вероятно, поэтому редактор отверг такой вариант.
Так как, как мы уже рассказали, бозон Хиггса определяет массы других частиц и своего рода материальность всего известного нам мира, «частица бога» выглядит довольно естественно.
Правда, самим учёным больше по душе другой ироничный вариант — «бозон бутылки шампанского» (champagne bottle boson) — из-за сходства потенциала комплексного поля Хиггса с дном стандартной бутылки игристого вина.
Пример потенциала поля Хиггса при фиксированном значении одной из переменных.
Иллюстрация Gonis/Wikimedia Commons.
Было ли открытие бозона Хиггса вершиной достижений физики высоких энергий в ЦЕРНе?
Как, надеемся, стало понятно из нашего длинного рассказа: нет. Впереди ещё много открытий.
Но хочется отметить, сколь огромен вклад стран-создателей БАК и ЦЕРНа в частности, в популяризацию физики элементарных частиц.
До того как была построена эта огромная, сложная, очень дорогостоящая и столь нужная для понимания Вселенной машина, широкую общественность куда больше волновало, не создадут ли «горе-физики» в БАК чёрную дыру, которая затем поглотит Землю и всё живое.
Однако с годами сами учёные, представители пресс-служб научных организаций и приглашённые ими журналисты смогли создать у обычных людей адекватное представление о происходящем на БАК.
Объявление об открытии бозона Хиггса смотрели тысячи людей по всему миру. И они искренне хотели понять, отчего же «частица бога»? Возможно, не будь тогда проведена столь впечатляющая работа, не увидели бы мы сегодня в неспециализированных изданиях заголовки, подобные этому.
Вместе с тем складывающая в мире (и в науке) ситуация не позволяет надеяться на то, что в ближайшие годы сотрудничество между странами возобновится с той же силой, что и прежде.
Да, Большой адронный коллайдер готовится к новым рекордам, и об этом мы тоже напишем в ближайшие дни. Однако Россия фактически перестала быть полноценным партнёром ЦЕРНа, а значит, наши учёные с их блестящими компетенциями перестанут пополнять ряды европейских лабораторий.
Разрушение былых связей признают даже за океаном, где учёным также пришлось сконцентрироваться на других проектах.
В то же время Япония вряд ли построит Международный линейный коллайдер, да и планы Китая относительно Китайского электрон-позитронного коллайдера могут оказаться слишком амбициозными даже для Поднебесной.
Видимо, очередной праздник физики высоких энергий нам придётся подождать.
Бозон Хиггса: объяснение «божественной частицы»
Художественная иллюстрация бозона Хиггса, создаваемого двумя сталкивающимися протонами.
(Изображение предоставлено: MARK GARLICK / SCIENCE PHOTO LIBRARY через Getty Images)
Бозон Хиггса — это фундаментальная частица поля Хиггса, несущая силу, которая отвечает за передачу массы другим частицам. Это поле было впервые предложено в середине шестидесятых годов Питером Хиггсом — , в честь которого названа частица, и его коллегами.
Частица была обнаружена 4 июля 2012 года исследователями на Большом адронном коллайдере (БАК) — самом мощном ускорителе частиц в мире, расположенном в европейской лаборатории физики элементарных частиц ЦЕРН, Швейцария.
БАК подтвердил существование поля Хиггса и механизма, порождающего массу, и, таким образом, завершил стандартную модель физики элементарных частиц — лучшее описание субатомного мира, которое у нас есть.
Связанный: Бозон Хиггса мог удержать нашу Вселенную от коллапса
Соавтор
Роберт Ли — научный журналист и соавтор для Space.com. Он имеет степень бакалавра наук в области физики и астрономии Открытого университета Великобритании.
По мере того, как ученые приближались к концу 20-го века, достижения в физике элементарных частиц дали ответы на многие вопросы, связанные с фундаментальными строительными блоками природы. Тем не менее, пока физики неуклонно заселяли зоопарк частиц электронами, протонами, бозонами и всевозможными кварками, некоторые насущные вопросы упорно оставались без ответа. Среди них, почему некоторые частицы имеют массу?
История бозона Хиггса мотивирована этим вопросом.
Что такое бозон Хиггса?
Бозон Хиггса имеет массу 125 миллиардов электрон-вольт — это означает, что он в 130 раз массивнее протона , по данным CERN .
Он также не имеет заряда и имеет нулевой спин — квантово-механический эквивалент углового момента. Бозон Хиггса — единственная элементарная частица, не имеющая спина.
Бозон — это частица-носитель силы, которая вступает в игру, когда частицы взаимодействуют друг с другом, при этом бозон обменивается во время этого взаимодействия. Например, когда два электрона взаимодействуют, они обмениваются фотоном — частицей-переносчиком электромагнитных полей.
Поскольку квантовая теория поля описывает микроскопический мир и квантовые поля, заполняющие Вселенную, с помощью волновой механики, бозон можно также описать как волну в поле.
Итак, фотон — это частица и волна, возникающие из возбужденного электромагнитного поля, а бозон Хиггса — это частица или «квантованное проявление», возникающее из поля Хиггса при возбуждении. Это поле генерирует массу за счет взаимодействия с другими частицами и механизма, переносимого бозоном Хиггса, который называется механизмом Браута-Энглерта-Хиггса.
Почему бозон Хиггса называют «частицей Бога»?
Детектор ATLAS (тороидальный аппарат LHC) — один из детекторов общего назначения LHC. ATLAS вместе с детектором CMS впервые обнаружил бозон Хиггса. (Изображение предоставлено xenotar через Getty Images)
(открывается в новой вкладке)
Прозвище бозона Хиггса «Частица Бога» закрепилось после его открытия, а именно благодаря популярным средствам массовой информации. Происхождение этого часто связано с тем, что физик Леон Ледерман, лауреат Нобелевской премии, называл бозон Хиггса «проклятой частицей» в разочаровании по поводу того, насколько сложно его было обнаружить.
Business Insider (открывается в новой вкладке) сообщает, что, когда Ледерман написал книгу о бозоне Хиггса в 1990-х годах, она должна была называться «Чертова частица», но издатели изменили ее на «Частица Бога» и неприятную связь с была нарисована религия, которая беспокоит физиков и по сей день.
Тем не менее, трудно переоценить значение бозона Хиггса и поля Хиггса в целом, так как без этого аспекта природы ни одна частица не имела бы массы.
Это означает отсутствие звезд, планет и нас — что-то, что может помочь оправдать его гиперболическое прозвище.
Чем важен бозон Хиггса?
В 1964 году исследователи начали использовать квантовую теорию поля для изучения слабого ядерного взаимодействия — , которое определяет атомный распад элементов путем превращения протонов в нейтроны — и его переносчиков бозонов W и Z.
Слабые носители взаимодействий должны быть безмассовыми, а если бы это было не так, это могло бы нарушить принцип природы, называемый симметрией, который — точно так же, как симметрия формы, гарантирует, что она выглядит одинаково, если ее повернуть или перевернуть — обеспечивает законы природа одинакова, как бы на нее ни смотрели. Произвольное присвоение массы частицам также привело к стремлению некоторых предсказаний к бесконечности.
Тем не менее, исследователи знали, что, поскольку слабое взаимодействие настолько велико при взаимодействии на коротких расстояниях — намного мощнее гравитации — , но очень слабо при более длинных взаимодействиях, его бозоны должны иметь массу.
Решение, предложенное Питером Хиггсом, Франсуа Энглером и Робертом Браутом в 1964 году, было новой областью и способом «обмануть» природу, заставив ее спонтанно нарушить симметрию.
Истории по теме:
Статья из CERN сравнивает это с карандашом, стоящим на кончике — симметричная система — внезапно наклоняющимся в нужном направлении, нарушая его симметрию. Хиггс и его коллега-физик предположили, что при рождении Вселенная была заполнена полем Хиггса в симметричном, но нестабильном состоянии — «подобно ненадежно сбалансированному карандашу».
Поле быстро, всего за доли секунды, находит устойчивую конфигурацию, но при этом нарушает свою симметрию. Это порождает механизм Браута-Энглерта-Хиггса, который придает массу бозонам W и Z.
Позднее было обнаружено, что поле Хиггса не только придает массу бозонам W и Z, но и многим другим фундаментальным частицам. Без поля Хиггса и механизма Браута-Энглерта-Хиггса все элементарные частицы мчались бы по Вселенной со скоростью света.
Эта теория не только объясняет, почему частицы имеют массу, но и то, почему они имеют разные массы.
Частицы, которые сильнее взаимодействуют — или «сцепляются» — с полем Хиггса, получают большие массы. Даже сам бозон Хиггса получает свою массу от собственного взаимодействия с полем Хиггса. Это было подтверждено наблюдением за распадом частиц бозона Хиггса.
Одна частица, которой поле Хиггса не придало массы, — это основная частица света — фотон. Это связано с тем, что для фотонов не происходит спонтанного нарушения симметрии, как это происходит с другими частицами, переносящими взаимодействие, W- и Z-бозонами.
Это явление предоставления массы также применимо только к фундаментальным частицам, таким как электроны и кварки. Такие частицы, как протоны — состоящие из кварков — , получают большую часть своей массы за счет энергии связи, удерживающей их составляющие вместе.
Хотя все это хорошо согласуется с теорией, следующим шагом было обнаружение свидетельств существования поля Хиггса путем обнаружения его переносящей силу частицы.
Сделать это было бы непростой задачей, на самом деле для этого потребовался бы самый большой эксперимент и самая сложная машина в истории человечества.
Таким образом, поиск самого бозона Хиггса довел до предела как ускорители частиц, так и технологию детекторов — , окончательным выражением которых стал Большой адронный коллайдер (БАК).
Открытие бозона Хиггса и стандартная модель
Стандартная модель физики элементарных частиц и обитатели зоопарка частиц, дополненные бозоном Хиггса, который придает большинству из них массу. (Изображение предоставлено Cush/Wikimedia Commons)
(открывается в новой вкладке)
Обнаружение бозона Хиггса — это не просто установка детектора и ожидание его появления. Эти частицы существовали только в высокоэнергетических условиях ранней Вселенной.
Это означает, что перед обнаружением этой частицы необходимо воспроизвести эти высокоэнергетические условия и создать бозоны Хиггса. БАК делает это, разгоняя протоны до околосветовой скорости и сталкивая их друг с другом.
Это создает каскад частиц, которые быстро распадаются на более легкие частицы. Бозон Хиггса распадается слишком быстро, чтобы его можно было обнаружить, и вместо этого он был идентифицирован путем обнаружения распадов частиц, которые указывали на частицу без спина и соответствовали теоретическим предсказаниям для этого отсутствующего бозона.
Частица была обнаружена как детектором LHC ATLAS, так и детектором компактного мюонного соленоида (CMS).
Объявление об обнаружении бозона Хиггса было сделано в ЦЕРНе в Женеве 4 июля 2012 года. Только в марте следующего года было подтверждено, что обнаруженная частица действительно была бозоном Хиггса.
Обнаружение этой частицы, предсказанное стандартной моделью, открытие бозона Хиггса завершило эту картину субатомного мира. За пределами этой теории все еще остаются загадки, такие как природа темной материи, которую бозон Хиггса — благодаря своим уникальным свойствам — может помочь решить.
Бозон Хиггса после 2012 года
Через год после открытия бозона Хиггса Питер Хиггс и Франсуа Энглер были удостоены Нобелевской премии по физике 2013 года за свою теорию поля Хиггса.
Нобелевский комитет написал о награде: «за теоретическое открытие механизма, который способствует нашему пониманию происхождения массы субатомных частиц и который недавно был подтвержден открытием предсказанного фундаментального частица, полученная с помощью экспериментов ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере ЦЕРН».
Открытие бозона Хиггса, возможно, завершило стандартную модель, но это не было концом исследования этой неуловимой частицы. Одно из главных открытий, сделанных с 2012 года, связано с подтверждением распада бозона Хиггса.
Исследование этой неуловимой частицы будет углубляться во время третьего прогона БАК и особенно после завершения модернизации ускорителя частиц в 2029 году (откроется в новой вкладке).
Это позволит LHC проводить больше столкновений, предоставляя исследователям больше возможностей обнаружить экзотическую физику, включая явления, выходящие за рамки стандартной модели.
По оценкам ЦЕРН, каждый год после модернизации ускоритель будет создавать 15 миллионов таких частиц.
Это сопоставимо с 3 миллионами бозонов Хиггса, созданными БАК в 2017 году. Это может быть ключом к обнаружению других «ароматов» бозона Хиггса.
Теории, выходящие за рамки стандартной модели физики элементарных частиц, также предсказывают целых пять различных типов бозонов Хиггса, которые могут рождаться реже, чем первичный бозон Хиггса. Еще до обновлений ученые предоставили нам дразнящие доказательства существования «магнитного бозона Хиггса».
Дополнительное чтение
Открытие бозона Хиггса завершило то, что известно как стандартная модель физики элементарных частиц. ЦЕРН объясняет (открывается в новой вкладке), что эта структура говорит нам о субатомном мире. Узнайте больше о бозоне Хиггса из этой статьи Министерства энергетики США (откроется в новой вкладке). Изучите некоторые часто задаваемые вопросы (откроется в новой вкладке) о бозоне Хиггса с CERN.
Библиография
Бозон Хиггса, ЦЕРН, https://home.cern/science/physics/higgs-boson (открывается в новой вкладке)
Бозон Хиггса, Министерство энергетики, https://www.
energy.gov/science/doe-explainsthe-higgs-boson
Что особенного в бозоне Хиггса?, CERN, https ://home.cern/science/physics/higgs-boson/what
Хиггс. P., НАРУШЕННЫЕ СИММЕТРИИ И МАССЫ КАЛИБРОВОЧНЫХ БОЗОНОВ, Physical Review Letters, [1964], [https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.13.508 ]
Питер В. Хиггс, Нобелевская премия, https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2013/higgs/facts/ (открывается в новой вкладке)
LHC High Luminosity, ЦЕРН, https://home.cern/science/accelerators/high-luminosity-lhc (открывается в новой вкладке)
Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].
Роберт Ли – научный журналист из Великобритании, чьи статьи были опубликованы в журналах Physics World, New Scientist, Astronomy Magazine, All About Space, Newsweek и ZME Science.
Он также пишет о научной коммуникации для Elsevier и European Journal of Physics. Роб имеет степень бакалавра наук в области физики и астрономии Открытого университета Великобритании. Подпишитесь на него в Твиттере @sciencef1rst.
Бозон Хиггса | физика | Британика
Обнаружение бозона Хиггса
Просмотреть все СМИ
- Ключевые люди:
- Питер Хиггс
Франсуа Энглер
- Связанные темы:
- субатомная частица
Механизм Хиггса
Просмотреть весь связанный контент →
Бозон Хиггса , также называемый Частица Хиггса , частица, которая является частицей-носителем или бозоном поля Хиггса, поля, которое пронизывает пространство и наделяет все элементарные субатомные частицы массой посредством взаимодействия с ними. Поле и частица, названные в честь Питера Хиггса из Эдинбургского университета, одного из физиков, впервые предложивших механизм в 1964 году, предоставили проверяемую гипотезу происхождения массы у элементарных частиц.
В популярной культуре бозон Хиггса часто называют «божественной частицей» по названию нобелевского физика Леона Ледермана.0115 Частица Бога: Если Вселенная является ответом, то в чем вопрос? (1993), в котором содержалось утверждение автора о том, что открытие частицы имеет решающее значение для окончательного понимания строения материи.
Узнайте, почему бозон Хиггса включен в стандартную модель наряду с такими частицами, как электроны, фотоны и кварки
Просмотреть все видео к этой статье
Узнайте, как поле Хиггса определяет массу частицы
Просмотреть все видео к этой статье
Поле Хиггса отличается от других фундаментальных полей, таких как электромагнитное поле, которые лежат в основе основных сил между частицами. Во-первых, это скалярное поле; т. е. имеет величину, но не имеет направления. Это означает, что его носитель, бозон Хиггса, имеет собственный угловой момент или спин, равный 0, в отличие от носителей силовых полей, которые имеют спин. Во-вторых, поле Хиггса обладает необычным свойством: его энергия выше, когда поле равно нулю, чем когда оно отлично от нуля.
Таким образом, элементарные частицы приобрели свои массы в результате взаимодействия с ненулевым полем Хиггса только тогда, когда Вселенная остыла и стала менее энергичной после Большого взрыва (гипотетического первичного взрыва, при котором возникла Вселенная). Разнообразие масс, характеризующих элементарные субатомные частицы, возникает из-за того, что разные частицы имеют разную силу взаимодействия с полем Хиггса.
Тест «Британника»
Физика и законы природы
Какая сила замедляет движение? Каждому действию есть равное и противоположное что? В этом викторине по физике нет ничего, что E = mc было бы квадратным.
Механизм Хиггса играет ключевую роль в электрослабой теории, которая объединяет взаимодействия через слабое взаимодействие и электромагнитное взаимодействие. Это объясняет, почему носители слабого взаимодействия, частицы W и Z, тяжелые, в то время как носитель электромагнитного взаимодействия, фотон, имеет нулевую массу. Экспериментальные данные о бозоне Хиггса являются прямым указанием на существование поля Хиггса.