Содержание
5-я сила – Хиггсовское взаимодействие
5-я сила – Хиггсовское взаимодействие Хиггсовское взаимодействие – это Какова роль этого поля? Симметрии теорий микромира запрещают Как формируется масса элементарной частицы ?Существует два типа элементарных частиц:
Масса сложного объекта (адрона) формируется из (2mu что составляет ≈1% массы протона (938,3 МэВ/c2). Каковы свойства хиггсовского поля ? Во-первых, это поле однородно, т. mfc2 = ξf ·φ0. Из этого выражения следует, что для электрона ξe ≈ Основной способ распада бозона Хиггса – на пару b-кварк и его На этом рисунке показаны основные типы узлов Таким образом, в Стандартной Модели имеется 6
|
Т. е.
е.
Чем сильнее
Фотон и глюон остаются
Также как в гравитационном поле (например, Земли) различные
К тому же гравитацияБозон Хиггса — крайне важно и загадочно
Подпишитесь на нашу рассылку ”Контекст”: она поможет вам разобраться в событиях.
Ученые, работающие на Большом адронном коллайдере (БАК), заявили об обнаружении частицы, соответствующей параметрам бозона Хиггса.
Это может стать одним из величайших научных открытий XXI века.
В чем же важность этого элемента, на поиски которого физики потратили больше 40 лет?
Эта тема обсуждается на форуме bbcrussian.com
Что такое бозон Хиггса?
Долгие годы эта частица существовала только в умах физиков-теоретиков. Существует устоявшаяся гипотеза о том, как устроена большая часть Вселенной: известны все частицы, формирующие атомы, молекулы и материю, которая нас окружает; также изучены силы, приводящие все это в движение. Эта гипотеза получила название
«Стандартная модель».
Тем не менее, в этой теоретической конструкции существует пробел: в ней не объясняется, каким образом все эти частицы обретают массу. В 1964 году группа из шести ученых, в которую входил физик из Эдинбурга Питер Хиггс, предложила свое объяснение этого процесса, получившее название «механизм Хиггса».
Кое-что о массе
По сути, масса показывает, сколько вещества содержит любой объект — частица, молекула или, скажем, собака.
При отсутствии массы все элементарные частицы, формирующие атомы, двигались бы со световой скоростью и не были бы способны сформировать материю во Вселенной, как мы ее представляем.
В соответствии с механизмом Хиггса, Вселенную пронизывает некое поле — поле Хиггса — которое и позволяет частицам обрести массу. Предполагается, что взаимодействие с появляющимися в этом поле бозонами Хиггса и наделяет двигающиеся элементы массой. Этот процесс можно сравнить со снежным полем, по которому не получается быстро идти, поскольку снег налипает на ботинки и мешает идти.
Как искали бозон Хиггса?
Пропустить Подкаст и продолжить чтение.
Подкаст
Что это было?
Мы быстро, просто и понятно объясняем, что случилось, почему это важно и что будет дальше.
эпизоды
Конец истории Подкаст
Стандартная модель не говорит о том, какой массой обладает сам бозон Хиггса.
При помощи ускорителей частиц, таких как Большой адронный коллайдер, ученые ищут эту частицу среди различных элементов, в которых она может находиться. Происходит это путем наблюдения за столкновениями субатомных частиц — протонов — на скоростях, приближающихся к скорости света. Эти столкновения порождают множество более мелких частиц, которые могут быть выделены только таким путем.
Сам бозон Хиггса в чистом виде, возможно, никогда нельзя будет наблюдать, однако ученые не оставляли попыток отыскать его мимолетные проявления в потоке частиц после столкновений в коллайдере. Если он ведет себя так, как предполагают физики, он должен распадаться на более мелкие составляющие, формирующие шлейф, доказывающий его существование.
Большой адронный коллайдер — не первое сооружение, которое используют для охоты за бозоном. Там же, в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН), с 1989 по 2000 годы работал другой ускоритель — Большой электрон-позитронный коллайдер.
В США для этих же целей использовался кольцевой ускоритель «Теватрон», но его работа была прекращена в 2011 году. 2 июня 2012 года работавшие на нем ученые опубликовали доклад, выводы которого схожи с открытиями специалистов, проводившими эксперименты на БАК.
Когда мы узнаем, что бозон Хиггса найден?
Ученые, изучающие элементарные частицы, в большинстве своем довольно консервативны, когда речь заходит о том, чтобы на весь мир заявить о важном открытии.
Если подбросить монету десять раз и восемь раз выпадет «орел», можно сделать вывод, что она каким-то образом заряжена. Но для того чтобы заявить об этом с уверенностью, требующейся в физике для признания открытия, эту монету нужно подбросить сотни раз.
Первым препятствием является выяснение точной массы частицы: судя по всему, ответ на этот вопрос уже близок. Дальше надо ответить на следующие вопросы: ведет ли себя бозон Хиггса так, как описывается в теории; каким образом он взаимодействует с другими элементами и как распадается на более мелкие частицы.
Фактически это авангард мировой науки, и, возможно, подтверждение всех положений Стандартной модели — вопрос не самого ближайшего будущего.
Что дальше?
Многие физики говорят, что окончательное подтверждение положений теории Хиггса стало бы для них разочарованием. Конечно, масштабные проекты, подобные БАК, реализовывались для получения новых знаний, и доказательство существования частицы в том виде, как это описывалось в гипотезе, стало бы триумфом понимания физических процессов, однако в то же время это не так захватывающе, как опровержение теории.
Если бы бозон Хиггса не был найден, то это стало бы большим сюрпризом, и это могло бы привести к революции в науке.
Тем не менее, даже если бозон Хиггса занимает то место в Стандартной модели, о котором говорит теория, остается много важных вопросов. Эта теория описывает привычную нам материю, но есть основания полагать, что материя занимает в изучаемой Вселенной лишь 4%.
Может статься, что объяснить природу других ее составляющих — темной материи и темной энергии — станет сложнее.
Это как в случае с кубиком Рубика: собираешь одну его сторону — и вдруг понимаешь, что остальные пять сторон находятся в полном беспорядке.
Стандартная модель
Автор фото, BBC World Service
Что такого особенного в бозоне Хиггса?
Что такое бозон Хиггса?
В квантовой теории поля частицы можно описать как волны в поле (Изображение: Петр Трачик/ЦЕРН)
Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо исследовать квантовый мир и то, как частицы взаимодействуют… бозон впервые появился в научной статье, написанной Питером Хиггсом в 1964 году. В то время физики работали над описанием слабого взаимодействия — одной из четырех фундаментальных сил природы — с использованием структуры, называемой квантовой теорией поля.
Частица, волна или и то, и другое?
Квантовая теория поля описывает микроскопический мир частиц совершенно иначе, чем повседневная жизнь.
Фундаментальные «квантовые поля» заполняют вселенную и диктуют, что природа может и чего не может делать. В этом описании каждая частица может быть представлена волной в «поле», похожей на рябь на поверхности огромного океана. Одним из примеров является фотон, частица света, представляющая собой волну в электромагнитном поле.
Когда два электрона взаимодействуют, они обмениваются фотоном, частицей света. (Изображение: Ана Товар/ЦЕРН)
Носители силы
Когда частицы взаимодействуют друг с другом, они обмениваются «носителями силы». Эти носители силы являются частицами, и их также можно описать как волны в соответствующих полях. Например, когда два электрона взаимодействуют, они обмениваются фотонами — фотоны являются переносчиками силы электромагнитного взаимодействия.
Симметрия
Еще одним важным компонентом этой картины является симметрия. Подобно тому, как фигуру можно назвать симметричной, если она не меняется при вращении или переворачивании, аналогичные требования предъявляются и к законам Природы.
Например, электрическая сила между частицами с электрическим зарядом, равным единице, всегда будет одинаковой, независимо от того, является ли частица электроном, мюоном или протоном. Такие симметрии составляют основу и определяют структуру теории.
Механизм Браута-Энглерта-Хиггса.
Квантовая теория поля уже легла в основу квантового электромагнетизма, очень успешного описания электромагнитного взаимодействия. Однако применить аналогичный подход к слабому взаимодействию было невозможно из-за фундаментальной проблемы: теория не допускала, чтобы частицы имели массу.
В частности, переносчики слабых взаимодействий, известные как бозоны W и Z, должны были быть безмассовыми, иначе фундаментальная симметрия теории была бы нарушена, и теория не работала бы. Это создавало серьезную проблему, поскольку носители слабого взаимодействия должны были быть массивными, чтобы соответствовать очень короткому диапазону слабого взаимодействия.
Решение этой проблемы было найдено с помощью механизма Браута-Энглерта-Хиггса.
Этот механизм состоит из двух основных компонентов: совершенно нового квантового поля и особого трюка. Новое поле — это то, что мы теперь называем полем Хиггса, а хитрость заключается в спонтанном нарушении симметрии.
Спонтанно нарушенная симметрия — это симметрия, которая присутствует в уравнениях теории, но нарушена в физической системе. Представьте себе карандаш, стоящий на кончике в центре стола. Совершенно симметричная ситуация, но только на мгновение: карандаш немедленно упадет, нарушив вращательную симметрию, выбрав единственное направление, в котором будет указывать карандаш. Однако законы Природы останутся неизменными, без предопределенного направления, записанного в них. Таким образом, отсутствие симметрии было по существу «обмануто» в картину, не нарушая симметрии физики.
Частица в форме «мексиканской шляпы» поля Хиггса (слева) и карандаш, стоящий на его кончике (справа), демонстрируют спонтанное нарушение симметрии — симметрия присутствует, но только на мгновение.
(Изображение: Ана Товар/ЦЕРН)
Для масс частиц это работает следующим образом: когда Вселенная родилась, она была заполнена полем Хиггса в нестабильном, но симметричном состоянии. Через долю секунды после Большого взрыва поле обрело стабильную конфигурацию, но нарушающую исходную симметрию. В этой конфигурации уравнения остаются симметричными, но нарушенная симметрия поля Хиггса приводит к массам бозонов W и Z.
Как позже выяснилось, другие элементарные частицы также приобретают массы, взаимодействуя с полем Хиггса, что приводит к свойствам частиц, которые мы наблюдаем сегодня.
Бозон Хиггса
В ЦЕРНе 4 июля 2012 г. коллаборации ATLAS и CMS представили доказательства в данных БАК о частице, соответствующей бозону Хиггса, частице, связанной с механизмом, предложенным в 1960-х годах для придания массы W, Z и другим частицам. (Изображение: Максимилиан Брис/Лоран Эгли/ЦЕРН)
Так что же такое бозон Хиггса? Поскольку каждую частицу можно представить как волну в квантовом поле, введение в теорию нового поля означает, что частица, связанная с этим полем, тоже должна существовать.
Большинство свойств этой частицы предсказываются теорией, поэтому, если будет найдена частица, соответствующая описанию, это станет убедительным доказательством механизма BEH — иначе у нас не будет возможности проверить существование поля Хиггса.
Бозон Хиггса является этой частицей, и его открытие в 2012 году подтвердило механизм BEH и поле Хиггса, что позволило исследователям еще больше углубиться в свое понимание материи.
Детальное измерение свойств бозона Хиггса имеет решающее значение для изучения многих выдающихся тайн физики элементарных частиц и космологии, от диких вариаций масс элементарных частиц до судьбы Вселенной.
Бозон Хиггса: возвращение к основам (Видео: ЦЕРН)
Как бозон Хиггса влияет на повседневную жизнь?
Бозон Хиггса оказывает и будет оказывать влияние на нашу жизнь таким образом, о котором вы, возможно, даже не подозревали. (Изображение предоставлено: niallkennedy, CC BY-NC 2.0)
На первый взгляд может показаться, что бозон Хиггса не влияет на повседневную жизнь.
Во всяком случае, не напрямую: это короткоживущая частица, которая не составляет материю, из которой мы сделаны и с которой взаимодействуем, и ее можно наблюдать только в экстремальных условиях, создаваемых в ускорителях частиц.
Тем не менее, его важность заключается, во-первых, в том, чтобы лучше понять мир, а во-вторых, в том, что исследования, связанные с его открытием, оказали и будут продолжать оказывать положительное влияние на общество.
Природа науки
Человеку свойственно любопытство. Это включает в себя любопытство к нашей Вселенной, задавать вопросы о том, как она превратилась в то, что мы знаем сегодня. Цель фундаментальной физики — продолжать находить ответы на эти вопросы.
Человеку свойственно интересоваться нашей вселенной и тем, как она развивалась. (Изображение предоставлено НАСА и Европейским космическим агентством)
Сам по себе бозон Хиггса является частью ответа на вопрос, почему мы и все, с чем взаимодействуем, имеем массу. Бозон Хиггса лежит в основе всей Стандартной модели, как кусочки мозаики, подстегивая наше любопытство и создавая более точную картину Вселенной вокруг нас.
С самого начала человечества любопытство подпитывало развитие науки. Каждое новое открытие основывалось на том, что было известно ранее, постоянно совершенствуя наше понимание Вселенной.
Применение этих научных знаний в различных областях произвело революцию в повседневной жизни. Одним из примеров является открытие Дж. Дж. Томсоном электрона в 1897 году — первой фундаментальной частицы, обнаруженной экспериментально. В нашем технологическом мире трудно представить себе жизнь без возможности манипулировать электронами. Каждый день мы используем электронику для промышленности, связи, развлечений, транспорта, медицины; список можно продолжить. Конечно, после открытия Томсон не знал, насколько электрон произведет революцию в обществе. Спустя более 100 лет мир изменился.
Из-за природы науки мы не знаем, в какой степени открытия, сделанные сейчас, повлияют на наше будущее. Другими словами, это может быть только вопросом времени, когда бозон Хиггса начнет прямо влиять на общество.
Польза для общества от новых технологий
Поиск бозона Хиггса с помощью Большого адронного коллайдера (БАК) раздвинул границы технологий. Для ускорения частиц почти до скорости света требовались чрезвычайно высокие энергии, для точного обнаружения столкновений этих пучков частиц требовались беспрецедентная детализация и точность, а для картографирования и регистрации каждого из миллионов столкновений частиц, производимых за один раз, требовались непревзойденные вычислительные технологии. второй.
Можно сказать, что бозон Хиггса косвенно повлиял на повседневную жизнь, поскольку многие технологии, разработанные для его обнаружения, сейчас используются по всему миру, в областях, выходящих далеко за рамки физики элементарных частиц.
Например, изобретение Всемирной паутины в ЦЕРНе было вызвано потребностью физиков элементарных частиц в обмене данными между институтами. Теперь общество ежедневно зависит от Всемирной паутины для общения и работы.
Точно так же в начале 1970-х годов инженеры ЦЕРН внесли свой вклад в развитие технологии сенсорных экранов, пытаясь создать простой интерфейс для использования с одним из ускорителей частиц ЦЕРН. С тех пор сенсорные экраны стали основой повседневной жизни.
Ускорительная технология, используемая при поиске бозона Хиггса, также используется для лечения рака, в адронной терапии и электронной радиотерапии. (Изображение: CNAO)
Еще одна область, получившая пользу от исследований в области физики элементарных частиц, — это здравоохранение. Технология ускорителей используется для лечения рака, в адронной терапии и электронной радиотерапии. Кроме того, в медицинской диагностике используются детекторы физики элементарных частиц, такие как цветной трехмерный рентгеновский сканер, основанный на технологии, разработанной в ЦЕРНе. Ускорители частиц также привели к развитию позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), которая необходима для визуализации и диагностики состояний мозга и сердца.
Детекторная технология также помогла развитию аэрокосмической отрасли, улучшив исследования даже за пределами нашей планеты.
Экстремальные условия в космосе очень похожи на те, что встречаются в подземных экспериментах по физике элементарных частиц. Это означает, что такие технологии, как радиационный мониторинг, могут применяться в космосе для защиты оборудования и безопасности космонавтов. Технология детектора
, которая помогла обнаружить бозон Хиггса, также продвинула вперед аэрокосмический сектор, улучшив исследования в экстремальных условиях. (Изображение предоставлено IGLUNA)
Вычислительная инфраструктура CERN также используется для защиты нашей планеты, например, путем мониторинга загрязнения воздуха. Кроме того, ЦЕРН взял на себя обязательство использовать свои технологии и ноу-хау для достижения более устойчивого будущего.
И это не только в области науки и техники. Детекторы физики элементарных частиц даже использовались для защиты нашего культурного наследия, например, для открытия давно утраченной работы великого художника эпохи Возрождения Рафаэля.
Есть и многое другое: на ускорителях частиц, таких как БАК, постоянно разрабатываются новые технологии, несмотря на то, что их основной целью является поиск частиц, подобных бозону Хиггса.