Содержание
Бозон Хиггса: что это, простыми словами
Частица Бога — так называли бозон Хиггса, открытый в 2012 года на Большом адронном коллайдере. Рассказываем, как это открытие и последующие исследования помогли физикам сделать огромный шаг вперед в понимании Вселенной
- Что такое бозон Хиггса
- Как обнаружили бозон Хиггса
- Почему бозон Хиггса так важен
- Продолжение исследований бозона Хиггса
Что такое бозон Хиггса
Бозон Хиггса — в современной теории элементарных частиц это неделимая частица, которая отвечает за механизм появления масс у некоторых других элементарных частиц.
Из курса физики известно, что атом (от греч. atomon — «то, что нельзя разделить»), когда-то считавшийся неделимой частицей, на самом деле состоит из еще более мелких частиц. Ученые, исследуя атом, продолжали поиски частиц, которые действительно оказались бы неделимыми. Они изучили ядро атома и обнаружили в нем протоны и нейтроны. Но и их можно было разделить на еще более мелкие элементы: протоны и нейтроны состоят из кварков, которые сегодня считаются неделимыми частицами — вместе с электронами и другими частицами.
Для описания физики микромира ученые разработали теорию, которую назвали Стандартной моделью. Тимур Уткузов, физик и старший методист физико-математического направления школы «ИнтернетУрок» объясняет, что Стандартная модель считается сегодня основной моделью описания микромира. В рамках модели классифицируются почти все известные в мире элементарные частицы и фундаментальные взаимодействия, кроме гравитационного, а именно: сильное, слабое и электромагнитное.
Частицы, которые входят в Стандартную модель, иногда изображают в виде таблицы, которая напоминает Периодическую таблицу элементов Менделеева. Только описывает она элементарные, то есть базовые, неделимые далее частицы
(Фото: Wikimedia.org)
В Стандартную модель входят:
- фермионы, которые называют «строительными кирпичиками Вселенной» — к ним относятся кварки и лептоны;
- бозоны — частицы-переносчики взаимодействия;
- и бозон Хиггса — последняя частица в ряду частиц-переносчиков, которую часто изображают стоящей особняком [1].
Именно с помощью бозонов происходит взаимодействие между фермионами. Например, при сильном взаимодействии кварки обмениваются друг с другом особым бозоном — глюоном.
Ученые разрабатывали Стандартную модель с 1970-х годов. В последующие 20 лет благодаря опытам на мощных ускорителях были открыты многие элементарные частицы. Модель прекрасно «предсказывала» их появление, а потом эти «предсказания» подтверждались с помощью экспериментов.
В 1964 году британский физик Питер Хиггс вместе с другими учеными предположил, что существует особое поле, при взаимодействии с которым частицы приобретают массу. Позже его назвали полем Хиггса, а процесс обретения массы — хиггсовским механизмом. Изучить, как работает этот процесс, можно только через измерения свойств хиггсовского бозона. Без обнаружения бозона изучить это поле не удавалось. Поэтому открытие бозона и понимание его свойств представлялось ученым важнейшей задачей.
Чтобы объяснить нефизикам, как частицы приобретают массу, ученые придумывают разные аналогии.
Одна из них — «хиггсовское поле как вечеринка со знаменитостью» выиграла конкурс на самое понятное объяснение в 1993 году. Частица, движущаяся сквозь хиггсовское поле, приобретает массу таким же образом, как знаменитость, появившись на вечеринке, собирает вокруг себя своих почитателей, то есть «обрастает» массой. При этом толпа будет перемещаться по комнате вслед за знаменитостью
(Фото: Symmetrymagazine.org)
В СМИ бозон Хиггса часто называют «частицей Бога». И хотя это ироничное название не одобряют множество ученых, бозон Хиггса — это важнейшая элементарная частица, открытие которой завершает формирование Стандартной модели.
Леон Ледерман, физик, автор названия «частица Бога», объясняет его происхождение [2]:
«Этот бозон важен и для сегодняшнего состояния физики, и для окончательного понимания структуры материи. При этом он настолько неуловим, что я дал ему прозвище «частица Бога».
Почему частица Бога? По двум причинам. Во-первых, издатель не разрешил мне называть его «проклятой частицей» [Goddamn Particle. — РБК Тренды], хотя это было бы более подходящим названием, учитывая его «злодейскую природу» и расходы, которые пошли на его поиски. А во-вторых, здесь есть некоторая связь с другой книгой, гораздо более старой, чем та, которую я написал о бозоне [подразумевается Книга Бытия. — РБК Тренды]».
Как обнаружили бозон Хиггса
Поисками бозона Хиггса занимались разные лаборатории по всему миру. Одна из самых известных — Европейская организация ядерных исследований в Швейцарии или по-другому ЦЕРН.
Бозон Хиггса нельзя увидеть в микроскоп. Поэтому ученые ЦЕРНа построили для поисков самый крупный ускоритель частиц в мире — Большой адронный коллайдер или БАК. Основная цель построения БАК — уточнение или опровержение Стандартной модели.
Коллайдер разгоняет протоны почти до скорости света и сталкивает их друг с другом. В результате они распадаются на более мелкие элементы.
В местах пересечения протонов находятся детекторы, которые делают десятки миллионов снимков в секунду. Среди этих снимков ученые ищут следы бозона Хиггса с помощью искусственного интеллекта. Из огромного потока снимков отбираются только те, которые с почти стопроцентной вероятностью свидетельствуют о существовании бозона Хиггса.
Физик Тимур Уткузов поясняет, почему поиски неуловимого бозона только на БАК заняли около двух лет. Дело в том, что подтвердить существование бозона можно лишь косвенно, и только хорошо зная его свойства, так как ко всему прочему у него ничтожно малое время жизни. Несмотря на то, что БАК — один из самых точных и мощных измерительных приборов в мире, он все-таки не может измерить все. И за период экспериментов удалось зафиксировать лишь несколько случаев, где по продуктам распада можно было обнаружить бозон Хиггса. При этом за это же время в коллайдере происходили сотни триллионов столкновений частиц, в которых пытались отыскать его следы. В некоторых случаях было трудно определить, действительно ли распад имеет отношение к бозону Хиггса, в других — его распад было невозможно зафиксировать детекторами.
Физик Питер Хиггс рядом с одной из частей БАК — детектором ATLAS, в апреле 2008 года
(Фото: CERN / SCIENCE PHOTO LIBRARY)
Об открытии бозона Хиггса ЦЕРН осторожно сообщил 4 июля 2012 года. Исследователи заявили, что открыли новую частицу, свойства которой согласуются с ожидаемыми свойствами бозона Хиггса.
Джо Инкандела, представитель одной из лабораторий, искавшей неуловимый бозон [3]:
«Предварительные результаты с полным набором данных 2012 года великолепны, и для меня очевидно, что мы имеем дело с бозоном Хиггса. Но нам еще предстоит пройти долгий путь, чтобы узнать, что это за бозон Хиггса».
В марте 2013 года отдельные представители ЦЕРНа сообщили, что найденная полугодом ранее частица действительно является бозоном Хиггса. В том же году Нобелевская премия по физике была присуждена физикам Питеру Хиггсу и Франсуа Энглеру «за теоретическое открытие механизма, который способствует нашему пониманию происхождения массы субатомных частиц и который недавно был подтвержден открытием предсказанной фундаментальной частицы на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе» [4].
Почему бозон Хиггса так важен
Открытие по-настоящему нового типа материи
Бозон Хиггса — это не просто еще одно рядовое открытие новой частицы, которых в последнее время было предостаточно. До него физики имели дело лишь с частицами вещества (электроны, протоны и так далее), либо с частицами-переносчиками взаимодействия, квантами силовых полей (фотоны, глюоны и другие), объясняет физик-теоретик, специалист в области элементарных частиц, популяризатор науки Игорь Иванов [5]. Но хиггсовский бозон не является ни тем, ни другим — это «кусочек» хиггсовского поля, который занимает совсем иное место в устройстве нашего мира. Это не просто новая частица, а представитель нового сектора элементарных частиц — хиггсовского сектора.
Ключевой элемент Стандартной модели
Бозон Хиггса оставался единственным элементом Стандартной модели, который ученые долго не могли обнаружить. В рамках модели есть еще много нерешенных вопросов, но считается, что открытие бозона Хиггса завершило современную теорию элементарных частиц.
Приближение к пониманию хиггсовского механизма обретения массы
Открыв бозон Хиггса, ученые подтвердили свою догадку о том, что некоторые элементарные частицы приобретают массу за счет взаимодействия с полем Хиггса.
«Кирпичик» мироздания
Открытие бозона Хиггса — это еще один шаг к пониманию того, как устроен наш мир. Эту частицу иногда называют «кирпичиком» мироздания. Ученые полагают, что до Большого взрыва — события, которого привело к созданию всего, все частицы не имели массы [6]. В момент Большого взрыва и через 10–12 секунд после него частицы вступили во взаимодействие с полем Хиггса, что придало им массу. Если бы этого не случилось, они просто бы разлетелись по космическому пространству, так и не соединившись в атомы и молекулы и в конечном итоге никогда бы не образовали все то, что существует сейчас.
Продолжение исследований бозона Хиггса
Важность изучения бозона Хиггса можно сравнить со значением открытия и исследования атома. Физик Нью-Йоркского университета Кайл Кранмер объясняет, что таким же образом ученые начала XX века пытались понять атом и на основе этого разработали квантовую механику.
Кранмер говорит, что вся квантовая механика — это в каком-то смысле эзотерика, то есть знание, недоступное для непосвященных [7]. Но при этом квантовая механика привела к изобретению транзистора, ключевого ингредиента для всей современной электроники, лазера и других медицинских технологий. Кранмер отмечает, что никто из тех, кто стоял у истоков квантовой механики, не мог предвидеть такого ее практического применения. По аналогии с квантовой механикой, такие открытия как бозон Хиггса повлияют не только на науку, но и в будущем найдут применение в повседневной жизни.
ЦЕРН на своей официальной странице в 2022 году подвел итоги изучения бозона Хиггса — спустя десять лет с его открытия [8]. Организация отмечает, что за это время физики сделали огромный шаг вперед в понимании Вселенной: например, они получили данные, что поле Хиггса было установлено во всей Вселенной через десятую долю миллиардной доли секунды после Большого взрыва.
С начала работы БАК в 2010 году было открыто более 60 составных частиц, предсказанных Стандартной моделью: некоторые из них — экзотические «тетракварки» и «пентакварки».
Эксперименты также указали на отклонения от Стандартной модели, которые требуют дальнейшего изучения. Кроме того, эксперименты, выполняемые на БАК, дают возможность найти неизвестные частицы, выходящие за рамки Стандартной модели — например, обнаружить частицы, составляющие загадочную темную материю. Сам бозон Хиггса может указывать на явления, которые, возможно, ответственны за темную материю во Вселенной.
Ученые также ищут ответы на вопросы, придает ли поле Хиггса массу легким фермионам или тут действует другой механизм, является ли бозон Хиггса элементарной или составной частицей, может ли он взаимодействовать с темной материей и раскрыть ее природу, есть ли у бозона Хиггса «близнецы» или «родственники»? Поиск ответов на эти и другие интригующие вопросы не только углубит наше понимание Вселенной, но и поможет раскрыть некоторые из самых больших ее тайн — почему она возникла такой, какая есть, и какова ее конечная судьба.
как устроен, когда обнаружен и зачем нужен
Все помнят шумиху вокруг открытия бозона Хиггса, произошедшего в 2012 году.
Все помнят, но многие так до сих пор в полной мере и не понимают, что это был за праздник? Мы решили разобраться, просветиться, и заодно рассказать о том, что такое бозон Хиггса простыми словами!
Стандартная модель и бозон Хиггса
Начнем с самого начала. Частицы делятся на бозоны и фермионы. Бозоны – это частицы с целым спином. Фермионы — с полуцелым.
Бозон Хиггса – это такая элементарная частица, которая была предсказана теоретически еще в 1964 году. Элементарный бозон, возникающий вследствие механизма спонтанного нарушения электрослабой симметрии.
Понятно? Не очень. Чтобы стало понятнее, нужно рассказать про Стандартную модель.
Питер Хиггс, предсказавший существование бозона Хиггса.
Стандартная модель – одна из основных современных моделей описания мира. Она описывает взаимодействие элементарных частиц. Как мы знаем, в мире есть 4 фундаментальных взаимодействия: гравитационное, сильное, слабое и электромагнитное.
Гравитационное мы сразу не рассматриваем, т.к. оно имеет иную природу и не входит в модель. А вот сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия описываются в рамках стандартной модели. Причем, согласно этой теории вещество состоит из 12 фундаментальных элементарных частиц-фермионов. Бозоны же являются переносчиками взаимодействий. Оформить дипломную работу на заказ вы можете прямо у нас на сайте.
Стандартная модель. Частицы.
Так вот, из всех частиц, предсказанных в рамках стандартной модели, не обнаруженным экспериментально оставался бозон Хиггса. Согласно Стандартной модели этот бозон, являясь квантом поля Хиггса, отвечает за то, что у элементарных частиц есть масса. Представим, что частицы – это бильярдные шары, помещенные на сукно стола. В данном случае сукно – это и есть поле Хиггса, обеспечивающее массу частиц.
Как искали бозон Хиггса?
На вопрос, когда открыли бозон Хиггса, нельзя ответить точно.
Ведь теоретически его предсказали в 1964 году, а подтвердили существование экспериментально только в 2012. И все это время неуловимый бозон искали! Искали долго и упорно. До БАК в ЦЕРНе работал другой ускоритель, электрон-позитронный коллайдер. Также был Теватрон в Иллинойсе, но и его мощностей не хватило для выполнения задачи, хотя эксперименты, конечно же, дали определенные результаты.
Дело в том, что бозон Хиггса – частица тяжелая, и обнаружить его очень непросто. Суть эксперимента проста, сложна реализация и интерпретация результатов. Берутся два протона на околосветовой скорости и сталкиваются лоб в лоб. Протоны, состоящие из кварков и антикварков, от такого мощного столкновения разваливаются и появляется множество вторичных частиц. Именно среди них и искали бозон Хиггса.
Поиски бозона Хиггса
Проблема еще и в том, что подтвердить существование этого бозона можно лишь косвенно. Период, в который существует бозон Хиггса, крайне мал, как и расстояние между точками исчезновения и возникновения.
Измерить такие время и расстояние напрямую невозможно. Зато Хиггс не исчезает бесследно, и его можно вычислить по «продуктам распада».
Хотя такой поиск очень похож на поиск иголки в стоге сена. И даже не в одном, а в целом поле стогов. Дело в том, что бозон Хиггса распадается с разной вероятностью на разные «наборы» частиц. Это может быть пара кварк-антикварк, W-бозоны или самые массивные лептоны, тау-частицы. В одних случаях эти распады крайне трудно отличить от распадов других частиц, а не именно Хиггса. В других – невозможно достоверно зафиксировать детекторами. Несмотря на то что детекторы БАК – самые точные и мощные измерительные приборы, созданные людьми, они могут измерить не все. Лучше всего фиксируется детекторами превращение Хиггса в четыре лептона. Однако вероятность этого события очень мала — всего 0,013%.
Детектор ATLAS
Тем не менее, за полгода экспериментов, когда за одну секунду в коллайдере происходят сотни миллионов столкновений протонов, было выявлено целых 5 таких четырехлептонных случаев.
Причем зафиксированы они были на двух разных детекторах-гигантах: ATLAS и CMS. Согласно независимому расчету с данными одного и другого детектора, масса частицы составляла примерно 125ГэВ, что соответствует теоретическому предсказанию для бозона Хиггса.
Для полного и точного подтверждения того, что обнаруженная частица была именно именно бозоном Хиггса, пришлось провести еще очень много опытов. И несмотря на то, что сейчас бозон Хиггса обнаружен, эксперименты в ряде случаев расходятся с теорией, так что Стандартная модель, как считают многие ученые, скорее всего является частью более совершенной теории, которую еще предстоит открыть.
Детекторы БАК
Открытие бозона Хиггса, определенно, одно из главных открытий 21 века. Его открытие — огромный шаг в понимании устройства мира. Если бы не он, все частицы были бы безмассовыми, как фотоны, не существовало бы ничего, из чего состоит наша материальная Вселенная. Бозон Хиггса — шаг к пониманию того, как устроена вселенная.
Бозон Хиггса даже назвали частицей бога или проклятой частицей. Впрочем, сами ученые предпочитают называть его бозоном бутылки шампанского. Ведь такое событие, как открытие бозона Хиггса, можно отмечать годами.
Друзья, сегодня мы взрывали мозг бозоном Хиггса. А если Вы уже устали взрывать свой мозг бесконечными рутинными или непосильными заданиями по учебе, обратитесь за помощью к авторам нашей компании. Как всегда мы поможем Вам быстро и качественно решить любой вопрос.
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.
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. Возврат к основам (Видео: ЦЕРН)
Бозон Хиггса: в чем его особенность?
Как неспециалист я бы сейчас сказал.
.. Думаю, у нас это есть.« Это » был бозон Хиггса, почти мифическая сущность, которая привлекла внимание всего мира к физике элементарных частиц, а человек, называющий себя простым дилетантом, был не кем иным, как Генеральный директор ЦЕРН , Рольф Хойер. Хойер выступил в главном зале Лаборатории 4 июля 2012 , через несколько мгновений после того, как сотрудничество CMS и ATLAS на Большом адронном коллайдере объявило об открытии новой элементарной частицы, которая, как мы теперь знаем, является бозоном Хиггса. Аплодисменты раздались в Женеве даже из Мельбурна, Австралия, где делегаты Международной конференции по физике высоких энергий были связаны посредством видеоконференции.
4 июля 2012 г.: Полная аудитория ЦЕРН внимательно слушает объявление от CMS и ATLAS (Изображение: Максимилиан Брис/ЦЕРН)
Так что же такого особенного в этой частице?
“ Легко! Это первая и единственная элементарная скалярная частица, которую мы наблюдали», — усмехается Ребека Гонсалес Суарес , которая, будучи докторантом, участвовала в поиске бозона Хиггса на CMS.
Легко для физика, пожалуй…
(Изображение: ЦЕРН)
Элегантность и симметрия
В субатомном масштабе Вселенная представляет собой сложную хореографию элементарных частиц взаимодействуют друг с другом через фундаментальные силы, что можно объяснить с помощью термина, к которому обращаются физики всех убеждений: элегантность .
«В 1960-х годах физики-теоретики работали над элегантным способом описания фундаментальных законов природы в терминах квантовой теории поля», — говорит Пьер Монни из теоретического отдела ЦЕРНа. В квантовой теории поля как материальные частицы ( фермионов, таких как электроны или кварки внутри протонов), так и переносчики силы (0055 бозонов , таких как фотон или глюоны, связывающие кварки) являются проявлениями фундаментальных фундаментальных квантовых полей. Сегодня мы называем это элегантное описание Стандартной моделью физики элементарных частиц .
Стандартная модель физики элементарных частиц, представленная одним уравнением (Изображение: ЦЕРН)
Стандартная модель основана на представлении о симметрии в природе, что физические свойства, которые они описывают, остаются неизменными при некоторых преобразованиях, таких как вращение в пространстве. Используя это понятие, физики могут предоставить единый набор уравнений как для электромагнетизма (электричество, магнетизм, свет), так и для слабого ядерного взаимодействия (радиоактивность). Объединенная таким образом сила получила название электрослабой силы.
Но именно эти симметрии представляли собой вопиющую проблему: «Симметрии объясняют электрослабое взаимодействие, но для того, чтобы сохранить симметрии в силе, они запрещают частицам, несущим взаимодействие, иметь массу», — объясняет Фабио Черутти , один из руководителей Хиггса. группы в ATLAS в двух разных случаях. «Мы знали, что фотон, несущий электромагнетизм, не имеет массы; бозонов W и Z , носителей слабого взаимодействия, быть не могло».
Хотя в то время W и Z не наблюдались напрямую, физики знали, что если они , если бы не имели массы, такие процессы, как бета-распад, происходили бы с бесконечной скоростью — что физически невозможно — в то время как другие процессы имели бы вероятность больше единицы при высоких энергиях.
В 1964 году две статьи — одна написана Робертом Браутом и Франсуа Энглером , другая Питером Хиггсом — предполагали решение: новый механизм, который нарушил бы электрослабую симметрию. Механизм Браута-Энглерта-Хиггса представил новое квантовое поле, которое сегодня мы называем полем Хиггса, квантовым проявлением которого является бозон Хиггса. Только частицы, взаимодействующие с полем Хиггса, приобретают массу. «Именно этот механизм, — добавляет Черутти, — создает всю сложность Стандартной модели».
Первоначально задуманный для объяснения масс только W- и Z-бозонов, ученые вскоре обнаружили, что могут расширить механизм Браута-Энглера-Хиггса для объяснения массы всех массивных элементарных частиц.
«Чтобы приспособить массу бозонов W и Z, нам не нужно одно и то же поле Хиггса, чтобы придать массу любым другим частицам, таким как электроны или кварки», — отмечает Керстин Такманн , соучредитель группы Хиггса по АТЛАС. «Но это удобный способ сделать это!»
Математическая головоломка была решена несколько десятилетий назад, но еще предстоит проверить, описывает ли математика физическую реальность.
Художественный вид на месторождение Браут-Энглерт-Хиггс
(Изображение: ЦЕРН)
Что-то в ничего
Поле Хиггса имеет две особенности.
Представьте себе пустую область пространства, идеальный вакуум, в котором нет никакой материи. Квантовая теория поля говорит нам, что эта гипотетическая область не является на самом деле пустой: пары частица-античастица, связанные с разными квантовыми полями, ненадолго возникают, прежде чем аннигилировать, превращаясь в энергию. Однако «математическое ожидание» этих полей в вакууме равно нулю, а это означает, что в среднем мы можем ожидать отсутствия частиц в идеальном вакууме.
Поле Хиггса, с другой стороны, имеет действительно высокое вакуумное математическое ожидание. «Это ненулевое вакуумное математическое ожидание, — уточняет Тэкманн, — означает, что поле Хиггса повсюду ». Именно его вездесущность позволяет полю Хиггса воздействовать на все известные массивные элементарные частицы во всей Вселенной.
Когда Вселенная только возникла и была чрезвычайно горячей, ее плотность энергии была выше, чем энергия, связанная с вакуумным средним значением поля Хиггса. В результате симметрия Стандартной модели могла сохраняться, позволяя таким частицам, как W и Z, быть безмассовыми. Когда Вселенная начала остывать, плотность энергии упала до тех пор, пока — через доли секунды после Большого взрыва — не упала ниже плотности поля Хиггса. Это привело к нарушению симметрии и увеличению массы некоторых частиц.
Другим свойством поля Хиггса является невозможность прямого наблюдения. Квантовые поля, как наблюдаемые, так и предполагаемые, бывают разных видов.
Векторные поля подобны ветру: они имеют как величину, так и направление. Следовательно, векторные бозоны обладают собственным угловым моментом, который физики называют квантовым спином. Скалярные поля имеют только величину и не имеют направления, как и температура, а скалярные бозоны не имеют квантового спина. До 2012 года мы когда-либо наблюдали только векторные поля на квантовом уровне, такие как электромагнитное поле.
«Вы можете наблюдать за полем, наблюдая за частицей, взаимодействующей с ним, подобно электронам, изгибающимся в магнитном поле», — объясняет Монни. «Или вы можете наблюдать это, создавая квантовую частицу, связанную с полем, например фотон». Но поле Хиггса с его постоянным ненулевым значением нельзя включить или выключить, как электромагнитное поле. У ученых был только один способ доказать его существование: создать и наблюдать за бозоном Хиггса.
вид r-z (вертикальная плоскость, содержащая луч) с метками
(Изображение: ЦЕРН)
Охота за бугорками на Большом адронном коллайдере
Столкновения частиц при достаточно высоких энергиях необходимы для образования бозона Хиггса, но долгое время физики охотились в темноте: они не знали, что это за диапазон энергий.
Они искали следы бозона Хиггса в осколках столкновения частиц на Большом электронно-позитронном коллайдере (LEP), который был прямым предшественником Большого адронного коллайдера, и на Теватроне Фермилаб в США. Большой адронный коллайдер имел возможность исследовать весь предсказанный диапазон энергий, в котором может появиться бозон Хиггса, а два детектора частиц общего назначения на БАК — ATLAS и CMS — должны были дать окончательный ответ на вопрос о его существовании. Для некоторых, таких как Монни, призвание БАК было неотразимым, что заставило его сменить карьеру с аэрокосмической техники на теоретическую физику.
Коллеги и друзья Гонсалеса Суареса находились в диспетчерских CMS и ATLAS, когда БАК отправился в свое высокоэнергетическое путешествие 30 марта 2010 . Сама она находилась в своем офисе на главной площадке ЦЕРН в Женеве. «Я писал свою докторскую диссертацию на одном экране и смотрел прямую трансляцию столкновений на втором. Я хотел знать, работает ли код, который я написал для идентификации частиц, образующихся при столкновениях!»
Когда два протона сталкиваются в LHC, составляющие их кварки и глюоны взаимодействуют друг с другом.
Эти высокоэнергетические взаимодействия могут с помощью хорошо предсказанных квантовых эффектов создать бозон Хиггса, который немедленно трансформируется — или «распадается» — в более легкие частицы, которые могут наблюдать ATLAS и CMS. Поэтому ученым нужно было собрать достаточно доказательств, чтобы предположить, что частицы, которые мог появиться в результате производства бозона Хиггса, и трансформация действительно была результатом такого процесса.
ATLAS (и CMS) наблюдали превращение бозона Хиггса в два фотона, собирая и анализируя множество данных с течением времени. (Изображение: ATLAS/CERN)
«Когда стартовала программа LHC, было распространено мнение, что мы увидим бозон Хиггса только после нескольких лет сбора данных», — рассказывает Вивек Шарма , который руководил поиском CMS, когда LHC начали операции. В сентябре 2010 года Шарма и его коллеги представили CMS план решения проблемы с половиной этих данных. Это требовало не только глубокого понимания аппаратного обеспечения собственного детектора, его возможностей и ограничений, но и команды, обладающей разнообразными техническими знаниями.
«К тому времени, когда ATLAS и CMS выступили с совместным докладом перед Комитетом по научной политике ЦЕРН в марте 2011 года, — продолжает Шарма, — произошло наращивание силы , что за бозоном Хиггса можно было охотиться с помощью еще меньших наборов данных».
Обычный годовой семинар ATLAS и CMS в декабре 2011 года перегрузил серверы веб-трансляций CERN, так как тысячи людей настроились, чтобы узнать последние новости от совместной работы. Там были ранние признаки бозона Хиггса: оба детектора увидели выпуклости в своих данных, которые начали отличаться от каких-либо статистических флуктуаций или шума. Но результатам не хватало необходимой статистической достоверности, чтобы заявить об открытии. Миру пришлось ждать почти семь месяцев, прежде чем Джо Инкандела из CMS и Фабиола Джанотти из ATLAS смогли сделать это в июле 2012 года. Сотрудничество показало лучшие результаты, чем ожидалось, для открытия бозона Хиггса всего за два года данных с LHC.
В аудитории ЦЕРН Питер Хиггс вытер слезы радости, а Франсуа Энглер почтил память своего покойного коллеги и сотрудника Роберта Браута, который не дожил до доказательства существования механизма, носящего его имя.
Гонсалес Суарес праздновал со смешанными эмоциями. Ее постдокторское исследование увело ее от исследования Хиггса до открытия и, в конечном итоге, от CMS к сотрудничеству ATLAS. «Открытие бозона Хиггса было историческим событием, но нам еще только 9 лет.0057 в начале в нашем понимании этой новой частицы».
Путь от данных к открытиям был непростым. Но что мы узнали о бозоне Хиггса с тех пор? Узнайте больше во второй части саги о Хиггсе (скоро).
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 наконец 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
Автор статей
Роберт Ли — научный журналист и автор статей 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, называемого механизмом Браута-Энглерта-Хиггса.
Почему бозон Хиггса называют «частицой 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 преобразования протонов в нейтроны — и переносчиков бозонов W и Z.
Слабые носители взаимодействий должны быть безмассовыми, а если бы это было не так, то это могло бы нарушить принцип природы, называемый симметрией, который — так же, как симметрия формы гарантирует, что она выглядит одинаково, если ее повернуть или перевернуть — обеспечивает соблюдение законов 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, которая удерживает 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, поиски самого бозона Хиггса довели до предела как ускорители частиц, так и технологии 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 ЦЕРН 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 (открывается в новой вкладке)
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: community@space.