Бозон хиггса простым языком: Бозон Хиггса простым языком – Статьи на сайте Четыре глаза

что это и зачем потратили столько усилий и средств на ее открытие?

Краткое содержание статьи:

  • Стандартная модель

  • В коллайдере найдена частица бозона Хиггса

  • Кто он – Питер Хиггс?

  • Что это за частица и как проходили поиски?

  • Сложность эксперимента и открытие

  • Видео: просто о сложном – что такое бозон Хиггса?

 

Существует Стандартная модель, которая описывает строение мира. Одна из составляющих – бозон Хиггса. Простым языком – это элементарная частица, придающая остальным массу другим частицам. Но для чего она необходима? И почему событие в 2012 году вызвало такой резонанс и шум в научных кругах?

 

 

Стандартная модель

Современное описание мира у учёных-физиков называется теория Стандартной модели. В ней указано то, как элементарные частицы взаимодействуют между собой. В науке существует четыре фундаментальных взаимодействия:

 



 

  1. Гравитационное.

  2. Сильное.

  3. Слабое.

  4. Электромагнитное.

В Стандартную модель входят только три, гравитационное обладает другой природой. По теории вещество имеет два составляющих:

  • Фермионы – 12 штук;

  • Бозоны – 5 штук.

О бозоне Хиггса впервые заговорили в 1964 году, но до 2012 года это оставалось только теорией. Учёные склонялись к тому, что этот элемент отвечает за массу остальных частиц. И вот было доказано экспериментально, что бозон Хиггса – квант поля Хиггса, действительно обеспечивает всему остальному массу.

 

В коллайдере найдена частица бозона Хиггса

Поиски проводились при использовании коллайдера Теватрон (США). В конце 2011 года были обнаружены следы, при распаде на b-кварки, элемент бозона Хиггса. В работе с помощью Большого адронного коллайдера это заметили только через год, в 2012. Столь большой временной промежуток связан с тем, что в последнем встречаются и многие другие элементы.

Затем, чтобы удостовериться в результатах, охоту за бозоном начали проводить и на других устройствах.

В итоге, полувековая теория подтвердилась экспериментально, а свое название бозон получил в честь своего предсказателя и одного из создателей Стандартной модели – Питера Хиггса. В настоящее время физики уверены, что смогли доказать и восполнить недостающее звено из описания строения мира.

 

Кто он – Питер Хиггс?

Всемирно известный британский учёный Питер Хиггс родился 29 мая 1929 года. Его отец был инженером компании BBC.

 



 

Основные факты и периоды жизни:

  1. Со школьной скамьи Питер увлекался математикой и физикой, читал лекции и работы популярных научных деятелей.

  2. После школы он поступил в Королевский колледж в Лондоне и благополучно его закончил, защитив диссертацию по физике.

  3. Начиная с 1960 года учёный активно начал изучать идею Еичиру Намбо о нарушении симметрии у сверхпроводников. Вскоре Питер смог обосновать теорию о наличии у частиц массы. В этой работе он выдвинул теорию об существовании элементарной частицы, которая имеет нулевое вращение, а при контакте с другими, именно она придаёт им массу.

  4. Ему же принадлежит открытие механизма, который объясняет нарушение симметрии. Примечательно, что он смог его придумать, когда гулял по горам в районе Эдинбурга. Этот механизм является важным компонентом Стандартной модели.

  5. В 2013 году, ещё при жизни, экспериментально было найдено подтверждение его теории и обнаружен элемент с нулевым спином, который и получил название – бозон Хиггса. Сам учёный, давая интервью, говорил о том, что он не надеялся застать этот момент при жизни.

  6. Лауреат многих премий, наиболее известные: медаль Дирака, премия Вольфа по физике, Нобелевская премия.

 

 

Что это за частица и как проходили поиски?

Данный бозон искали практически полвека. Это связано с тем, что эксперимент простой в теории, но сложный в действительности. Опыты производились с помощью нескольких аппаратов:

  • электрон-позитронный коллайдер;

  • теватрон;

  • большой адронный коллайдер (БАК).

Но силы и возможности коллайдера было недостаточно. Эксперименты выполняли регулярно, но они не приносили точных результатов. Кроме этого, сам элемент Хиггса тяжёлый, он оставляет только следы распада.

Для опыта были нужны два протона, которые движутся на околосветовой скорости. Затем происходит прямое столкновение. В результате чего они распадаются на составляющие, а те в свою очередь — на второстепенные элементы. Именно здесь должен возникнуть бозон Хиггса.

Главная особенность и препятствие, которое мешало доказать на практике существование поля Хиггса это то, что частица появляется на крайне малый временной промежуток и исчезает. Но оставляет следы, благодаря которым учёные и смогли подтвердить её действительность.

 

Сложность эксперимента и открытие

Сложность эксперимента была не только в том, чтобы вовремя успеть запечатлеть бозон Хиггса, но и суметь его распознать. А это непросто, потому что он распадается на разные части:

  1. Кварк-антикварк.

  2. W-бозоны.

  3. Лептоны.

  4. Тау-частицы.

  5. Фермионы.

  6. Фотоны.

Среди этих составляющих, крайне сложно выделить следы поля Хиггса и даже невозможно. Коллайдер с большой вероятностью фиксирует переход частицы в четыре лептона. Но и тут вероятность составляет всего 0,013%.

В итоге ученые смогли распознать следы нужного бозона и с помощью многочисленных опытов доказать существование. Как и предполагал Питер Х, эта элемент с нулевым спином, область массы-энергии примерно 125 ГэВ. Распадается на пары других составляющих (фотоны, фермионы и прочее) и даёт массу всем остальным частицам.

Открытие, конечно, вызвало шквал сенсаций, но и разочарований, одновременно. Ведь получается, что учёные не смогли выйти дальше границы Стандартной модели, нового витка для изучения и направления науки не появилось. А существующая теория не учитывает некоторые важные моменты: гравитацию, чёрную материю и прочие процессы реальности.

В настоящее время специалисты работают над теорией появления этих явлений и их роли во Вселенной.

После открытия бозона Хиггса учёные вновь возобновили работу над тем, как происходит развитие антивещества до тёмной энергии. А этот элемент является ключевым составляющим этого процесса. Физики надеются, что это открытие станет мостом и будут найдены новые ответы на волнующие вопросы о том как же устроена Вселенная.

Бозон Хиггса простым языком – это частица, которая придаёт всем остальным массу. Благодаря экспериментальному подтверждению в 2012 году учёные подобрались ближе к разгадке создания вселенной.

 

Видео: просто о сложном – что такое бозон Хиггса?

В данном ролике физик Арнольд Дейвер расскажет, как и для чего открыли эту частицу, зачем нужно было строить адронный коллайдер:

просто и понятно о его сущности и открытии

Определение простым языком

  • Открытие

  • Польза

  • Опасность

  • Свойства

  • Слово скептикам

  • Видео

    • Элементарная частица бозон Хиггса, названая так на честь британского физика Питера Хиггса, который теоретически предсказал ее существование еще в далеком 1964 году, пожалуй, одна из самых загадочных и удивительных в современной физике. Именно она вызвала множество споров и дискуссий в научном сообществе, а кто-то даже присвоил ей такой необычный эпитет как «частичка Бога». Есть и скептики, утверждающие, что бозон Хиггса не существует и все это не более чем научная мистификация. Что такое бозон Хиггса на самом деле, как он был открыт, какие у него свойства, об этом читайте далее.

    Определение простым языком

    Чтобы объяснить сущность бозона Хиггса максимально просто и понятно не только ученому физику, но и обычному человеку, интересующемуся наукой, необходимо прибегнуть к языку аллегорий и сравнений. Хотя, разумеется, все аллегории и сравнения, которые касаются физики элементарных частиц, не могут быть верными и точными. То же электромагнитное поле или квантовая волна не являются ни полем, ни волной в том смысле, в котором их представляют обычно люди, как и сами атомы отнюдь не являются уменьшенными копиями Солнечной системы, в которой словно планеты вокруг Солнца вращаются электроны вокруг атомного ядра. И хотя аллегории и сравнения все же не передают самой сути тех вещей, которые происходят в квантовой физике, они, тем не менее, позволяют приблизиться к пониманию этих вещей.

    Интересный факт: в 1993 году министром образования Великобритании даже был объявлен конкурс на самое простое объяснение того, что такое бозон Хиггса. Победителем вышло пояснение, связанное с вечеринкой.

    Итак, представьте себе многолюдную вечеринку, тут в помещение входит какая-то знаменитость (например, «рок-звезда») и за ней тут же начинают двигаться гости, все хотят пообщаться со «звездой», при этом сама «рок-звезда» передвигается медленнее, нежели все другие гости. Затем люди собирают в отдельные группы, в которых обсуждают какую-то новость или сплетню, связанную с этой рок-звездой, при этом люди хаотично передвигаются из группы в группу. Как результат, создается впечатление, что люди обсуждают сплетню, тесно окружив знаменитость, но без ее непосредственного участия. Так вот, все люди, участвующие в вечеринке – это поле Хиггса, группы людей являются возмущением поля, а сама знаменитость, из-за которой они образовались и есть бозон Хиггса.

    Если эта аллегория Вам не совсем понятна, то вот еще одна: представьте себе гладкий бильярдный стол, на котором находятся шары – элементарные частицы. Шары эти запросто разлетаются в разные стороны и движутся везде без препятствий. А теперь представьте, что бильярдный стол покрыт некой клейкой массой, которая затрудняет движение шаров по нему. Эта клейкая масса – поле Хиггса, масса этого поля равна массе частиц, которые к нему прилипают. Бозон Хиггса же это частица, которая соответствует этому липкому полю. То есть если сильно ударить по бильярдному столу с этой клейкой массой, то небольшое количество этой самой клейкой массы на время образует пузырек, который вскоре опять растечется по столу, так вот, этот пузырек и есть бозон Хиггса.

    Открытие

    Как мы написали вначале, бозон Хиггса сперва был открыт теоретически британским физиком Питером Хиггсом, который предположил, что в процессе механизма спонтанного нарушения электрослабой симметрии в стандартной модели физики элементарных частиц замешана некая еще не известная до того элементарная частичка. Случилось это в 1964 году, сразу после этого начались поиски реального существования этой элементарной частицы, правда, долгие годы они терпели фиаско. Из-за этого некоторые ученные в шутку стали называть бозон Хиггса – «проклятой частичкой» или «частичкой Бога».

    И вот, чтобы подтвердить или опровергнуть существования этой загадочной «частички Бога» в 2012 году был построен Большой адронный коллайдер, представляющий собой гигантский ускоритель элементарных частиц. Опыты на нем экспериментально подтвердили существование бозона Хиггса, а сам первооткрыватель частицы, Питер Хиггс в 2013 году стал лауреатом нобелевской премии по физики за это открытие.

    Возвращаясь к нашей аналогии про бильярдный стол, чтобы увидеть бозон Хиггса, физикам необходимо было с должной силой ударить по этой клейкой массе, которая лежит на столе, чтобы получить из нее пузырек, собственно бозон Хиггса. Так вот, ускорители элементарных частиц прошлого ХХ века были не настолько мощными, чтобы обеспечить «удар по столу» должной силы, и только Большой адронный коллайдер, созданный в начале уже нашего ХХІ века, что называется помог физикам «стукнуть по столу» с надлежащей силой и воочию лицезреть «частичку Бога».

    Польза

    Человеку, далекому от науки вообще и от физики в частности поиски некой элементарной частицы могут показаться бессмысленными, но открытие бозона Хиггса имеет немалое значение для науки. Прежде всего, наши знания о бозоне помогут при расчетах, которые осуществляются в теоретической физике при изучении строения Вселенной.

    В частности, физиками было предположено, что бозонами Хиггса заполнено все окружающее нас пространство. При взаимодействии с другими элементарными частицами бозоны сообщают им свою массу и если есть возможность вычислить массу определенных элементарных частиц, то можно рассчитать и массу бозона Хиггса. А если у нас есть масса бозона Хиггса, то с ее помощью идя в обратную сторону, мы также можем рассчитывать массы других элементарных частиц.

    Разумеется, все это очень дилетантские рассуждения с точки зрения академической физики, но ведь и журнал наш на то и научно-популярный, чтобы говорить о серьезных научным материях простым и понятным языком.

    Опасность

    Определения опасения по поводу бозона Хиггса и экспериментов с ним были высказаны британским ученым Стивеном Хокингом. Согласно Хокингу, бозон Хиггса является крайне не стабильной элементарной частичкой и в результате определенного стечения обстоятельств может привести к распаду вакуума и полному исчезновению таких понятий как пространство и время. Но не стоит волноваться, для того, чтобы произошло нечто подобно необходимо построить коллайдер размером со всю нашу планету.

    Свойства

    • Бозон Хиггса, как впрочем и другие элементарные частицы подвержен воздействию гравитации.
    • Бозон Хиггса обладает нулевым спином (моментом импульса элементарных частиц).
    • Бозон Хиггса обладает электрическим и цветным зарядом.
    • Есть 4 основных канала рождения бозона Хиггса: после слияния 2 глюонов (основной), слияние WW- или ZZ-пар, в сопровождении W- или Z-бозона, вместе с топ-кварками.
    • Бозон Хиггса распадается на пару b-кварк-b-антикварк, на 2 фотона, на две пары электрон-позитрон и/или мюон-антимюон или на пару электрон-позитрон и/или мюон-антимюон с парой нейтрино.

    Слово скептикам

    Разумеется, есть и скептики, утверждающие, что никакой бозон Хиггса в реальности не существует, и что все это было выдумано учеными с корыстной целью – освоить деньги налогоплательщиков, идущие будто бы для научных исследований элементарных частиц, а на самом деле в карманы определенных людей.

    Видео

    И в завершение интересное документальное видео про бозон Хиггса.

    Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка

    При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту [email protected] или в Фейсбук, с уважением автор.

    Страница про автора

    Эта статья доступна на английском языке – Higgs Boson: the God Particle or Fake?.

    DOE объясняет… бозон Хиггса | Департамент энергетики

    Управление
    Наука

    Эксперименты CMS (вверху слева) и ATLAS (внизу слева) на Большом адронном коллайдере (справа) в ЦЕРН.

    Фото предоставлено Максимилианом Брайсом, ЦЕРН

    Бозон Хиггса — это фундаментальная частица, связанная с полем Хиггса, полем, которое придает массу другим фундаментальным частицам, таким как электроны и кварки. Масса частицы определяет, насколько она сопротивляется изменению своей скорости или положения, когда сталкивается с силой. Не все элементарные частицы имеют массу. Фотон, являющийся частицей света и переносчиком электромагнитной силы, вообще не имеет массы.

    Бозон Хиггса был предложен в 1964 году Питером Хиггсом, Франсуа Энглером и четырьмя другими теоретиками, чтобы объяснить, почему определенные частицы имеют массу. Ученые подтвердили его существование в 2012 году в ходе экспериментов ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере (LHC) в ЦЕРН в Швейцарии. Это открытие привело к тому, что Нобелевская премия по физике 2013 года была присуждена Хиггсу и Энглерту.

    В настоящее время ученые изучают характерные свойства бозона Хиггса, чтобы определить, точно ли он соответствует предсказаниям Стандартной модели физики элементарных частиц. Если бозон Хиггса отклоняется от модели, он может дать ключ к разгадке новых частиц, которые взаимодействуют с другими частицами Стандартной модели только через бозон Хиггса, и тем самым привести к новым научным открытиям.

    Управление науки Министерства энергетики США: Вклад в исследование бозона Хиггса

    БАК в ЦЕРНе — это самый высокоэнергетический коллайдер частиц в мире. В настоящее время это единственное место, где ученые могут создавать и изучать бозоны Хиггса. Управление науки Министерства энергетики (SC) предоставило важные ускорительные магниты для помощи в строительстве LHC. Министерство энергетики также поддерживает многих ученых, инженеров и техников в программе LHC. На БАК установлены четыре больших экспериментальных детектора частиц, два из которых частично поддерживаются Управлением физики высоких энергий SC: ATLAS и CMS. На американских исследователей приходится примерно 20% и 25% коллабораций ATLAS и CMS соответственно. Они также играют ведущую роль во многих аспектах каждого эксперимента. Эти эксперименты проводят точные измерения свойств бозона Хиггса, чтобы определить, соответствует ли он предсказаниям Стандартной модели или предлагает ключи к новой физике, исследуют новые частицы и их взаимодействия, а также определяют новую физику темной материи.

    Факты о бозоне Хиггса

    • Масса бозона Хиггса, как и других частиц, определяется его собственным взаимодействием с полем Хиггса.
    • Может существовать более одного бозона Хиггса. Одна теоретическая модель новой физики предсказывает пять бозонов Хиггса.
    • Фундаментальные частицы в нашей Вселенной приобретают массу благодаря взаимодействию с полем Хиггса.
    • Бозон Хиггса может быть уникальным порталом для поиска признаков темной материи благодаря своим отличительным характеристикам и свойствам.

     Ресурсы и связанные термины

    • Управление физики высоких энергий
    • ЦЕРН
    • США на LHC
    • Национальный научный фонд
    • Большие вопросы: Салли Доусон о бозоне Хиггса
    • Журнал Symmetry: В поисках близнецов бозона Хиггса
    • Научное достижение: компьютеры помогают ученым понять частицы, из которых состоят атомы

    Благодарности

    Авторы: Майкл Кук (DOE)

     

    Научные термины могут сбивать с толку. Объяснения DOE предлагают простые объяснения ключевых слов и понятий в фундаментальной науке. В нем также описывается, как эти концепции применяются к работе, которую проводит Управление науки Министерства энергетики, помогая Соединенным Штатам преуспеть в исследованиях по всему научному спектру.

    Что такое Бозон Хиггса (Частица Бога)?

    ТЕМЫ:DOEPФизика частиц

    Министерство энергетики США
    25 декабря 2020 г.

    Компактный мюонный соленоид (CMS) — детектор общего назначения на Большом адронном коллайдере (БАК). У него обширная физическая программа, начиная от изучения Стандартной модели (включая бозон Хиггса) и заканчивая поиском дополнительных измерений и частиц, которые могут составлять темную материю. Детектор CMS построен вокруг огромного соленоидного магнита. Он имеет форму цилиндрической катушки из сверхпроводящего кабеля, который генерирует поле в 4 тесла, примерно в 100 000 раз превышающее магнитное поле Земли. Поле ограничено стальным «ярмом», которое составляет большую часть 14 000-тонного веса детектора. Кредит: ЦЕРН

    Бозон Хиггса — это фундаментальная частица, связанная с полем Хиггса, полем, которое придает массу другим фундаментальным частицам, таким как электроны и кварки. Масса частицы определяет, насколько она сопротивляется изменению своей скорости или положения, когда сталкивается с силой. Не все элементарные частицы имеют массу. Например, фотон, являющийся частицей света и переносчиком электромагнитной силы, вообще не имеет массы.

    Бозон Хиггса был предложен в 1964 году Питером Хиггсом, Франсуа Энглером и четырьмя другими теоретиками, чтобы объяснить, почему определенные частицы имеют массу. Ученые подтвердили его существование в 2012 году в ходе экспериментов ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере (LHC) в ЦЕРН 9.0003

    Основанная в 1954 году со штаб-квартирой в Женеве, Швейцария, ЦЕРН является европейской исследовательской организацией, которая управляет Большим адронным коллайдером, крупнейшей лабораторией физики частиц в мире. Его полное название — Европейская организация ядерных исследований (фр.: Organization européenne pour la recherche nucléaire), а аббревиатура ЦЕРН происходит от французского Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire.

    » data-gt-translate-attributes='[{«attribute»:»data-cmtooltip», «format»:»html»}]’>ЦЕРН в Швейцарии. Это открытие привело к присуждению Нобелевской премии по физике 2013 г. Хиггсу и Энглерту.0002 Первая торцевая крышка внутреннего детектора ATLAS после полной установки в криостат с жидким аргоном. Фото: © CERN

    В настоящее время ученые изучают характерные свойства бозона Хиггса, чтобы определить, точно ли он соответствует предсказаниям Стандартной модели физики элементарных частиц. Если бозон Хиггса отклоняется от модели, он может дать ключ к разгадке новых частиц, которые взаимодействуют с другими частицами Стандартной модели только через бозон Хиггса, и тем самым привести к новым научным открытиям.

    Туннель БАК. Источник: © CERN

    Факты о бозоне Хиггса
    • Бозон Хиггса получает свою массу точно так же, как и другие частицы — из-за его собственных взаимодействий с полем Хиггса.
    • Может существовать более одного бозона Хиггса. Одна теоретическая модель новой физики предсказывает пять бозонов Хиггса.
    • Хотя бозон Хиггса придает массу кваркам, из которых состоит протон, он отвечает только за то, чтобы дать протону около 10% его массы. Остальные 90% массы протона возникают в результате сложных взаимодействий кварков и сильного ядерного взаимодействия.
    • Поскольку роль бозона Хиггса состоит в том, чтобы генерировать массу других частиц, и тот факт, что темную материю можно в первую очередь обнаружить по ее массе, бозон Хиггса может быть уникальным порталом для поиска признаков темной материи.
    Управление науки Министерства энергетики США: вклад в исследование бозона Хиггса

    БАК в ЦЕРНе — это коллайдер частиц с самой высокой энергией в мире. В настоящее время это единственное место, где ученые могут создавать и изучать бозоны Хиггса. Управление науки Министерства энергетики (SC) предоставило важные ускорительные магниты для помощи в строительстве LHC. Министерство энергетики также поддерживает многих ученых, инженеров и техников в программе LHC. На БАК установлены четыре больших экспериментальных детектора частиц, два из которых частично поддерживаются Управлением физики высоких энергий SC: ATLAS и CMS. На американских исследователей приходится примерно 20% и 25% коллабораций ATLAS и CMS соответственно.