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

Простым языком: бозон Хиггса — определение.

Говоря простым языком, бозон Хиггса – это самая дорогая частица за все время. Если для открытия электрона, например, было достаточно вакуумной трубки и пары гениальных умов, поиск бозона Хиггса потребовал создания экспериментальной энергии, которую редко встретишь на Земле. Большой адронный коллайдер в представлении не нуждается, будучи одним из самых известных и успешных научных экспериментов, но его профильная частица, как и раньше, окутана тайной для большей части населения. Она была названа частицей Бога, однако, благодаря усилиям буквально тысяч ученых, мы больше не должны принимать ее существование на веру.

Последняя неизвестная

Что такое бозон Хиггса и в чем важность его открытия? Почему он стал предметом столь большой шумихи, финансирования и дезинформации? По двум причинам. Во-первых, он был последней неоткрытой частицей, необходимой для подтверждения Стандартной модели физики. Ее открытие означало, что целое поколение научных публикаций не было напрасным. Во-вторых, этот бозон дает другим частицам их массу, что придает ему особое значение и некоторое «волшебство». Мы склонны думать о массе как о внутреннем свойстве вещей, но физики считают иначе. Говоря простым языком, бозон Хиггса – это частица, без которой массы принципиально не существует.

Что это — субатомная частица?

Субатомные частицы — это те элементы, из которых состоят атомы. О том, каковы их свойства, и как…

Еще одно поле

Причина кроется в так называемом поле Хиггса. Оно было описано еще до бозона Хиггса, поскольку физики его рассчитали для нужд своих собственных теорий и наблюдений, требовавших наличия нового поля, действие которого распространялось бы на всю Вселенную. Подкрепление гипотез путем изобретения новых составляющих Вселенной опасно. В прошлом, например, это привело к созданию теории эфира. Но чем больше производилось математических расчетов, тем больше физики понимали, что поле Хиггса должно существовать в реальности. Единственной проблемой было отсутствие практических возможностей его наблюдения.

В Стандартной модели физики элементарные частицы получают массу посредством механизма, основанного на существовании поля Хиггса, пронизывающего все пространство. Он создает бозоны Хиггса, для чего требуется большое количество энергии, и это является главной причиной того, почему ученые нуждаются в современных ускорителях частиц для проведения высокоэнергетических экспериментов.

Что это — позитрон и его аннигиляция с электроном

Вся Вселенная и каждая отдельная ее часть состоят из множества мельчайших частиц, которые принято…

Откуда берется масса?

Сила слабых ядерных взаимодействий с ростом расстояния быстро падает. Согласно квантовой теории поля, это означает, что частицы, которые участвуют в ее создании – W- и Z-бозоны, – должны обладать массой, в отличие от глюонов и фотонов, у которых массы нет.

Проблема заключается в том, что калибровочные теории оперируют только безмассовыми элементами. Если калибровочные бозоны имеют массу, то такая гипотеза не может быть разумно определена. Механизм Хиггса позволяет избежать этой проблемы путем введения нового поля, называемого полем Хиггса. При высоких энергиях калибровочные бозоны массой не обладают, и гипотеза работает, как ожидалось. При низких энергиях поле вызывает нарушение симметрии, которое позволяет элементам иметь массу.

Что это — фикс в фотоаппаратах: преимущества, недостатки и…

Что такое «фикс» в области фотосъемки, кто им пользуется. Приведены не только общие…

Что такое бозон Хиггса?

Поле Хиггса порождает частицы, называемые бозонами Хиггса. Теорией их масса не оговаривается, но в результате эксперимента было определено, что она равна 125 ГэВ. Говоря простым языком, бозон Хиггса своим существованием окончательно подтвердил Стандартную модель.

Механизм, поле и бозон носят имя шотландского ученого Питера Хиггса. Хотя он и не был первым, кто предложил эти понятия, а, как это часто случается в физике, просто оказался тем, в честь кого они были названы.

Нарушение симметрии

Считалось, что поле Хиггса несет ответственность за то, что частицы, которые иметь массу не должны, ею обладали. Это универсальная среда, наделяющая частицы без массы различными массами. Такое нарушение симметрии объясняют по аналогии со светом – все длины волн движутся в вакууме с одинаковой скоростью, в призме же каждая длина волны может быть выделена. Это, конечно, некорректная аналогия, так как белый свет содержит все длины волн, но пример показывает, как представляется создание полем Хиггса массы благодаря нарушению симметрии. Призма ломает симметрию скорости различных длин волн света, разделяя их, и поле Хиггса, как полагают, ломает симметрию масс некоторых частиц, которые в противном случае симметрично безмассовы.

Как объяснить простым языком бозон Хиггса? Только недавно физики поняли, что если поле Хиггса действительно существует, его действие потребует наличия соответствующего носителя со свойствами, благодаря которым его можно наблюдать. Предполагалось, что эта частица относилась к бозонам. Бозон Хиггса простым языком – это так называемая сила-носитель, такая же, как фотоны, которые являются носителями электромагнитного поля Вселенной. Фотоны, в некотором смысле, являются его локальными возбуждениями так же, как бозон Хиггса является локальным возбуждением его поля. Доказательство существование частицы с ожидаемыми физиками свойствами было фактически равнозначно непосредственному доказательству существования поля.

Эксперимент

Многие годы планирования позволили Большому адронному коллайдеру (LHC) стать опытом, достаточным для потенциального опровержения теории бозона Хиггса. 27-км кольцо сверхмощных электромагнитов может ускорить заряженные частицы до значительных долей скорости света, вызывая столкновения достаточной силы, чтобы разделить их на составляющие, а также деформировать пространство вокруг точки удара. Согласно расчетам, при энергии столкновения достаточно высокого уровня можно зарядить бозон так, что он распадется и это можно будет наблюдать. Эта энергия была настолько большой, что некоторые даже запаниковали и предрекали конец света,а фантазия других разошлась настолько, что обнаружение бозона Хиггса описывалось как возможность заглянуть в альтернативное измерение.

Окончательное подтверждение

Первоначальные наблюдения, казалось, на самом деле опровергали предсказания, и никаких признаков частицы обнаружить не удалось. Некоторые исследователи, участвовавшие в кампании за расходование миллиардов долларов, даже появились на телевидении и кротко констатировали факт, что опровержение научной теории столь же важно, как и его подтверждение. Через некоторое время, однако, измерения стали складываться в общую картину, и 14 марта 2013 г. CERN официально объявил о подтверждении существования частицы. Есть основания предполагать существование множественных бозонов, но эта идея нуждается в дальнейшем изучении.

Через два года после того как CERN объявил об открытии частицы, ученые, работающие на Большом адронном коллайдере, смогли это подтвердить. С одной стороны, это стало огромной победой науки, а с другой много ученых было разочаровано. Если кто-то надеялся, что бозон Хиггса окажется частицей, которая приведет к странным и удивительным областям за пределами Стандартной модели – суперсимметрии, темной материи, темной энергии, – то, к сожалению, это оказалось не так.

Исследование, опубликованное в Nature Physics, подтвердило распад на фермионы. Стандартная модель предсказывает, что, говоря простым языком, бозон Хиггса является частицей, которая дает фермионам их массу. Детектор CMS коллайдера, наконец, подтвердил их распад на фермионы – нижние кварки и тау-лептоны.

Бозон Хиггса простым языком: что это такое

Данное исследование окончательно подтвердило, что это бозон Хиггса, предсказанный Стандартной моделью физики элементарных частиц. Он расположен в области массы-энергий 125 ГэВ, не имеет спина, и может распадаться на множество более легких элементов – пар фотонов, фермионов и т. д. Благодаря этому можно уверенно говорить о том, что бозон Хиггса, простым языком говоря, является частицей, дающей массу всему.

Разочаровало стандартное поведение новооткрытого элемента. Если бы его распад хоть немного отличался, он был бы связан с фермионами иначе, и возникли бы новые направления исследований. С другой стороны, это означает, что мы ни на шаг не продвинулись за пределы Стандартной модели, которая не учитывает гравитацию, темную энергию, темную материю и другие причудливые явления реальности.

Сейчас можно только догадываться о том, чем они вызваны. Наиболее популярна теория суперсимметрии, которая утверждает, что каждая частица Стандартной модели имеет невероятно тяжелого суперпартнера (таким образом, составляя 23 % Вселенной – темной материи). Обновление коллайдера с удвоением его энергии столкновений до 13 ТэВ, вероятно, позволит обнаружить эти суперчастицы. В противном случае суперсимметрии придется подождать постройки более мощного преемника LHC.

Дальнейшие перспективы

Так какова будет физика после бозона Хиггса? LHC совсем недавно возобновил свою работу с существенными улучшениями и способен увидеть все — от антивещества до темной энергии. Считается, что темная материя взаимодействует с обычной исключительно посредством гравитации и через создание массы, и значение бозона Хиггса является ключевым для понимания того, как именно это происходит. Основной недостаток Стандартной модели состоит в том, что она не может объяснить действие силы тяжести – такую модель можно было бы назвать Великой единой теорией, – и некоторые полагают, что частица и поле Хиггса могут стать тем мостом, который физики так отчаянно пытаются найти.

Существование бозона Хиггса подтвердилось, но до полного его понимания еще очень далеко. Опровергнут ли будущие опыты суперсимметрию и идею о ее разложении на саму темную материю? Или они подтвердят все, до мельчайших подробностей, предсказания стандартной модели о свойствах бозона Хиггса и с данной областью исследований будет покончено навсегда?

Что такое бозон Хиггса и почему ученые хотели его открыть

Многие что-то где-то слышали про бозон Хиггса, а некоторые даже пробовали разобраться в вопросе того, что это такое. В итоге, объяснение данного процесса такое сложное, что понять все это не так легко. Мы просто знаем, что это важно, и все. Хотя иногда даже складывается ощущение, что ученые от нас что-то скрывают, и на самом деле аппаратура на миллиарды долларов, включая Большой адронный коллайдер, просто не нужна. Конечно, это не так, и физики сделали большое открытие (и продолжают делать новые), вот только надо понимать, даст ли это что-то нам с вами. Я имею в виду простых людей, которым интересно прочитать и удивиться, сколько денег потратили на новую лабораторию, но куда интереснее получить от этого какие-то преимущества. Давайте попробуем понять, светит ли нам мир во всем мире и будет в наших домах теплей от обнаружения бозона Хиггса. Да и вообще, что это такое.

В основе основ всегда есть что-то. Вопрос в том, как это найти.

Содержание

• 1 Что такое бозон Хиггса
• 2 Существует ли бозон Хиггса
• 3 Почему бозон Хиггса называют ”частицей Бога”
• 4 Что даст обнаружение частицы Бога
• 5 Где можно применить бозон Хиггса

Что такое бозон Хиггса

Прежде, чем рассказывать, чем является одно из самых важных открытий современной физики, надо дать этому определение. Желательно сделать это простым языком, а не так, чтобы его поняли только дипломированные физики. Этим и займемся.

Сделать это совсем просто — не просто. Еще в начале девяностых годов прошлого века в разных научных сообществах даже учреждались премии, которые должны были стимулировать ученых придумывать простые объяснения главной частицы всех теорий. Получалось так себе, но версии были очень разные.

Физики отчаянно хотят, чтобы бозон Хиггса был ошибкой

Например, одна из версий абстрактно сравнивала ситуацию с вечеринкой. Приводилась в пример группа людей, которая присутствует на каком-либо мероприятии, куда в какой-то момент заходит известный человек. Для наглядности можно даже сказать знаменитый. В итоге, некоторые люди в помещении начинают перемещаться в его сторону и идут за ним, так как хотят с ним пообщаться.

Во время такого следования толпа может разбиваться на небольшие группы, которые, допустим, будут обсуждать какие-то новости или сплетни. Постепенно они начнут передавать сплетню друг другу и начнут образовывать уплотнения.

Физики наконец-то увидели, на что распадается бозон Хиггса

В этом объяснении помещение является полем Хиггса, знаменитость является частицей, движущейся в поле, а группы людей будут представлять из себя возмущения этого поля. Ничего не понятно? Согласен! Но ведь это одно из самых простых объяснений. Если вы можете более просто объяснить, что такое бозон Хиггса, расскажите об этом в нашем Telegram-чате. Может у вас получится.

Где-то тут должна ходить знаменитость и тогда мы поймем, что такое бозон Хиггса. Или нет…

Существует ли бозон Хиггса

Бозон Хиггса является фундаментальной частицей Стандартной модели. До недавнего времени найти ее было невозможно. При этом существование такой частицы физики предсказывали еще в шестидесятые годы прошлого века. У них не было оборудования, которое позволяло бы доказать существование таких частиц, и им нужен был инструмент, который создали только существенно позже. Произошло это в 2008 году, когда в ЦЕРНе (Европейский совет ядерных исследований) появился Большой адронный коллайдер.

Стандартная модель является теоретической конструкцией, применяемой в физике элементарных частиц. Она описывает электромагнитное взаимодействие всех элементарных частиц (слабое и сильное). Стандартная модель не описывает некоторые стороны физики, например, темную материю. Именно поэтому ее нельзя называть теорией всего. Картинка стандартной модели ”полностью сложилась”, когда открыли бозон Хиггса.

Почему бозон Хиггса называют ”частицей Бога”

С 2008 год ученые подкованы поисках ”Частицы Бога” (одно из названий бозона Хиггса). Так ее называют по предложению Леона Ледермана, который был нобелевским лауреатом и выпустил книгу с заголовком, начинающимся с этих слов. Хотя самому ученому больше по душе было название ”Проклятая частица”, но оно как-то не прижилось.

Благодаря этому американскому ученому бозон Хиггса стали называть именно так.

Как говорится, ”хоть чертом лысым назови”, но частицу в итоге нашли и произошло это в 2012 году. Помог в обнаружении как раз тот самый Большой адронный коллайдер. При этом после обнаружения ученые сообщили об этом, но не торопились делать поспешных выводов и выступали очень осторожно. В первые дни после эксперимента ученые говорили, что они только нашли элементарную частицу, похожую на бозон Хиггса.

Что даст обнаружение частицы Бога

Немного абсурдный пример. Какое-нибудь насекомое живет под землей и никогда не вылезает на поверхность, но догадывается, что небо синее (вот такое умное насекомое). Потом оно видит синий цвет и понимает, какое на самом деле небо, и что оно было право. Вот только изменит ли это что-то с точки зрения самого неба? Конечно, нет. Оно как было синим, так и осталось, а насекомое, как жило под землей, так и продолжило там жить.

Почему наша Вселенная такая странная и существуют ли законы физики?

Примерно так же дела обстоят и с бозоном Хиггса. Он не позволит начать нам путешествовать во времени, не поспособствует созданию вечного двигателя и не станет основной лекарства от всех болезней. По сути его обнаружение просто подтвердило предполагаемые принципы взаимодействия частиц и свело воедино все утверждения Стандартной теории. Возможно, из-за его появления вопросов в других областях физики, наоборот, станет только больше.

Визуализаций поиска бозона Хиггса очень много.

Где можно применить бозон Хиггса

На практике применение бозона Хиггса пока невозможно, да и не понятно, где его применять. Зато он важен для фундаментальной физики. Ну, хотя бы он не привел к концу света, о котором говорили многие скептики. Были даже теории о том, что столкновение частиц в Большом адронном коллайдера может породить черную дыру, которая поглотит всю нашу Солнечную систему. А Дэн Браун в своей известной книге ”Ангелы и демоны” сделал основной сюжета охоту за антивеществом, которое злоумышленники похитили в ЦЕРН.

Бозон Хиггса: портал в «темный мир»?

В итоге у нас (у человечества) есть бозон Хиггса и Большой адронный коллайдер в центре Европы, стоимость строительства которого превысила 10 миллиардов долларов. Практической пользы для простых людей чуть меньше, чем нет совсем, но звучит вся эта история интересно. Ну, хоть физики довольны — может найдут применение своей находке.

Элементарная частица — Простая английская Википедия, бесплатная энциклопедия

Из Простая английская Википедия, бесплатная энциклопедия

Стандартная модель элементарных частиц.
1 ГэВ/ с ² = 1,783×10 ^-27 кг. 1 МэВ/ с ² = 1,783×10 ^-30 кг.

В физике элементарная частица или фундаментальная частица — это частица, не состоящая из других частиц.

Элементарная частица может принадлежать к одной из двух групп: фермион или бозон. Фермионы являются строительными блоками материи и имеют массу, в то время как бозоны ведут себя как переносчики сил для фермионных взаимодействий, а некоторые из них не имеют массы. ^[1] Стандартная модель — это наиболее общепринятый способ объяснить поведение частиц и силы, влияющие на них. В соответствии с этой моделью элементарные частицы подразделяются на кварки, лептоны и калибровочные бозоны, причем бозон Хиггса имеет особый статус некалибровочного бозона.

Из частиц, составляющих атом, только электрон является элементарной частицей. Протоны и нейтроны состоят из трех кварков, что делает их составными частицами, состоящими из других частиц. Кварки связаны между собой глюонами. В ядре есть бозон-пионные поля, ответственные за сильную ядерную силу, связывающую протоны и нейтроны против электростатического отталкивания между протонами. Такие виртуальные пионы состоят из пар кварк-антикварк, вновь удерживаемых вместе глюонами.

Есть три основных свойства, которые описывают элементарную частицу: «масса», «заряд» и «спин». Каждому свойству присваивается числовое значение. Для массы и заряда число может быть равно нулю. Например, фотон имеет нулевую массу, а нейтрино — нулевой заряд. Эти свойства всегда остаются неизменными для элементарной частицы.

• Масса: Частица имеет массу, если ей требуется энергия для увеличения скорости или ускорения. В таблице справа указана масса каждой элементарной частицы. Значения даны в МэВ/c ² с (произносится как мегаэлектронвольты относительно «с» в квадрате), то есть в единицах энергии относительно скорости света в квадрате. Это происходит из специальной теории относительности, которая говорит нам, что энергия равна массе, умноженной на квадрат скорости света. Все частицы с массовой гравитацией. На все частицы действует гравитация, даже на частицы без массы, такие как фотон (см. общую теорию относительности).
• Электрический заряд: Частицы могут иметь положительный заряд, отрицательный или отсутствовать. Если одна частица имеет отрицательный заряд, а другая частица имеет положительный заряд, эти две частицы притягиваются друг к другу. Если обе частицы имеют отрицательный заряд или обе имеют положительный заряд, две частицы отталкиваются друг от друга. На коротких расстояниях эта сила намного сильнее, чем сила гравитации, которая притягивает все частицы друг к другу. Электрон имеет заряд -1. Протон имеет заряд +1. Нейтрон имеет средний заряд 0. Обычные кварки имеют заряд ⅔ или -⅓.
• Спин: угловой момент или постоянное вращение частицы имеет особое значение, называемое числом вращения. Спин для элементарных частиц равен единице или ½. Свойство вращения частиц означает только наличие углового момента. В действительности частицы не вращаются.

Масса и заряд — это свойства, которые мы наблюдаем в повседневной жизни, потому что гравитация и электричество влияют на то, что люди видят и осязают. Но спин влияет только на мир субатомных частиц, поэтому его нельзя наблюдать напрямую.

Фермионы (названные в честь ученого Энрико Ферми) имеют спиновое число ½ и являются либо кварками, либо лептонами. Существует 12 различных типов фермионов (не считая антиматерии). Каждый тип называется «вкус». Вкусы:

• Кварки : верх, низ, очарование, странность, верх, низ. Кварки делятся на три пары, называемые «поколениями». Первое поколение (вверху и внизу) — самое легкое, а третье (вверху и внизу) — самое тяжелое. Один член каждой пары (вверх, обаяние и верхушка) имеет заряд ⅔. Другой член (нижний, странный и нижний) имеет заряд -1/3.
• Лептоны : электрон, мюон, тау, электронное нейтрино, мюонное нейтрино, тау нейтрино. Нейтрино имеют заряд 0, отсюда и префикс neutr-. Остальные лептоны имеют заряд -1. Каждое нейтрино названо в честь соответствующего исходного лептона: электрона, мюона и тауона.

Считается, что шесть из 12 фермионов существуют вечно: верхний и нижний кварки, электрон и три вида нейтрино (которые постоянно меняют вкус). Остальные фермионы распадаются . То есть они распадаются на другие частицы через доли секунды после того, как были созданы. Статистика Ферми-Дирака — это теория, описывающая поведение фермионов.

Бозоны , названные в честь индийского физика Сатьендры Натха Боса, имеют спин 1. Хотя большинство бозонов состоят из более чем одной частицы, существует два вида элементарных бозонов:

• Калибровочные бозоны : глюоны, W ⁺ и W ^— бозоны, Z ⁰ бозоны и фотоны. Эти бозоны несут 3 из 4 фундаментальных взаимодействий и имеют число вращения 1;
  • Глюон: Глюоны являются безмассовыми и незаряженными частицами, и они являются переносчиками сильного силового взаимодействия. Они вместе с кварками объединяются, образуя составные частицы, называемые адроны, которые включают протоны и нейтроны.
  • Бозоны W и Z: Бозоны W и Z — это частицы, несущие слабое взаимодействие. Бозон W состоит из частицы материи (W ⁺ ) и частицы антивещества (W ^— ), тогда как бозон Z является собственной античастицей. Бозон W образуется при бета-распаде, но почти сразу же превращается в нейтрино и электрон. Бозоны W и Z были открыты в 1983 году.
  • Фотон: Фотоны — это безмассовые и незаряженные частицы, несущие электромагнитную силу. Фотоны могут иметь определенную частоту, определяющую, какое электромагнитное излучение они представляют. Как и все другие безмассовые частицы, они движутся со скоростью света (300 000 км/с).
• Бозон Хиггса: Физики считают, что массивные частицы имеют массу (то есть они не являются чистыми пучками энергии, как фотоны) из-за взаимодействия Хиггса.

Фотон и глюоны не имеют заряда и являются единственными элементарными частицами, масса которых точно равна 0. Фотон — единственный бозон, который не распадается. Статистика Бозе-Эйнштейна — это теория, описывающая поведение наборов бозонов. В отличие от фермионов, в одном и том же пространстве одновременно может находиться более одного бозона.

Стандартная модель включает в себя все элементарные частицы, описанные выше. Все эти частицы наблюдались в лаборатории.

Стандартная модель не говорит о гравитации. Если гравитация работает так же, как три другие фундаментальные силы, то гравитация переносится гипотетическим бозоном, называемым гравитоном. Гравитон еще предстоит найти, поэтому он не включен в приведенную выше таблицу.

Первым открытым фермионом, о котором мы знаем больше всего, является электрон. Первым открытым бозоном, а также тем, о котором мы знаем больше всего, является фотон. Теория, которая наиболее точно объясняет, как электрон, фотон, электромагнетизм и электромагнитное излучение работают вместе, называется квантовой электродинамикой.

1. ↑
   Сильви Брейбант; Джорджио Джакомелли; Маурицио Спурио (2012). Частицы и фундаментальные взаимодействия: введение в физику элементарных частиц (2-е изд.). Спрингер. стр. 1–3. ISBN 978-94-007-2463-1 .

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 CMS бозона Хиггса. 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 ( фермионы, такие как электроны или кварки внутри протонов), так и переносчики силы (0170 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 имел 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 в двух статьях — одной Роберта Браута и Франсуа Энглера , другой Питера Хиггса — предполагалось найти 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-Энглерта-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 различными 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 ударами 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 признаки 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 был способен 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 породить бозон Хиггса, который немедленно трансформируется — или «распадется» — в более легкие частицы, которые могут наблюдать ATLAS и CMS. Поэтому ученым нужно было собрать достаточно доказательств, чтобы предположить, что частицы, которые мог появиться из производства Хиггса, и преобразование действительно было 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 был одним из руководителей поисков 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 совместных проектов.