Бозон хиггса простым языком что это: Бозон Хиггса простым языком

Содержание

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.

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.

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 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.

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 во всем научном спектре.

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.

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

Факты о бозоне Хиггса

Бозон Хиггса получает свою массу точно так же, как и другие частицы — из-за своего собственного взаимодействия 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.