Простым языком: бозон Хиггса — что это? Бозон хиггса простым языком что это
Простым языком: бозон Хиггса - что это?
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?
fb.ru
Что такое Бозон Хиггса. Описание простым языком
Можно поспорить на крупную сумму, что большинство из вас (в том числе и люди, интересующиеся наукой) не очень хорошо представляют себе, что же такое нашли физики на большом адронном коллайдере, почему они это так долго искали, и что будет дальше.
Поэтому небольшой рассказ о том, что такое бозон Хиггса.
Начать нужно с того, что люди вообще очень плохо умеют представлять в уме, что творится в микромире, на масштабе элементарных частиц.
Скажем, многие со школы представляют себе, что электроны — такие маленькие желтые шарики, вроде мини-планет, вращающихся вокруг ядра атома, а то похоже на ягоду малины, составленную из красных и синих протонов-нейтронов. Те, кто немного знаком с квантовой механикой по популярным книгам, представляют элементарные частицы в виде этаких размытых облачков. Когда нам пишут, что любая элементарная частица одновременно является волной, мы представляем себе волны на море (или в океане): поверхность трехмерной среды, которая периодически колеблется. Если нам сказать, что частица представляет собой событие в некотором поле, мы представим себе поле (что-то такое гудит в пустоте, как трансформаторная будка).
Всё это очень плохо. Слова «частица», «поле» и «волна» крайне плохо отражают реальность, и представлять их себе нельзя никак. Какой бы визуальный образ ни пришел вам в голову, он будет неверным и будет мешать пониманию. Элементарные частицы не являются чем-то, что в принципе можно увидеть или «пощупать», а мы, потомки обезьян, рассчитаны на то, чтобы представлять себе только такие вещи. Неправда, что электрон (или фотон, или бозон Хиггса) «являются одновременно частицей и волной»; это нечто третье, для чего слов в нашем языке никогда не было (за ненадобностью). Мы (в смысле, человечество) знаем, как они себя ведут, мы можем производить какие-то расчеты, мы можем устраивать с ними эксперименты, но мы не можем подобрать для них хороший мысленный образ, потому что штуки, хотя бы примерно похожие на элементарные частицы, на наших масштабах не встречаются вообще.
Профессиональные физики и не пытаются визуально (или как угодно ещё в терминах человеческих чувств) представлять себе то, что творится в микромире; это плохой путь, он никуда не ведет. У них постепенно вырабатывается некоторая интуиция насчет того, какие там объекты обитают, и что с ними случится, если сделать то-то и то-то, но непрофессионал вряд ли сможет её продублировать.
Так, надеюсь, вы больше не думаете о маленьких шариках. Теперь о том, что же все-таки искали и нашли на Большом Адронном Коллайдере.
Общепринятая теория того, как устроен мир на самых маленьких масштабах, называется Стандартная Модель. Согласно ей, наш мир устроен так. В нём есть несколько принципиально разных типов вещества, которые различными способами взаимодействуют друг с другом. О таких взаимодействиях иногда удобно говорить как об обмене некими «объектами», для которых можно измерить скорость, массу, можно разогнать их или столкнуть друг с другом и т.п. В каких-то случаях удобно называть их (и думать о них) как о частицах-переносчиках. Таких частиц в модели 12 разновидностей. Напоминаю, что всё, о чем я сейчас пишу, все равно неточно и профанация; но, надеюсь, всё же гораздо меньшая, чем сообщения большинства СМИ. (Например, «Эхо Москвы» 4-го июля отличилось фразой «5 баллов по шкале сигма»; знающие оценят).
Так или иначе, 11 из 12 частиц Стандартной модели уже наблюдались ранее. 12-я — бозон, соответствующий полю Хиггса — то, что придает многим остальным частицам массу. Очень хорошая (но, конечно, тоже неверная) аналогия, которую придумал не я: представьте себе идеально гладкий бильярдный стол, на котором находятся бильярдные шарики-элементарные частицы. Они легко разлетаются в разные стороны и движутся куда угодно без помех. Теперь представьте себе, что стол покрыт некой липкой массой, затрудняющей движение частиц: это поле Хиггса, а то, насколько частица прилипает к такому покрытию — и есть его масса. С некоторыми частицами поле Хиггса не взаимодействует никак, например, с фотонами, и их масса, соответственно, равна нулю; можно представить себе, что фотоны похожи на шайбу в аэрохоккее, и покрытие не замечают вообще.
Вся эта аналогия неверна, например, потому что масса, в отличие от нашего липкого покрытия, мешает частице не двигаться, а ускоряться, но какую-то иллюзию понимания дает.
Бозон Хиггса — это частица, соответствующая этому «липкому полю». Представьте себе очень сильный удар по бильярдному столу, повредивший сукно и смявший небольшое количество липкой массы в складку-пузырик, которая очень быстро растечется обратно. Вот, это он и есть.
Собственно, именно этим Большой адронный коллайдер и занимался все эти годы, и примерно так процесс получения бозона Хиггса и выглядел: лупим изо всех сил по столу до тех пор, пока само сукно не начнет превращаться из очень статичной, твердой и липкой поверхности во что-то более интересное (или пока не случится что-нибудь ещё более чудное, теорией не предсказанное). Именно поэтому БАК настолько большой и мощный: с меньшей энергией «по столу» бить уже пытались, но безуспешно.
Теперь насчет пресловутых 5 сигма. Проблема вышеописанного процесса заключается в том, что мы можем только стукнуть и надеяться, что из этого что-то выйдет; гарантированного рецепта получения именно бозона Хиггса нет. Хуже, когда он все-таки родился на свет, мы должны успеть его зарегистрировать (увидеть его, естественно, нельзя, да и существует он лишь ничтожную долю секунды). Каким бы детектором мы ни пользовались, мы можем лишь сказать, что кажется, возможно, мы наблюдали нечто похожее.
Теперь представьте себе, что у нас есть особая игральная кость; она падает случайно на одну из шести граней, но если рядом с ней как раз в это время находится бозон Хиггса, то шестерка не выпадет никогда. Это типичный детектор. Если мы кинем кость один раз и одновременно стукнем изо всех сил по столу, то вообще никакой результат нам ровно ни о чем не скажет: выпало 4? Вполне вероятное событие. Выпало 6? Возможно, мы просто стукнули по столу слегка не в тот момент, и бозон, хотя и существующий, не успел родиться в нужный момент, или наоборот, успел распасться.
Но мы можем проделывать этот эксперимент несколько раз, и даже много раз! Отлично, давайте кинем кость 60 000 000 раз. Допустим, при этом шестерка выпала «всего лишь» 9 500 000 раз, а не 10 000 000; значит ли это, что бозон время от времени появляется, или это всего лишь допустимая случайность — мы же не верим, что кость должна лечь шестеркой ровно 10 миллионов раз из 60?
Ну ээээ. На глазок такие вещи не оцениваются, нужно считать, насколько велико отклонение, и как оно соотносится с возможными случайностями. Чем больше отклонение, тем меньше вероятность того, что кость просто случайно так ложилась, и тем больше вероятность того, что время от времени (не всегда) возникала новая элементарная частица, мешавшая ей лечь шестеркой. Отклонение от среднего удобно выражать в «сигмах». «Одна сигма» — это такой уровень отклонения, который является «наиболее ожидаемым» (его конкретное значение может вычислить любой третьекурсник физ- или матфакультета). Если экспериментов достаточно много, то отклонение в 5 сигма — это тот уровень, когда мнение «случайность маловероятна» превращается в абсолютно твердую уверенность.
О достижении примерно этого уровня отклонений сразу на двух разных детекторах и объявили физики 4 июля. Оба детектора вели себя очень похоже на то, как они бы вели себя, если бы получаемая в результате сильных ударов по столу частица действительно была бозоном Хиггса; строго говоря, это ещё не значит, что перед нами именно он, нужно измерить всякие прочие его характеристики всякими другими детекторами. Но сомнений осталось уже мало.
Наконец, о том, что нас ждет в будущем. Была ли открыта «новая физика», и был ли совершен прорыв, который пригодится нам для создания гиперпространственных двигателей и абсолютного топлива? Нет; и даже наоборот: стало ясно, что в той части физики, которая изучает элементарные частицы, чудес не происходит, и природа устроена практически так, как физики всю дорогу и предполагали (ну, или почти так). Это даже немного грустно.
Ситуация осложняется тем, что нам совершенно твердо известно, что она в точности так устроена быть не может в принципе. Стандартная модель чисто математически не совместима с общей теорией относительности Эйнштейна, и то, и другое одновременно быть верно просто не может.
И куда теперь копать, пока не очень понятно (не то чтобы мыслей совсем нет, скорее, наоборот: различных теоретических возможностей слишком много, а способов их проверить гораздо меньше). Ну, может быть, кому-то и понятно, но уж точно не мне. Я и так в этом посте давным-давно вышел за пределы своей компетенции. Если я где-то сильно соврал, пожалуйста, поправьте меня.
Читайте также:
track-traiding.com
Простым языком: бозон Хиггса - что это?
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
teora-holding.ru
Что такое бозон Хиггса, и почему его так искали?
Бозон Хиггса в физике представляет собой элементарную частицу, которая, по мнению ученых, играет фундаментальную роль в образовании массы во Вселенной. Подтверждение или опровержение существования этой частицы являлось одной из основных целей использования Большого Адронного Коллайдера (БАК) - самого мощного ускорителя частиц в мире, который находится в Европейской лаборатории физики элементарных частиц (ЦЕРН) недалеко от Женевы.
Почему так было важно найти бозон Хиггса
В современной физике элементарных частиц существует некоторая стандартная модель. Единственной частицей, которую предсказывает эта модель, и которую ученые пытались долго обнаружить, является названный бозон. Стандартная модель частиц (согласно экспериментальным данным) описывает все взаимодействия и превращения между элементарными частицами. Однако оставалось единственное "белое пятно" в этой модели - отсутствие ответа на вопрос о происхождении массы. Важность массы не вызывает сомнения, ведь без нее Вселенная была бы совершенно другой. Если бы у электрона не было массы, то не существовали бы атомы и сама материя, не было бы биологии и химии, не было бы, в конце концов, человека.
Чтобы объяснить концепцию существования массы, несколько физиков, среди которых был британец Питер Хиггс, еще в 60-х годах прошлого столетия выдвинули гипотезу о существовании так называемого поля Хиггса. По аналогии с фотоном, который является частицей электромагнитного поля, поле Хиггса также требует существование его частицы-носителя. Таким образом, бозоны Хиггса простыми словами – это частицы, из множества которых образуется поле Хиггса.
Частица Хиггса и поле, которое она создает
Все элементарные частицы можно разделить на два типа:
- Фермионы.
- Бозоны.
Фермионы - это те частицы, которые образуют известную нам материю, например, протоны, электроны и нейтроны. Бозоны являются элементарными частицами, которые обуславливают существование различного типа взаимодействия между фермионами. Например, бозонами являются фотон - носитель электромагнитного взаимодействия, глюон - носитель сильного или ядерного взаимодействия, бозоны Z и W, которые отвечают за слабое взаимодействие, то есть за превращения между элементарными частицами.
Если говорить простым языком о бозоне Хиггса и о смысле гипотезы, которая объясняет появление массы, то следует представить, что эти бозоны распределены в пространстве Вселенной и образуют непрерывное поле Хиггса. Когда какое-либо тело, атом или элементарная частица испытывают "трение" об это поле, то есть взаимодействуют с ним, то это взаимодействие проявляется как существование массы у данного тела или частицы. Чем сильнее тело "трется" частица о поле Хиггса, тем больше его масса.
Как можно обнаружить, и где копать бозон Хиггса
Прямым способом этот бозон обнаружить не удается, поскольку (согласно теоретическим данным) после его появления он мгновенно распадается на другие более устойчивые элементарные частицы. А вот появившиеся после распада бозона Хиггса частицы уже можно обнаружить. Именно они являются "следами", свидетельствующими о существовании этой важной частицы.
Ученые, чтобы обнаружить частицу бозон Хиггса, сталкивали высокоэнергетические пучки протонов. Огромная энергия протонов при столкновении способна перейти в массу, согласно известному уравнению Альберта Эйнштейна E = mc2. В зоне столкновения протонов в коллайдере расположено множество детекторов, которые позволяют регистрировать появление и распад любых частиц.
Масса бозона Хиггса теоретически не была установлена, а был определен лишь возможный набор ее значений. Для обнаружения частицы требуются мощные ускорители. Большой Адронный Коллайдер (БАК) является самым мощным на данный момент ускорителем на планете Земля. С его помощью удавалось сталкивать протоны с энергией, близкой к 14 тетраэлектронвольтам (ТэВ). В настоящее время он работает с энергиями около 8 ТэВ. Но даже этих энергий оказалось достаточно для обнаружения бозона Хиггса или частицы Бога, как ее еще называют многие.
Случайные и реальные события
В физике элементарных частиц существование того или иного события оценивается с определенной вероятностью "сигма", которая определяет случайность или реальность этого события, полученного в эксперименте. Чтобы увеличить вероятность какого-либо события, необходимо проанализировать большое число данных. Поиски и открытие бозона Хиггса относятся к подобного рода вероятным событиям. Для обнаружения этой частицы в БАК генерировалось около 300 млн столкновений за одну секунду, таким образом количество данных, которое нужно было проанализировать, являлось огромным.
Можно говорить о реальном наблюдении конкретного события с уверенностью, если его "сигма" будет равна 5 и больше. Это эквивалентно событию с монетой (если ее подбросить, и она 20 раз подряд упадет решкой). Такой результат соответствует вероятности менее 0,00006%.
Как только обнаружено это "новое" реальное событие, необходимо детально его изучить, ответив на вопрос, точно это событие соответствует частице Хиггса или это какая-то другая частица. Для этого необходимо тщательно изучать свойства продуктов распада этой новой частицы и сравнивать их с результатами теоретических предсказаний.
Эксперименты БАК и открытие частицы массы
Поиски частицы массы, которые выполнялись на коллайдерах БАК в Женеве и Теватрон в лаборатории Ферми в США, установили, что частица Бога должна обладать массой большей, чем 114 гигаэлектронвольт (ГэВ), если ее выражать в энергетическом эквиваленте. Для примера скажем, что масса одного протона приблизительно соответствует 1 ГэВ. Другие эксперименты, которые были направлены на поиск данной частицы, выяснили, что ее масса не может превышать 158 ГэВ.
Первые результаты поиска бозона Хиггса в БАК были представлены еще в 2011 году, благодаря анализу данных, которые собирались в коллайдере в течение одного года. За это время было проведено два основных эксперимента по указанной проблеме - ATLAS и CMS. Согласно этим экспериментам, бозон имеет массу между 116 и 130 ГэВ или между 115 и 127 ГэВ. Интересно отметить, что в обоих названных экспериментах в БАК по многим признакам масса бозона находится в узкой области между 124 и 126 ГэВ.
Питер Хиггс вместе со своим коллегой Франком Энглертом 8 октября 2013 года получили Нобелевскую премию за открытие теоретического механизма понимания существования массы у элементарных частиц, который был подтвержден в экспериментах ATLAS и CMS на БАК в ЦЕРН (Женева), когда был обнаружен экспериментально предсказанный бозон.
Важность открытия частицы Хиггса для физики
Поясняя об открытии бозона Хиггса просто, можно сказать, что оно положило начало новому этапу в физике элементарных частиц, поскольку это событие предоставило новые пути для дальнейшего исследования феноменов Вселенной. Например, изучение природы и особенностей черной материи, которая по общим оценкам составляет около 23% всей известной Вселенной, но свойства которой остаются тайной до настоящего времени. Открытие частицы Бога позволило продумать и поставить новые эксперименты в БАК, которые помогут прояснить данный вопрос.
Свойства бозона
Многие свойства частицы Бога, которые описываются в стандартной модели элементарных частиц, в настоящее время полностью установлены. Этот бозон имеет нулевой спин, у него нет электрического заряда и цвета, поэтому он не взаимодействует с другими бозонами, такими как фотон и глюон. Однако он взаимодействует со всеми частицами, которые обладают массой: кварками, лептонами и бозонами слабых взаимодействий Z и W. Чем больше масса частицы, тем сильнее она взаимодействует с бозоном Хиггса. Кроме того, этот бозон является античастицей для самого себя.
Масса частицы, ее среднее время жизни и взаимодействие между бозонами не предсказывает теория. Эти величины могут быть измерены только экспериментальным путем. Результаты экспериментов на БАК в ЦЕРН (Женева) установили, что масса этой частицы лежит в пределах 125-126 ГэВ, а время ее жизни составляет приблизительно 10-22 секунды.
Открытый бозон и космический апокалипсис
Открытие этой частицы считается одним из самых важных за всю историю человечества. Эксперименты с этим бозоном продолжаются, а ученые получают новые результаты. Одним из них стал тот факт, что бозон может привести Вселенную к гибели. Причем этот процесс уже начался (согласно мнению ученых). Суть проблемы заключается в следующем: бозон Хиггса может сколлапсировать самостоятельно в какой-либо части Вселенной. Это создаст энергетический пузырь, который постепенно распространится, поглощая все на своем пути.
На вопрос, будет ли конец света, каждый ученый отвечает положительно. Дело в том, что существует теория, которая называется "Звездная модель". В ней постулируется очевидное утверждение: все имеет свое начало и свой конец. Согласно современным представлениям, конец Вселенной будет выглядеть следующим образом: ускоренное расширение Вселенной приводит к распылению материи в пространстве. Этот процесс будет продолжаться, пока не погаснет последняя звезда, после этого Вселенная погрузится в вечный мрак. Через сколько это произойдет, никто не знает.
С открытием бозона Хиггса появилась еще одна теория конца света. Дело в том, что некоторые физики считают, что полученная масса бозона является одной из возможных временных масс, существуют другие ее значения. Эти значения массы также могут реализоваться, поскольку (говоря простым языком) бозон Хиггса - это элементарная частица, которая может проявлять волновые свойства. То есть существует вероятность его перехода в более устойчивое состояние, соответствующее большей массе. Если такой переход произойдет, то все, известные человеку природные законы, приобретут другой вид, поэтому наступит конец известной нам Вселенной. Кроме того, данный процесс уже мог произойти в какой-либо части Вселенной. Человечеству остается не так много времени для своего существования.
Польза БАК и других ускорителей элементарных частиц для общества
Технологии, которые разрабатываются для ускорителей частиц, являются полезными и для медицины, информатики, индустрии, окружающей среды. Например, магниты коллайдера, изготовленные из суперпроводящих материалов, с помощью которых разгоняются элементарные частицы, могут применяться для медицинский технологий диагностики. Современные детекторы различных частиц, образующихся в коллайдере, могут использоваться в позитронной томографии (позитрон - это античастица электрона). Кроме того, технологии формирования пучков из элементарных частиц в БАК могут использоваться для терапии различных заболеваний, например, раковых опухолей.
Что касается пользы исследований с помощью БАК в ЦЕРН (Женева) для информационных технологий, то следует сказать, что глобальная компьютерная сеть GRID, а также сам интернет обязаны своему развитию во многом экспериментам с ускорителями элементарных частиц, которые производили огромное количество данных. Необходимость в обмене этими данными между учеными всего мира привела к созданию в ЦЕРН Тимом Бернелсом-Ли языка World Wide Web (WWW), на котором основан Интернет.
Пучки частиц, которые формировались и формируются в различного рода ускорителях, в настоящее время широко используются в индустрии исследования свойств новых материалов, структуры биологических объектов и продуктов химической промышленности. Достижения физики элементарных частиц применяются для конструирования солнечных энергетических панелей, для переработки радиоактивных отходов и так далее.
Влияние открытия частицы Хиггса на литературу, кино и музыку
Следующие факты свидетельствуют о сенсационности новости открытия частицы массы в физике:
- После обнаружения этой частицы была опубликована научно-популярная книга "Частица Бога: если Вселенная - это ответ, то каков же вопрос?" Льва Лидермана. Физики считают, что называть бозон Хиггса частицей Бога является преувеличением.
- В фильме "Ангелы и демоны", который основан на одноименной книге, используется также название бозона "частица Бога".
- В фантастическом фильме "Солярис", в котором главными героями являются Джордж Клуни и Наташа Макэлхоун, выдвигается теория, где упоминается поле Хиггса, и его важная роль в стабилизации субатомных частиц.
- В научно-фантастической книге "Флэшфорвард", написанной Робертом Савьером (Robert Sawyer) в 1999 году, два ученых становятся причиной мировой катастрофы, когда ставят эксперименты по обнаружению бозона Хиггса.
- Испанский сериал "Ковчег" повествует о мировой катастрофе, при которой все континенты оказались затопленными в результате экспериментов на Большом Адронном Коллайдере, а выжили только люди на корабле "Полярная Звезда".
- Музыкальная группа из Мадрида "Aviador Dro" в своем альбоме "Голос науки" посвятило песню найденному бозону массы.
- Австралийский певец Ник Кейв в своем альбоме "Push the Sky Away" одну из песен назвал "Синий бозон Хиггса".
www.nastroy.net
Вселенная и бозон Хиггса
После завершения монтажа Большого андронного коллайдера (БАК) и первых неудавшихся попыток запуска установки, в обществе стало распространяться мнение, что БАК несет в себе потенциальную опасность. Физики-ядерщики возлагали надежды на исследование поведения частиц и новые открытия в физике, а многие незнакомые с темой люди, наоборот, прислушивались к фантастам, рисовавшим в своих произведениях различные катастрофы (появление черной дыры, разрушительный взрыв и пр.). Однако спустя время после начала серии экспериментов, стало понятно, что многие опасности оказались безосновательными.
Но летом 2012 года, когда было объявлено о том, что при проведении одного из опытов, двумя датчиками был зарегистрирован бозон Хиггса, даже самые убежденные скептики пересмотрели свое отношение к проекту БАК. Отметим, что ученые весьма осторожно высказываются о новой частице, избегая громких заявлений. О том, что был открыт именно бозон Хиггса, никто прямым текстом не утверждает. Указывается, что новая частица весьма похожа на предполагаемый бозон, но для окончательных выводов необходимы дополнительные исследования.
Что же такое «бозон Хиггса»? Стандартная модель (СМ) физики элементарных частиц, с помощью которой в настоящее время объясняются свойства всего материального, основывается на четырех фундаментальных законах. Абсолютно все в природе подчиняется четырем типам взаимодействий – сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное. Некоторые частицы-переносчики были обнаружены и доказаны. Так, сильное взаимодействие осуществляется посредством глюонов; за слабое ответственны бозоны Z и W; а гамма-кванты участвуют в переносе электромагнитного излучения. За гравитацию, в свою очередь, отвечают эфемерные гравитоны (быть может, они вскоре будут обнаружены). Исходя из расчетов следует, что в ранней Вселенной, появившейся сразу после Большого Взрыва, все частицы не имели массы, а взаимодействие было симметричным электрослабым. Однако наблюдения показывают, что такого не существует – каждая частица (кроме глюонов и фотонов), обладает определенной массой покоя. Очевидно противоречие между практикой и теорией.
Чтобы согласовать теоретические выкладки, была выдвинута гипотеза о существовании еще одного фундаментального элемента, известного как частица бога или хиггсовский бозон. Благодаря ее влиянию, большинство элементарных частиц приобрело регистрируемую теперь массу покоя. Считается, что бозон Хиггса формирует вокруг себя некое поле, воздействующее на другие частицы. Хиггсовское поле пронизывает всю Вселенную, притормаживая частицы и придавая им массу. Его можно представить как густое желе, в котором частицы преобразуют часть своей энергии в массу. Кстати, свое название бозон получил благодаря Питеру Хиггсу, который является «отцом» гипотезы о бозоне.
Достаточно всего лишь зарегистрировать данную частицу - и Стандартная модель будет полностью подтверждена. Однако сложность заключается в том, что математические расчеты не дают точных данных ни о массе бозона, ни о его энергии. Другими словами, при проведении экспериментов с высокоэнергетическим частицами физикам приходится охватывать огромный диапазон возможных значений (10 - 1000 ГэВ). Кроме того, исходя из теоретических свойств бозона, он существует миллиардную долю секунды, практически мгновенно распадаясь на более легкие составляющие частицы. Поэтому частица бога может регистрироваться лишь косвенно – по остаткам. В БАКе две частицы разгонялись до скоростей, близких к 300 тыс.км/с и сталкивались. При этом были зарегистрированы явления, характерные для бозона Хиггса. Однако потребуется еще ряд уточняющих экспериментов, прежде чем можно будет делать окончательные выводы.
fb.ru
Бозон Хиггса простым языком с видео. Какова масса бозона? — журнал "Рутвет"
Оглавление:
- Как и почему искали бозон
- Бозон Хиггса простым языком: понятно как дважды два
- Бозон Хиггса: простыми словами о сложном
Почти полвека назад физик из Шотландии Питер Хиггс выдвинул гипотезу о существовании некой субатомарной элементарной единицы, последней в ряду Элементарных частиц, названной по имени ученого бозон Хиггса.
Как и почему искали бозон
Долгое время частица не отпускала умы исследователей. Считавшаяся последним звеном в Современной теории элементарных частиц, она, по предположениям ученых, должна была помочь объяснить наличие гравитации и массы других элементарных моделей. Однако масса бозона Хиггса так и осталась загадкой, неподдающейся точным расчетам, но примерно равняющейся 26 гигаэлектронвольтам или 133 протонам.
Открытие частицы было необходимо для обоснования теории существования некого поля Хиггса, которое, по предположениям физиков, заполняет собой все пространство во Вселенной, именно внутри этого поля и благодаря взаимодействию с ним все фундаментальные частицы обретают массу или остаются невесомыми.
Таинственный бозон был обнаружен учеными Европейского центра ядерных исследований 4 июня 2012 года внутри адронного коллайдера спустя десятилетия напряженных экспериментов и поисков. Установка стоимостью более 6 млрд. долларов находился в 27-километровом тоннеле под землей и состоит из многочисленных колец и ускорителей.
Бозон Хиггса простым языком: понятно как дважды два
На протяжении 50 лет «эфемерной» частице приписывали огромное значение. Ее важность определялась настолько существенной, что без обоснования существования бозона, по мнению Хиггса, нельзя было верно и точно трактовать теорию взаимодействия других элементарных частиц между собой. Что такое бозон Хиггса простым языком? Создатель теории склонялся к определению его как «божественной частицы», и с ним согласился американец и обладатель премии Нобеля Леон Ледерман.
Существует несколько адронных коллайдеров, но в экспериментах Хиггса принимал участие именно большой. Установка поистине эта уникальна:
- тоннель проходит под Францией и Швейцарией;
- глубина нахождения коллайдера под землей варьируется от 50 до 175 метров;
- в проектировании принимали участие более 10 тысяч талантливых ученых из ста стран, в том числе и из России;
- длина самой значимой части изобретения – основного ускорительного кольца составляет 26258 метров;
- конструкция насчитывает 4 детектора для основной нагрузки и 3 для вспомогательной;
- строительство было начато в 2001 году, но первые проекты были разработаны уже в 1984, и около 15 лет понадобилось для окончательных расчетов и подготовки документации;
- один из основных приборов – электромагнитный калориметр – представляет собой стену размерами 6 на 7 метров, состоящую из 3300 блоков;
- свое название прибор получил из-за способности ускорять адроны – тяжелые кварковые частицы.
Основной целью строительства установки было подтверждение гипотезы и поиски бозона, но также он нужен для изучения фундаментальных взаимодействий между частицами.
Бозон Хиггса: простыми словами о сложном
Для чего еще нужны были исследования, призванные найти бозон Хиггса? Простыми словами теория существования элементарных частиц и их взаимодействия позволила бы ученым объяснить так называемую теорию Большого Взрыва, а именно не только понять механизм возникновения Вселенной из одной молекулы, но и продвинуться в разрешении проблемы о существовании антивещества, умещающейся в одном вопросе: «если есть вещество, то почему нет его противоположности?»
Многочисленные опыты, увенчанные в итоге успехом, выявили, что хотя бозон и существует, он крайне нестабилен и за доли секунды распадается на несколько более устойчивых частиц. Но вероятность того, что бозон Хиггса – всего лишь вымысел, составляет всего лишь один к 3,45 млн.
Как искали бозон Хиггса, видео:
Как Вы считаете, оправданны ли траты такого количества денежных средств на разработки? Поделитесь своим мнением в комментариях.
www.rutvet.ru
Что наука знает про бозон Хиггса?
В физике по сей день остается немало понятий и явлений, которые являются непостижимыми для обычного человеческого восприятия. Одним из таких оригинальных понятий можно по праву назвать бозон Хиггса. Стоит более детально рассмотреть, что мы о нем знаем и насколько это явление может быть раскрыто для простых обывателей.
Бозоном Хиггса называют элементарную частицу, которая имеет свойство возникать в процессе хиггсовского механизма спонтанного нарушения электрослабой симметрии в стандартной модели физики элементарных частиц.
Долгие поиски элементарной частицы
Частицу постулировал британский физик Питер Хиггс в вышедших в 1964 году фундаментальных статьях. И лишь через несколько десятилетий предсказанное теоретически понятие было закреплено конкретными результатами поисков. В 2012 году была обнаружена новая частица, которая и стала наиболее явным кандидатом на эту роль. А уже в марте 2013 информация подтвердилась отдельными исследователями CERN, и найденную частицу признали бозоном Хиггса.
Для такого рода серьезных исследований был изобретен Большой андронный коллайдер, на котором много лет продолжаются испытания и разработки. Но даже выявленные результаты специалисты не спешат открыто обнародовать, предпочитая более тщательно все перепроверить и доказать.
Бозон Хиггса является последней найденной частицей Стандартной модели. При этом в средствах массой информации официальный физический термин называют «проклятой частицей» – по предложенному Леоном Ледерманом варианту. Хотя в заглавии своей книги нобелевский лауреат употребил выражение «частица бога», впоследствии не прижившееся.
Хиггсовский бозон на доступном языке
Что такое бозон Хиггса многие ученые пытались объяснить наиболее доступно для среднестатистического мышления. Министром науки Великобритании в 1993 году даже был объявлен конкурс на самое простое объяснение данного физического понятия. Более доступной при этом признали сравнительный вариант с вечеринкой. Выглядит вариант следующим образом:
- в большую комнату, в которой начинается вечеринка, в определенный момент заходит известная личность;
- за известной личностью движутся гости, которые хотят пообщаться с человеком, при этом данная личность передвигается с меньшей скоростью, чем все остальные;
- затем в общей массе начинают собираться отдельные группки (скопления людей), обсуждающие какую-то новость, сплетню;
- люди передают новость от группы к группе, вследствие чего образуются небольшие уплотнения среди народа;
- в итоге создается впечатление, что группы людей обсуждают сплетню, тесно окружив известную личность, но без ее участия.
В сравнительном соотношении выходит, что общее количество людей в комнате – это и есть поле Хиггса, группы людей являются возмущением поля, а сама известная личность – частица, которая в этом поле движется.
Неоспоримая важность бозона Хиггса
Важность элементарной частицы, как бы она в итоге ни называлась, остается неоспоримой. В первую очередь она является необходимой во время осуществления расчетов, проводимых в теоретической физике для изучения строения Вселенной.
Физиками-теоретиками было предположено, что бозонами Хиггса заполнено все пространство, которое нас окружает. И при взаимодействии с другими видами частиц бозоны сообщают им свою массу. Получается, что если есть возможность для вычисления массы элементарных частиц, то и вычисление самого бозона Хиггса можно считать делом решенным.
www.sciencedebate2008.com
