Содержание
год назад открыли бозон Хиггса – Москва 24, 04.07.2013
Фото: ИТАР-ТАСС
4 июля – знаковая дата для современной науки. Ровно год назад ученые Европейского центра ядерных исследований заявили об открытии бозона Хиггса. Почему ученые всего мира стремились найти его и что особенного в этой частице – рассказывает M24.ru.
Почему бозон Хиггса был так нужен ученым
Люди всегда стремились найти ответ на вопрос, как возник мир и что послужило толчком для его создания. Начиная с тех времен, когда люди еще верили в то, что мир стоит на огромной черепахе, ученые старались построить теорию, которая описывала бы процесс возникновения мира.
Первой научной теорией, которая пыталась ответить на вопрос о сущности физических процессов, была теория гравитации Ньютона, совместно с его классической механикой. Теорию тяготения Ньютона «подвинула» в сторону теория относительности Эйнштейна, которая оказалась более точной в описании физических процессов, происходящих во Вселенной.
Однако и теория относительности не могла описать, как возникла Вселенная. Согласно современным представлениям, около 15 миллиардов лет назад все вещество во Вселенной было сжато в одну бесконечно малую точку, после чего произошел взрыв, давший начало тому миру, который сейчас вокруг нас. Но теория относительности и ее положения не могут ответить на вопрос, как именно возникла Вселенная – все физические законы неприменимы для вещества бесконечной плотности, сжатого в точку.
Фото: ИТАР-ТАСС
Ученые стремятся найти «теорию всего» (как любит выражаться британский астрофизик Стивен Хокинг), которая описывала бы все процессы во Вселенной и могла ответить на вопрос о ее возникновении. После того, как теория относительности не смогла предсказать поведение частиц сразу после Большого взрыва, ученые начали рассматривать две теории – супергравитацию и бозонную теорию струн.
Начиная с 90-х годов прошлого века ученые начали склоняться к тому, что ответ на вопрос о возникновении Вселенной сможет дать именно теория струн.
В рамках стандартной модели теории струн за массу элементарных частиц отвечает другая частица, получившая название бозон Хиггса – по имени ученого Питера Хиггса, предсказавшего его существование в 1964 году.
Обнаружение бозона Хиггса помогло бы ответить на вопрос, как возникла Вселенная и почему элементарные частицы тоже обладают массой, а согласно результатам недавних исследований массой обладают даже нейтрино. Ранее считалось, что эти частицы, слабо взаимодействующие с веществом, не обладают собственной массой.
Ради обнаружения бозона Хиггса был запущен такой проект, как Большой адронный коллайдер. Строго говоря, поиск «частицы Бога» не был его единственной целью, но являлся одним из основных направлений экспериментов на коллайдере.
Фото: ИТАР-ТАСС
Согласно современным теориям, после Большого взрыва частицы приобрели массу под воздействием особого поля, которое образовали бозоны Хиггса.
Таким образом, бозон Хиггса был последним «кирпичиком» в стандартной модели Вселенной.
Для разработки единой модели, которая смогла бы ответить на вопрос о сотворении мира, не хватало только его. Поэтому бозон Хиггса стали называть «частицей Бога», поскольку его открытие дало бы ответ на то, что религии относят к «Божьей сфере деятельности».
Открытие бозона Хиггса
«Частица Бога», или бозон Хиггса может погубить Вселенную
4 июля прошлого года ученые из Европейского центра ядерных исследований официально объявили – бозон Хиггса открыт! Впрочем, ученые были весьма осторожны: по их словам, подтвердить открытие бозона Хиггса могли только дальнейшие тесты.
Совершить переворот в науке ученым помог Большой адронный коллайдер – в ходе экспериментов исследователи наблюдали частицу, которая обладала всеми характеристиками бозона Хиггса.
В поисках бозона принимали участие ученые со всего мира, в том числе специалисты из России. В итоге обнаружить частицу, имеющую поразительное сходство с бозоном, удалось, разогнав до скорости света пучки протонов в 27-километровом тоннеле коллайдера.
После того, как ученые проанализировали результаты наблюдений, мир облетела шокирующая новость – «частица Бога» обнаружена.
Последние опасения скептиков были рассеяны в марте 2013 года, когда физики ЦЕРН, проведя еще несколько тестов, официально заявили о том, что обнаруженная почти год назад частица действительно является бозоном Хиггса.
Фото: ИТАР-ТАСС
Над чем работают ученые после открытия бозона Хиггса
Несмотря на то, что исследователям удалось обнаружить частицу, существование которой отвечает на вопрос «Почему во Вселенной действуют именно такие физические законы?», универсальную теорию всего ученым создать пока не удалось.
Работы по ее созданию ведутся специалистами из многих стран, которые пытаются объединить в единое целое существующие теории струн (а их не одна и не две) и соотнести их с двумя другими научными теориями, которые были созданы еще в начале XX века – теорией относительности и квантовой механикой.
Так или иначе, открытие бозона Хиггса, независимо от того, какие шаги в дальнейшем предпримут ученые разных стран для создания Единой теории всего, стало важнейшим событием мира науки в новом тысячелетии.
Василий Макагонов
наука ученые бозон Хиггса обо всем
Бозон Хиггса оберегает нашу Вселенную от коллапса
Знаменитая элементарная частица — Бозон Хиггса («частица Бога») — обладает гораздо более важным свойством, нежели просто отвечает за массу материи. По мнению ученых, она удерживает нашу Вселенную от коллапса. Свойства этой частицы могут быть ключом к тому, что мы живем в мультивселенной параллельных миров. Это предполагает новая безумная гипотеза. Согласно ей, разные Вселенные имеют различные наборы физических законов. Предполагается, что выживают лишь те из них, в которых бозон Хиггса обладает самой крохотной массой.
Если это окажется правдой, теория объяснит, почему сильное взаимодействие, удерживающее атомы от разрушения, подчиняется определенным симметриям. Попутно это может помочь раскрыть природу темной материи — неуловимой субстанции, из которой состоит большая часть материи Вселенной.
Физики предположили, что наша Вселенная является всего лишь малой частью гораздо более масштабного космоса, который постоянно раздувается и порождает новые Вселенные. Изображение: livescience.com
История открытия
В 2012 году Большой адронный коллайдер совершил поистине монументальный подвиг. Этот ускоритель частиц, построенный на франко-швейцарской границе, впервые обнаружил бозон Хиггса. Искомая частица ускользала от ученых десятилетиями. В ее обнаружение даже не верил великий физик-теоретик Стивен Хокинг. Бозон Хиггса является краеугольным камнем Стандартной модели. Его задача — «сообщать» другим частицам их массу, а также создавать различие между слабым ядерным и электромагнитным взаимодействиями.
Но вместе с хорошими новостями пришли и плохие. Предварительные расчеты заставили физиков предположить, что бозон Хиггса будет иметь невероятно большую массу. Когда частицу «поймали» и измерили, оказалось, что ее масса составляет всего 125 гигаэлектронвольт (ГэВ), что на несколько порядков меньше, чем предполагалось.
Когда Нобелевские премии первооткрывателям были вручены, возник вопрос: почему бозон Хиггса имеет такую маленькую массу?
Другая проблема заключается в том, что сильное взаимодействие ведет себя не совсем так, как предсказывает Стандартная модель. В математике, которую физики используют для описания высокоэнергетических взаимодействий, есть определенные симметрии — например, симметрия заряда, симметрия времени и CP-симметрия. Во всех экспериментах, проведенных на данный момент, сильное взаимодействие подчиняется комбинированной симметрии как обращения заряда, так и обращения четности. Но его математика не демонстрирует такой же симметрии. Ни одно известное природное явление не должно навязывать эту симметрию. Тем не менее, природа, похоже, подчиняется ей. Как такое возможно?
Разгадка лежит в мультивселенной
Пара теоретиков — Рафаэле Тито Д’Аньоло из Французской комиссии по альтернативным источникам энергии и атомной энергии (CEA) и Даниэле Терези из CERN — предположили, что эти две проблемы могут быть взаимосвязаны.
В статье, опубликованной в январе в журнале Physical Review Letters, они изложили свое решение двух загадок. Оно звучит следующим образом: Вселенная просто родилась такой.
Теоретики обратились к идее, называемой мультивселенной. Она родилась из так называемой теории инфляции — идеи о том, что в первые моменты после Большого взрыва наш космос претерпел период чрезвычайно сильное расширение, удваиваясь в размерах каждую миллиардную долю секунды. Физики точно не знают, что вызвало инфляцию, но одним из следствий основной идеи является то, что наша Вселенная никогда ее не прекращала. Таким образом, то, что мы называем «нашей Вселенной» — это всего лишь крошечный участок гораздо большего пространства-времени, которое постоянно и быстро раздувается, порождая новые Вселенные.
Более того, теоретически в разных регионах этой «мультивселенной» массы бозона Хиггса тоже разнятся. Исследователи обнаружили, что Вселенные с тяжелым бозоном Хиггса катастрофически коллапсируют, прежде чем у них появляется шанс сформироваться и вырасти.
«Выживают» только области мультивселенной с легкими бозонами Хиггса: в них развиваются галактики, звезды, планеты и даже возникает жизнь.
Пока это лишь гипотеза. Поэтому нам придется немного подождать, поскольку для ее проверки потребуются годы, если не десятилетия, чтобы отвергнуть или поддержать новую идею.
Напомним, что ранее Hubble нашел потухшие галактики в ранней Вселенной.
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine
Вселенная квантовая физика элементарные частицы элементарные частицы
Бозон Хиггса: объяснение «божественной частицы»
Художественная иллюстрация бозона Хиггса, создаваемого двумя сталкивающимися протонами.
(Изображение предоставлено: MARK GARLICK / SCIENCE PHOTO LIBRARY через Getty Images)
Бозон Хиггса — это фундаментальная частица поля Хиггса, несущая силу, которая отвечает за передачу массы другим частицам. Это поле было впервые предложено в середине шестидесятых годов Питером Хиггсом — , в честь которого названа частица, и его коллегами.
Частица была наконец обнаружена 4 июля 2012 года исследователями на Большом адронном коллайдере (БАК) — самом мощном ускорителе частиц в мире, расположенном в европейской лаборатории физики элементарных частиц ЦЕРН, Швейцария.
БАК подтвердил существование поля Хиггса и механизма, порождающего массу, и, таким образом, завершил стандартную модель физики элементарных частиц — лучшее описание субатомного мира, которое у нас есть.
Связанный: Бозон Хиггса мог удержать нашу Вселенную от коллапса
Соавтор
Роберт Ли — научный журналист и соавтор для Space.com. Он имеет степень бакалавра наук в области физики и астрономии Открытого университета Великобритании.
По мере того, как ученые приближались к концу 20-го века, достижения в физике элементарных частиц дали ответы на многие вопросы, связанные с фундаментальными строительными блоками природы. Тем не менее, пока физики неуклонно заселяли зоопарк частиц электронами, протонами, бозонами и всевозможными кварками, некоторые насущные вопросы упорно оставались без ответа.
Среди них, почему некоторые частицы имеют массу?
История бозона Хиггса мотивирована этим вопросом.
Что такое бозон Хиггса?
Бозон Хиггса имеет массу 125 миллиардов электрон-вольт — это означает, что он в 130 раз массивнее протона , по данным CERN . Он также не имеет заряда и имеет нулевой спин — квантово-механический эквивалент углового момента. Бозон Хиггса — единственная элементарная частица, не имеющая спина.
Бозон — это частица-носитель силы, которая вступает в игру, когда частицы взаимодействуют друг с другом, при этом бозон обменивается во время этого взаимодействия. Например, когда два электрона взаимодействуют, они обмениваются фотоном — частицей-переносчиком электромагнитных полей.
Поскольку квантовая теория поля описывает микроскопический мир и квантовые поля, заполняющие вселенную, с помощью волновой механики, бозон можно также описать как волну в поле.
Итак, фотон — это частица и волна, возникающие из возбужденного электромагнитного поля, а бозон Хиггса — это частица или «квантованное проявление», возникающее из поля Хиггса при возбуждении.
Это поле генерирует массу за счет взаимодействия с другими частицами и механизма, переносимого бозоном Хиггса, называемого механизмом Браута-Энглерта-Хиггса.
Почему бозон Хиггса называют «частицей Бога»?
Детектор ATLAS (тороидальный аппарат LHC) — один из детекторов общего назначения LHC. ATLAS вместе с детектором CMS впервые обнаружил бозон Хиггса. (Изображение предоставлено xenotar через Getty Images)
(открывается в новой вкладке)
Прозвище бозона Хиггса «Частица Бога» закрепилось после его открытия, а именно благодаря популярным средствам массовой информации. Происхождение этого часто связано с тем, что физик Леон Ледерман, лауреат Нобелевской премии, называл бозон Хиггса «проклятой частицей» в разочаровании по поводу того, насколько сложно его было обнаружить.
Business Insider (открывается в новой вкладке) сообщает, что, когда Ледерман написал книгу о бозоне Хиггса в 1990-х годах, она должна была называться «Чертова частица», но издатели изменили ее на «Частица Бога» и неприятную связь с была нарисована религия, которая беспокоит физиков и по сей день.
Тем не менее, трудно переоценить значение бозона Хиггса и поля Хиггса в целом, так как без этого аспекта природы ни одна частица не имела бы массы. Это означает отсутствие звезд, планет и нас — что-то, что может помочь оправдать его гиперболическое прозвище.
Чем важен бозон Хиггса?
В 1964 году исследователи начали использовать квантовую теорию поля для изучения слабого ядерного взаимодействия — , которое определяет атомный распад элементов путем превращения протонов в нейтроны — и переносчиков бозонов W и Z.
Слабые носители взаимодействий должны быть безмассовыми, а если бы это было не так, то это могло бы нарушить принцип природы, называемый симметрией, который — точно так же, как симметрия формы гарантирует, что она выглядит одинаково, если ее повернуть или перевернуть — обеспечивает законы природа одинакова, как бы на нее ни смотрели. Произвольное присвоение массы частицам также привело к стремлению некоторых предсказаний к бесконечности.
Тем не менее, исследователи знали, что, поскольку слабое взаимодействие настолько сильно при взаимодействии на коротких расстояниях — намного мощнее гравитации — , но очень слабо при более длительных взаимодействиях, его бозоны должны иметь массу.
Решение, предложенное Питером Хиггсом, Франсуа Энглером и Робертом Браутом в 1964 году, было новой областью и способом «обмануть» природу, заставив ее спонтанно нарушить симметрию.
Истории по теме:
Статья из CERN сравнивает это с карандашом, стоящим на кончике — симметричная система — внезапно наклоняющимся в нужном направлении, нарушая его симметрию. Хиггс и его коллега-физик предположили, что при рождении Вселенная была заполнена полем Хиггса в симметричном, но нестабильном состоянии — «подобно ненадежно сбалансированному карандашу».
Поле быстро, всего за доли секунды, находит устойчивую конфигурацию, но при этом нарушает свою симметрию. Это порождает механизм Браута-Энглерта-Хиггса, который придает массу бозонам W и Z.
Позднее было обнаружено, что поле Хиггса не только придает массу бозонам W и Z, но и многим другим фундаментальным частицам. Без поля Хиггса и механизма Браута-Энглерта-Хиггса все элементарные частицы мчались бы по Вселенной со скоростью света. Эта теория не только объясняет, почему частицы имеют массу, но и то, почему они имеют разные массы.
Частицы, которые сильнее взаимодействуют — или «сцепляются» — с полем Хиггса, получают большие массы. Даже сам бозон Хиггса получает свою массу от собственного взаимодействия с полем Хиггса. Это было подтверждено наблюдением за распадом частиц бозона Хиггса.
Одна частица, которой поле Хиггса не придало массы, — это основная частица света — фотон. Это связано с тем, что для фотонов не происходит спонтанного нарушения симметрии, как это происходит с другими частицами, переносящими взаимодействие, W- и Z-бозонами.
Это явление предоставления массы также применимо только к фундаментальным частицам, таким как электроны и кварки.
Такие частицы, как протоны — состоящие из кварков — , получают большую часть своей массы за счет энергии связи, которая удерживает их составляющие вместе.
Хотя все это хорошо согласуется с теорией, следующим шагом было обнаружение свидетельств существования поля Хиггса путем обнаружения его несущей силы частицы. Сделать это было бы непростой задачей, на самом деле для этого потребовался бы самый большой эксперимент и самая сложная машина в истории человечества.
Таким образом, поиск самого бозона Хиггса довел до предела как ускорители частиц, так и технологию детекторов — , окончательным выражением которых стал Большой адронный коллайдер (БАК).
Открытие бозона Хиггса и стандартная модель
Стандартная модель физики элементарных частиц и обитатели зоопарка частиц, дополненные бозоном Хиггса, который придает большинству из них массу. (Изображение предоставлено Cush/Wikimedia Commons)
(открывается в новой вкладке)
Обнаружение бозона Хиггса — это не просто установка детектора и ожидание его появления.
Эти частицы существовали только в высокоэнергетических условиях ранней Вселенной.
Это означает, что перед обнаружением этой частицы необходимо воспроизвести эти высокоэнергетические условия и создать бозоны Хиггса. БАК делает это, разгоняя протоны до околосветовой скорости и сталкивая их друг с другом.
Это создает каскад частиц, которые быстро распадаются на более легкие частицы. Бозон Хиггса распадается слишком быстро, чтобы его можно было обнаружить, и вместо этого он был идентифицирован путем обнаружения распадов частиц, которые указывали на частицу без спина и соответствовали теоретическим предсказаниям для этого отсутствующего бозона.
Частица была обнаружена как детектором LHC ATLAS, так и детектором компактного мюонного соленоида (CMS).
Объявление об обнаружении бозона Хиггса было сделано в ЦЕРНе в Женеве 4 июля 2012 года. Только в марте следующего года было подтверждено, что обнаруженная частица действительно была бозоном Хиггса.
Обнаружение этой частицы, предсказанное стандартной моделью, открытие бозона Хиггса завершило эту картину субатомного мира.
За пределами этой теории все еще остаются загадки, такие как природа темной материи, которую бозон Хиггса — благодаря своим уникальным свойствам — может помочь решить.
Бозон Хиггса после 2012 года
Через год после открытия бозона Хиггса Питер Хиггс и Франсуа Энглер были удостоены Нобелевской премии по физике 2013 года за свою теорию поля Хиггса.
Нобелевский комитет написал о награде: «за теоретическое открытие механизма, который способствует нашему пониманию происхождения массы субатомных частиц и который недавно был подтвержден открытием предсказанного фундаментального частица, полученная с помощью экспериментов ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере ЦЕРН».
Открытие бозона Хиггса, возможно, завершило стандартную модель, но это не было концом исследования этой неуловимой частицы. Одно из главных открытий, сделанных с 2012 года, связано с подтверждением распада бозона Хиггса.
Исследование этой неуловимой частицы будет углубляться во время третьего прогона БАК и особенно после завершения модернизации ускорителя частиц в 2029 году (откроется в новой вкладке).
Это позволит LHC проводить больше столкновений, предоставляя исследователям больше возможностей обнаружить экзотическую физику, включая явления, выходящие за рамки стандартной модели.
По оценкам ЦЕРН, каждый год после модернизации ускоритель будет создавать 15 миллионов таких частиц. Это сопоставимо с 3 миллионами бозонов Хиггса, созданными БАК в 2017 году. Это может быть ключом к обнаружению других «ароматов» бозона Хиггса.
Теории, выходящие за рамки стандартной модели физики элементарных частиц, также предсказывают целых пять различных типов бозонов Хиггса, которые могут рождаться реже, чем первичный бозон Хиггса. Еще до обновлений ученые предоставили нам дразнящие доказательства существования «магнитного бозона Хиггса».
Дополнительное чтение
Открытие бозона Хиггса завершило то, что известно как стандартная модель физики элементарных частиц. ЦЕРН объясняет (открывается в новой вкладке), что эта структура говорит нам о субатомном мире. Узнайте больше о бозоне Хиггса из этой статьи Министерства энергетики США (откроется в новой вкладке).
Изучите некоторые часто задаваемые вопросы (откроется в новой вкладке) о бозоне Хиггса с CERN.
Библиография
Бозон Хиггса, ЦЕРН, https://home.cern/science/physics/higgs-boson (открывается в новой вкладке)
Бозон Хиггса, Министерство энергетики, https://www.energy.gov/science/doe-explainsthe-higgs-boson
Что особенного в бозоне Хиггса?, CERN, https ://home.cern/science/physics/higgs-boson/what
Хиггс. P., НАРУШЕННЫЕ СИММЕТРИИ И МАССЫ КАЛИБРОВОЧНЫХ БОЗОНОВ, Physical Review Letters, [1964], [https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.13.508 ]
Питер В. Хиггс, Нобелевская премия, https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2013/higgs/facts/ (открывается в новой вкладке)
LHC High Luminosity, ЦЕРН, https://home.cern/science/accelerators/high-luminosity-lhc (открывается в новой вкладке)
Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: community@space.
com.
Роберт Ли – научный журналист из Великобритании, чьи статьи были опубликованы в журналах Physics World, New Scientist, Astronomy Magazine, All About Space, Newsweek и ZME Science. Он также пишет о научной коммуникации для Elsevier и European Journal of Physics. Роб имеет степень бакалавра наук в области физики и астрономии Открытого университета Великобритании. Подпишитесь на него в Твиттере @sciencef1rst.
Бозон Хиггса: объяснение «божественной частицы»
Художественная иллюстрация бозона Хиггса, создаваемого двумя сталкивающимися протонами.
(Изображение предоставлено: MARK GARLICK / SCIENCE PHOTO LIBRARY через Getty Images)
Бозон Хиггса — это фундаментальная частица поля Хиггса, несущая силу, которая отвечает за передачу массы другим частицам. Это поле было впервые предложено в середине шестидесятых годов Питером Хиггсом — , в честь которого названа частица, и его коллегами.
Частица была наконец обнаружена 4 июля 2012 года исследователями на Большом адронном коллайдере (БАК) — самом мощном ускорителе частиц в мире, расположенном в европейской лаборатории физики элементарных частиц ЦЕРН, Швейцария.
БАК подтвердил существование поля Хиггса и механизма, порождающего массу, и, таким образом, завершил стандартную модель физики элементарных частиц — лучшее описание субатомного мира, которое у нас есть.
Связанный: Бозон Хиггса мог удержать нашу Вселенную от коллапса
Соавтор
Роберт Ли — научный журналист и соавтор для Space.com. Он имеет степень бакалавра наук в области физики и астрономии Открытого университета Великобритании.
По мере того, как ученые приближались к концу 20-го века, достижения в физике элементарных частиц дали ответы на многие вопросы, связанные с фундаментальными строительными блоками природы. Тем не менее, пока физики неуклонно заселяли зоопарк частиц электронами, протонами, бозонами и всевозможными кварками, некоторые насущные вопросы упорно оставались без ответа. Среди них, почему некоторые частицы имеют массу?
История бозона Хиггса мотивирована этим вопросом.
Что такое бозон Хиггса?
Бозон Хиггса имеет массу 125 миллиардов электрон-вольт — это означает, что он в 130 раз массивнее протона , по данным CERN .
Он также не имеет заряда и имеет нулевой спин — квантово-механический эквивалент углового момента. Бозон Хиггса — единственная элементарная частица, не имеющая спина.
Бозон — это частица-носитель силы, которая вступает в игру, когда частицы взаимодействуют друг с другом, при этом бозон обменивается во время этого взаимодействия. Например, когда два электрона взаимодействуют, они обмениваются фотоном — частицей-переносчиком электромагнитных полей.
Поскольку квантовая теория поля описывает микроскопический мир и квантовые поля, заполняющие вселенную, с помощью волновой механики, бозон можно также описать как волну в поле.
Итак, фотон — это частица и волна, возникающие из возбужденного электромагнитного поля, а бозон Хиггса — это частица или «квантованное проявление», возникающее из поля Хиггса при возбуждении. Это поле генерирует массу за счет взаимодействия с другими частицами и механизма, переносимого бозоном Хиггса, называемого механизмом Браута-Энглерта-Хиггса.
Почему бозон Хиггса называют «частицей Бога»?
Детектор ATLAS (тороидальный аппарат LHC) — один из детекторов общего назначения LHC. ATLAS вместе с детектором CMS впервые обнаружил бозон Хиггса. (Изображение предоставлено xenotar через Getty Images)
(открывается в новой вкладке)
Прозвище бозона Хиггса «Частица Бога» закрепилось после его открытия, а именно благодаря популярным средствам массовой информации. Происхождение этого часто связано с тем, что физик Леон Ледерман, лауреат Нобелевской премии, называл бозон Хиггса «проклятой частицей» в разочаровании по поводу того, насколько сложно его было обнаружить.
Business Insider (открывается в новой вкладке) сообщает, что, когда Ледерман написал книгу о бозоне Хиггса в 1990-х годах, она должна была называться «Чертова частица», но издатели изменили ее на «Частица Бога» и неприятную связь с была нарисована религия, которая беспокоит физиков и по сей день.
Тем не менее, трудно переоценить значение бозона Хиггса и поля Хиггса в целом, так как без этого аспекта природы ни одна частица не имела бы массы.
Это означает отсутствие звезд, планет и нас — что-то, что может помочь оправдать его гиперболическое прозвище.
Чем важен бозон Хиггса?
В 1964 году исследователи начали использовать квантовую теорию поля для изучения слабого ядерного взаимодействия — , которое определяет атомный распад элементов путем превращения протонов в нейтроны — и переносчиков бозонов W и Z.
Слабые носители взаимодействий должны быть безмассовыми, а если бы это было не так, то это могло бы нарушить принцип природы, называемый симметрией, который — точно так же, как симметрия формы гарантирует, что она выглядит одинаково, если ее повернуть или перевернуть — обеспечивает законы природа одинакова, как бы на нее ни смотрели. Произвольное присвоение массы частицам также привело к стремлению некоторых предсказаний к бесконечности.
Тем не менее, исследователи знали, что, поскольку слабое взаимодействие настолько сильно при взаимодействии на коротких расстояниях — намного мощнее гравитации — , но очень слабо при более длительных взаимодействиях, его бозоны должны иметь массу.
Решение, предложенное Питером Хиггсом, Франсуа Энглером и Робертом Браутом в 1964 году, было новой областью и способом «обмануть» природу, заставив ее спонтанно нарушить симметрию.
Истории по теме:
Статья из CERN сравнивает это с карандашом, стоящим на кончике — симметричная система — внезапно наклоняющимся в нужном направлении, нарушая его симметрию. Хиггс и его коллега-физик предположили, что при рождении Вселенная была заполнена полем Хиггса в симметричном, но нестабильном состоянии — «подобно ненадежно сбалансированному карандашу».
Поле быстро, всего за доли секунды, находит устойчивую конфигурацию, но при этом нарушает свою симметрию. Это порождает механизм Браута-Энглерта-Хиггса, который придает массу бозонам W и Z.
Позднее было обнаружено, что поле Хиггса не только придает массу бозонам W и Z, но и многим другим фундаментальным частицам. Без поля Хиггса и механизма Браута-Энглерта-Хиггса все элементарные частицы мчались бы по Вселенной со скоростью света.
Эта теория не только объясняет, почему частицы имеют массу, но и то, почему они имеют разные массы.
Частицы, которые сильнее взаимодействуют — или «сцепляются» — с полем Хиггса, получают большие массы. Даже сам бозон Хиггса получает свою массу от собственного взаимодействия с полем Хиггса. Это было подтверждено наблюдением за распадом частиц бозона Хиггса.
Одна частица, которой поле Хиггса не придало массы, — это основная частица света — фотон. Это связано с тем, что для фотонов не происходит спонтанного нарушения симметрии, как это происходит с другими частицами, переносящими взаимодействие, W- и Z-бозонами.
Это явление предоставления массы также применимо только к фундаментальным частицам, таким как электроны и кварки. Такие частицы, как протоны — состоящие из кварков — , получают большую часть своей массы за счет энергии связи, которая удерживает их составляющие вместе.
Хотя все это хорошо согласуется с теорией, следующим шагом было обнаружение свидетельств существования поля Хиггса путем обнаружения его несущей силы частицы.
Сделать это было бы непростой задачей, на самом деле для этого потребовался бы самый большой эксперимент и самая сложная машина в истории человечества.
Таким образом, поиск самого бозона Хиггса довел до предела как ускорители частиц, так и технологию детекторов — , окончательным выражением которых стал Большой адронный коллайдер (БАК).
Открытие бозона Хиггса и стандартная модель
Стандартная модель физики элементарных частиц и обитатели зоопарка частиц, дополненные бозоном Хиггса, который придает большинству из них массу. (Изображение предоставлено Cush/Wikimedia Commons)
(открывается в новой вкладке)
Обнаружение бозона Хиггса — это не просто установка детектора и ожидание его появления. Эти частицы существовали только в высокоэнергетических условиях ранней Вселенной.
Это означает, что перед обнаружением этой частицы необходимо воспроизвести эти высокоэнергетические условия и создать бозоны Хиггса. БАК делает это, разгоняя протоны до околосветовой скорости и сталкивая их друг с другом.
Это создает каскад частиц, которые быстро распадаются на более легкие частицы. Бозон Хиггса распадается слишком быстро, чтобы его можно было обнаружить, и вместо этого он был идентифицирован путем обнаружения распадов частиц, которые указывали на частицу без спина и соответствовали теоретическим предсказаниям для этого отсутствующего бозона.
Частица была обнаружена как детектором LHC ATLAS, так и детектором компактного мюонного соленоида (CMS).
Объявление об обнаружении бозона Хиггса было сделано в ЦЕРНе в Женеве 4 июля 2012 года. Только в марте следующего года было подтверждено, что обнаруженная частица действительно была бозоном Хиггса.
Обнаружение этой частицы, предсказанное стандартной моделью, открытие бозона Хиггса завершило эту картину субатомного мира. За пределами этой теории все еще остаются загадки, такие как природа темной материи, которую бозон Хиггса — благодаря своим уникальным свойствам — может помочь решить.
Бозон Хиггса после 2012 года
Через год после открытия бозона Хиггса Питер Хиггс и Франсуа Энглер были удостоены Нобелевской премии по физике 2013 года за свою теорию поля Хиггса.
Нобелевский комитет написал о награде: «за теоретическое открытие механизма, который способствует нашему пониманию происхождения массы субатомных частиц и который недавно был подтвержден открытием предсказанного фундаментального частица, полученная с помощью экспериментов ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере ЦЕРН».
Открытие бозона Хиггса, возможно, завершило стандартную модель, но это не было концом исследования этой неуловимой частицы. Одно из главных открытий, сделанных с 2012 года, связано с подтверждением распада бозона Хиггса.
Исследование этой неуловимой частицы будет углубляться во время третьего прогона БАК и особенно после завершения модернизации ускорителя частиц в 2029 году (откроется в новой вкладке).
Это позволит LHC проводить больше столкновений, предоставляя исследователям больше возможностей обнаружить экзотическую физику, включая явления, выходящие за рамки стандартной модели.
По оценкам ЦЕРН, каждый год после модернизации ускоритель будет создавать 15 миллионов таких частиц. Это сопоставимо с 3 миллионами бозонов Хиггса, созданными БАК в 2017 году. Это может быть ключом к обнаружению других «ароматов» бозона Хиггса.
Теории, выходящие за рамки стандартной модели физики элементарных частиц, также предсказывают целых пять различных типов бозонов Хиггса, которые могут рождаться реже, чем первичный бозон Хиггса. Еще до обновлений ученые предоставили нам дразнящие доказательства существования «магнитного бозона Хиггса».
Дополнительное чтение
Открытие бозона Хиггса завершило то, что известно как стандартная модель физики элементарных частиц. ЦЕРН объясняет (открывается в новой вкладке), что эта структура говорит нам о субатомном мире. Узнайте больше о бозоне Хиггса из этой статьи Министерства энергетики США (откроется в новой вкладке). Изучите некоторые часто задаваемые вопросы (откроется в новой вкладке) о бозоне Хиггса с CERN.
Библиография
Бозон Хиггса, ЦЕРН, https://home.cern/science/physics/higgs-boson (открывается в новой вкладке)
Бозон Хиггса, Министерство энергетики, https://www. energy.gov/science/doe-explainsthe-higgs-boson
Что особенного в бозоне Хиггса?, CERN, https ://home.cern/science/physics/higgs-boson/what
Хиггс. P., НАРУШЕННЫЕ СИММЕТРИИ И МАССЫ КАЛИБРОВОЧНЫХ БОЗОНОВ, Physical Review Letters, [1964], [https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.13.508 ]
Питер В. Хиггс, Нобелевская премия, https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2013/higgs/facts/ (открывается в новой вкладке)
LHC High Luminosity, ЦЕРН, https://home.cern/science/accelerators/high-luminosity-lhc (открывается в новой вкладке)
Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].
Роберт Ли – научный журналист из Великобритании, чьи статьи были опубликованы в журналах Physics World, New Scientist, Astronomy Magazine, All About Space, Newsweek и ZME Science.