Содержание
Что такое бозон Хиггса? | New-Science.ru
Показан распад бозона Хиггса (желтый цвет) на другие элементарные частицы в БАК
Бозон Хиггса также называют частицей Бога. Поле Хиггса — самое уникальное силовое поле, известное человечеству.
Вы когда-нибудь задумывались, как все вокруг нас приобрело массу, почему фотоны, составляющие свет, который мы видим, безмассовые, или что было бы, если бы ничто во Вселенной не имело массы?
Именно эти вопросы в конечном итоге привели к появлению частицы, которую мы теперь знаем как бозон Хиггса.
Идея Хиггса
История началась около пятидесяти лет назад, когда ученые только начинали понимать элементарные частицы. Эти частицы являются основными строительными единицами материи и энергии в нашей Вселенной. Ученые начали работать над моделью, которая помогала им сортировать и изучать эти частицы, которую они назвали «Стандартной моделью».
В этой модели есть два основных типа частиц — частицы материи и частицы-носители сил.
Всего существует четыре фундаментальные силы, три из которых признаны в модели (электромагнитная, сильная и слабая ядерные силы). Более того, каждая фундаментальная сила опирается на свой собственный набор правил, определенных математикой, квантовой физикой и специальной теорией относительности.
В общем виде эти правила называются квантовыми теориями.
Именно работая над этой Стандартной моделью, строя квантовую теорию поля для каждой силы, ученые поняли нечто странное… Оказалось, что две из фундаментальных сил, электромагнитная и слабая, имеют одну и ту же квантовую теорию поля. Это означало, что обе силы имеют одинаковое происхождение, которое назвали электрослабой силой.
Однако это было довольно странно, поскольку фотон, который является переносчиком электромагнитной силы, безмассовый. С другой стороны, W- и Z-бозоны, переносчики слабой силы, имели одни из самых больших масс в модели.
Если они имеют одинаковое происхождение, что заставило эти две силы разделиться, в результате чего одна из них приобрела массу, а другая — нет?
Физики Роберт Браут, Франсуа Энглерт и Питер Хиггс предположили, что масса должна исходить от другой силы, которая также ответственна за расщепление электрослабой силы.
Они назвали это силовое поле источником «поля Хиггса».
Что такое поле Хиггса?
Представьте себе лист ткани в качестве поля Хиггса. Любое возмущение в этом поле — складка, волна или вмятина — будет бозоном Хиггса.
Теперь представим себе частицу в виде мраморного шарика, движущегося по этому полю. Мы все знаем, как мрамор может сдвинуть ткань и создать небольшую вмятину или сдвиг в ней. Любое возмущение, которое в данном случае является сдвигом ткани, воспринимается как сама частица бозона Хиггса. Короче говоря, любой вид возмущения в поле Хиггса — это то, что мы знаем как бозон Хиггса. Поэтому, когда частица взаимодействует с полем Хиггса или возмущает его каким-либо образом, она взаимодействует с частицей — бозоном Хиггса.
Чем больше создаваемое им возмущение, тем больше тормозится скорость частицы. Точно так же, как массивный мраморный шарик создает большее возмущение в ткани и поэтому движется медленнее, то же самое происходит и с элементарными частицами.
Только на этот раз все наоборот, т.
е. чем больше частица возмущает поле Хиггса, тем медленнее она движется и тем большую массу набирает. Поэтому, когда мы смотрим на массу частиц, знайте, что более массивные сильно взаимодействуют с полем Хиггса, а безмассовые вообще с ним не взаимодействуют.
Возмущение в поле
Но чем поле Хиггса отличается от других силовых полей? Для этого нам необходимо понять два типа силовых полей — скалярные и векторные.
Векторные поля имеют направление, т.е. мы знаем, что сила движется из одного направления в другое, как в случае магнитного поля.
Однако в случае скалярных полей направления вообще отсутствуют. До открытия поля Хиггса мы не знали ни о каком скалярном поле. Таким образом, это самое уникальное силовое поле, которое также отвечает за особую работу по приданию массы частицам.
Как Хиггс придал массу Вселенной?
В момент после Большого взрыва температура Вселенной была чрезвычайно высокой. Она представляла собой лишь плотно упакованное море элементарных частиц, не имевших массы.
Именно тогда электрослабая сила была нетронута, а фотоны, W и Z частицы были безмассовыми. Вопрос в том, где в это время находилось поле Хиггса?
Хотите, верьте, хотите нет, но поле Хиггса существовало с самого начала, но для того, чтобы оно вступило в действие, Вселенная должна была остыть до определенной температуры.
Очень быстро Вселенная начала остывать и расширяться. После того как Вселенная достигла пороговой температуры для поля Хиггса, начались эффекты. Каждая частица, взаимодействующая с полем, приобрела массу. Чем больше частица взаимодействовала с бозоном Хиггса, тем больше она замедлялась; это замедление мы знаем как массу частиц.
Такие частицы, как W- и Z-бозоны, много взаимодействовали с бозоном Хиггса и поэтому имели большую массу, тогда как фотоны не взаимодействовали вообще, что делало их самыми быстрыми частицами во Вселенной, а также безмассовыми. Фотоны были похожи на крошечные шарики, которые никогда не касались поля Хиггса и, следовательно, не приобретали от него массу.
С другой стороны, W- и Z-бозоны были более тяжелыми шариками, которые слишком сильно взаимодействовали с тканью поля Хиггса.
Именно так электрослабая сила была разделена на электромагнитную и слабую силы.
Что произойдет, если не будет поля Хиггса?
Есть причина, по которой бозон Хиггса называют частицей Бога. Представьте себе атомы, из которых мы состоим. В этих атомах есть электроны, вращающиеся вокруг тяжелого ядра. Теперь представьте, если бы не было поля Хиггса. Не было бы тяжелого ядра и, следовательно, не было бы электрона, связанного с ядром.
Это означает, что не было бы атомов и, следовательно, ничего во Вселенной… ни звезд, ни планет, ни энергии, ни материи. Таким образом, бозон Хиггса, по сути, дал начало Вселенной в том виде, в котором мы ее знаем, поэтому его метко называют частицей Бога. В его отсутствие Вселенная стала бы, в буквальном смысле, темной и безжизненной.
Вселенная, которую мы видим сейчас, исчезла бы в отсутствие поля Хиггса
Несмотря на то, что теория бозона Хиггса была предложена около пятидесяти лет назад, только в последние два десятилетия ученые наконец-то обнаружили эту частицу в лаборатории.
В большом кольцевом коллайдере (где частицы сталкиваются друг с другом, создавая другие частицы) в ЦЕРНе физики впервые увидели эту частицу. Они бомбардировали протоны друг в друга, чтобы наблюдать образование и распад бозона Хиггса.
Когда, наконец, были получены наблюдения с достаточно высокой точностью, бозон Хиггса был официально добавлен в Стандартную модель.
Сейчас физики изучают другие гипотетические частицы, а точнее, частицы, которые в настоящее время существуют только в теории, такие как темная материя и магнитные монополи. Кто знает, возможно, однажды у нас снова будет возможность отпраздновать открытие новой частицы!
Частица Бога, или Бозон Хиггса для чайников. Что нужно знать о главном открытии современной физики
На этой неделе состоялся новый запуск Большого адронного коллайдера. Главной своей целью женевские физики называют изучение бозона Хиггса, «последней недостающей части» Стандартной модели. Открытая в 2012 году, она получила название «частицы Бога», так как может пролить свет на природу Вселенной.
Обнаружение бозона Хиггса стало одним из главных событий в истории науки 2010-х. Значит ли это, что мы, наконец, нашли все ответы на вопросы о мироздании? Отнюдь. Но приблизились на полшага.
Особенности современной физики в том, что понять ее способны только сами современные физики. Если мы, простые смертные, попытаемся туда влезть, бозон Хиггса нас сожжет, как бог Зевс — пожелавшую увидеть его Семелу. Одним словом, тот еще тренажер для мозгов. Но давайте попытаемся объяснить все простыми словами.
Из школьного курса физики мы знаем, что материя стоит из молекул, молекулы — из еще более мелких частиц, атомов, атомы в свою очередь делятся на ядро и вращающиеся вокруг него электроны, ядро атома также распадается на нейтрон и протон. Сюрприз: в школе наши мозги поберегли и рассказали нам не все.
Нейтрон и протон, из которого состоит ядро атома — это элементарные частицы, они неделимы. Проблема в том, что науке известно огромное количество других элементарных частиц, помимо знакомых нам протона и нейтрона — это нейтрино, фотон, гравитон, глюон, античастицы, кварки.
.. Одним словом, их очень много, и все это — «кирпичики», из которых кто-то строил наше мироздание (ну, или оно строилось само по себе — вопрос дискуссионный). Вселенная также наполнена квантовыми полями и кишит появляющимися и исчезающими в них элементарными частицами. Все эти наши маленькие друзья и образуют Стандартную модель.
Есть среди элементарных частиц и бозоны. Что это такое, спросите вы? Бозоны — это частицы, которые переносят взаимодействие других частиц. Например, притяжение или отталкивание частиц – это результат обмена бозонами между ними. Вселенная устроена очень кропотливо. У всех частиц, кроме W и Z бозонов нет инертной массы. Значит, что-то должно им эту массу давать, как они обеспечивают взаимодействия. Эту массу дает им бозон Хиггса, а значит, без него не было бы ничего. От слова — совсем ничего. Самая краеугольная из всех краеугольных частиц? Физики полагают, что да.
Частицы вроде протонов, нейтронов и кварков получают массу через взаимодействие с невидимым полем Хиггса.
Некоторые частицы проходят через это поле и не получают массы, другие «застревают» в нем и накапливают энергию. За это поле Хиггса отвечает, конечно же, бозон Хиггса.
Если разгадать все тайны «божественной частицы», мы узнаем очень много. Это станет ключом к невероятным открытиям. В частности, прольет свет на темную материю.
Что еще за «темная материя»?
Немного фактов, чтобы осознать наше ничтожество. Обычная материя, из которой состоят планеты, звезды, пыль, газ, а также ты, читатель, воспринимающий эти буквы на экране, составляет всего 4% Вселенной. 22% — это темная материя. 74% — это темная энергия. Без паники, но 96% Вселенной отсутствует! Бозон Хиггса поможет нам прорваться в области этой тьмы.
Как нашли «частицу Бога»?
Научное издание «Хайтек» рассказало, как открывали бозон Хиггса (дальше мы попросту перескажем их материал). Случилось это ровно десять лет назад, 4 июля 2012 года. Коллаборация ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере (БАК) заявила, что обнаружила частицу, которая обладает всеми характеристиками «божественной частицы».
Несколько интересных фактов: в поисках «божественной частицы» принимали участие более 5500 инженеров, техников, физиков-элементаристов, студентов и других экспертов из 54 стран. Всего в охоте на бозон Хиггса было задействовано 240 сотрудников научных институтов мира. Это была одна из самых впечатляющих кампаний в истории науки.
Что нам известно о бозоне Хиггса спустя 10 лет после открытия
Сравнительно немного, что и заставило запускать Большой адронный коллайдер снова. Вот несколько фактов. Сложных, но и жизнь наша не проста:
— У бозона Хиггса нет собственного углового момента или квантового спина, как предсказывает Стандартная модель.
— Бозоны Хиггса образуются из пар W- или Z-бозонов и распадаются на них, подтверждая, что эти частицы приобретают свою массу за счет взаимодействия с полем Хиггса, как и предсказывает Стандартная модель.
— Эксперименты также показали, что верхний кварк, нижний кварк и тау-лептон (наиболее тяжелые фермионы) получают свою массу за счет взаимодействия с полем Хиггса, что также предсказала Стандартная модель.
— Масса бозона Хиггса составила 125 млрд электронвольт (ГэВ).
— К 2022 году обнаружено более 60 составных частиц (тех, которые состоят из более чем двух элементарных частиц), предсказанных Стандартной моделью, включая экзотические «тетракварки» и «пентакварки».
Отклонения — это хорошо?
Физики в ЦЕРН говорят, что эксперименты с бозоном Хиггса выявили несколько «интригующих намеков на отклонения от Стандартной модели», которые «требуют дальнейшего изучения». Что это значит? Хиггс их пока знает. Предполагают, что есть другие частицы, которые лежат за пределами Стандартной модели. Также предполагают, что бозон Хиггса может распадаться на частицы темной материи, и это будет прорыв за грань наших представлений о мире. По словам представителя CMS Луки Мальджери, «сам бозон Хиггса может указывать на новые явления, в том числе те, которые ответственны за темную материю во Вселенной».
Есть хоть свет в конце туннеля?
Вопросов больше, чем ответов, а новые ответы порождают новые вопросы.
Исследователи из ЦЕРН строят планы по созданию нового коллайдера — Future Circular Collider, который сможет выделять огромное количество бозонов Хиггса. И если теология нам так и не помогла найти Бога, кто знает, может быть поможет физика?
просто и понятно о его сущности и открытии
Определение простым языком
Элементарная частица бозон Хиггса, названая так на честь британского физика Питера Хиггса, который теоретически предсказал ее существование еще в далеком 1964 году, пожалуй, одна из самых загадочных и удивительных в современной физике. Именно она вызвала множество споров и дискуссий в научном сообществе, а кто-то даже присвоил ей такой необычный эпитет как «частичка Бога». Есть и скептики, утверждающие, что бозон Хиггса не существует и все это не более чем научная мистификация. Что такое бозон Хиггса на самом деле, как он был открыт, какие у него свойства, об этом читайте далее.
Определение простым языком
Чтобы объяснить сущность бозона Хиггса максимально просто и понятно не только ученому физику, но и обычному человеку, интересующемуся наукой, необходимо прибегнуть к языку аллегорий и сравнений. Хотя, разумеется, все аллегории и сравнения, которые касаются физики элементарных частиц, не могут быть верными и точными. То же электромагнитное поле или квантовая волна не являются ни полем, ни волной в том смысле, в котором их представляют обычно люди, как и сами атомы отнюдь не являются уменьшенными копиями Солнечной системы, в которой словно планеты вокруг Солнца вращаются электроны вокруг атомного ядра. И хотя аллегории и сравнения все же не передают самой сути тех вещей, которые происходят в квантовой физике, они, тем не менее, позволяют приблизиться к пониманию этих вещей.
Интересный факт: в 1993 году министром образования Великобритании даже был объявлен конкурс на самое простое объяснение того, что такое бозон Хиггса. Победителем вышло пояснение, связанное с вечеринкой.
Итак, представьте себе многолюдную вечеринку, тут в помещение входит какая-то знаменитость (например, «рок-звезда») и за ней тут же начинают двигаться гости, все хотят пообщаться со «звездой», при этом сама «рок-звезда» передвигается медленнее, нежели все другие гости. Затем люди собирают в отдельные группы, в которых обсуждают какую-то новость или сплетню, связанную с этой рок-звездой, при этом люди хаотично передвигаются из группы в группу. Как результат, создается впечатление, что люди обсуждают сплетню, тесно окружив знаменитость, но без ее непосредственного участия. Так вот, все люди, участвующие в вечеринке – это поле Хиггса, группы людей являются возмущением поля, а сама знаменитость, из-за которой они образовались и есть бозон Хиггса.
Если эта аллегория Вам не совсем понятна, то вот еще одна: представьте себе гладкий бильярдный стол, на котором находятся шары – элементарные частицы. Шары эти запросто разлетаются в разные стороны и движутся везде без препятствий. А теперь представьте, что бильярдный стол покрыт некой клейкой массой, которая затрудняет движение шаров по нему.
Эта клейкая масса – поле Хиггса, масса этого поля равна массе частиц, которые к нему прилипают. Бозон Хиггса же это частица, которая соответствует этому липкому полю. То есть если сильно ударить по бильярдному столу с этой клейкой массой, то небольшое количество этой самой клейкой массы на время образует пузырек, который вскоре опять растечется по столу, так вот, этот пузырек и есть бозон Хиггса.
Открытие
Как мы написали вначале, бозон Хиггса сперва был открыт теоретически британским физиком Питером Хиггсом, который предположил, что в процессе механизма спонтанного нарушения электрослабой симметрии в стандартной модели физики элементарных частиц замешана некая еще не известная до того элементарная частичка. Случилось это в 1964 году, сразу после этого начались поиски реального существования этой элементарной частицы, правда, долгие годы они терпели фиаско. Из-за этого некоторые ученные в шутку стали называть бозон Хиггса – «проклятой частичкой» или «частичкой Бога».
И вот, чтобы подтвердить или опровергнуть существования этой загадочной «частички Бога» в 2012 году был построен Большой адронный коллайдер, представляющий собой гигантский ускоритель элементарных частиц.
Опыты на нем экспериментально подтвердили существование бозона Хиггса, а сам первооткрыватель частицы, Питер Хиггс в 2013 году стал лауреатом нобелевской премии по физики за это открытие.
Возвращаясь к нашей аналогии про бильярдный стол, чтобы увидеть бозон Хиггса, физикам необходимо было с должной силой ударить по этой клейкой массе, которая лежит на столе, чтобы получить из нее пузырек, собственно бозон Хиггса. Так вот, ускорители элементарных частиц прошлого ХХ века были не настолько мощными, чтобы обеспечить «удар по столу» должной силы, и только Большой адронный коллайдер, созданный в начале уже нашего ХХІ века, что называется помог физикам «стукнуть по столу» с надлежащей силой и воочию лицезреть «частичку Бога».
Польза
Человеку, далекому от науки вообще и от физики в частности поиски некой элементарной частицы могут показаться бессмысленными, но открытие бозона Хиггса имеет немалое значение для науки. Прежде всего, наши знания о бозоне помогут при расчетах, которые осуществляются в теоретической физике при изучении строения Вселенной.
В частности, физиками было предположено, что бозонами Хиггса заполнено все окружающее нас пространство. При взаимодействии с другими элементарными частицами бозоны сообщают им свою массу и если есть возможность вычислить массу определенных элементарных частиц, то можно рассчитать и массу бозона Хиггса. А если у нас есть масса бозона Хиггса, то с ее помощью идя в обратную сторону, мы также можем рассчитывать массы других элементарных частиц.
Разумеется, все это очень дилетантские рассуждения с точки зрения академической физики, но ведь и журнал наш на то и научно-популярный, чтобы говорить о серьезных научным материях простым и понятным языком.
Опасность
Определения опасения по поводу бозона Хиггса и экспериментов с ним были высказаны британским ученым Стивеном Хокингом. Согласно Хокингу, бозон Хиггса является крайне не стабильной элементарной частичкой и в результате определенного стечения обстоятельств может привести к распаду вакуума и полному исчезновению таких понятий как пространство и время.
Но не стоит волноваться, для того, чтобы произошло нечто подобно необходимо построить коллайдер размером со всю нашу планету.
Свойства
- Бозон Хиггса, как впрочем и другие элементарные частицы подвержен воздействию гравитации.
- Бозон Хиггса обладает нулевым спином (моментом импульса элементарных частиц).
- Бозон Хиггса обладает электрическим и цветным зарядом.
- Есть 4 основных канала рождения бозона Хиггса: после слияния 2 глюонов (основной), слияние WW- или ZZ-пар, в сопровождении W- или Z-бозона, вместе с топ-кварками.
- Бозон Хиггса распадается на пару b-кварк-b-антикварк, на 2 фотона, на две пары электрон-позитрон и/или мюон-антимюон или на пару электрон-позитрон и/или мюон-антимюон с парой нейтрино.
Слово скептикам
Разумеется, есть и скептики, утверждающие, что никакой бозон Хиггса в реальности не существует, и что все это было выдумано учеными с корыстной целью – освоить деньги налогоплательщиков, идущие будто бы для научных исследований элементарных частиц, а на самом деле в карманы определенных людей.
Видео
И в завершение интересное документальное видео про бозон Хиггса.
Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка
При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту [email protected] или в Фейсбук, с уважением автор.
Страница про автора
Эта статья доступна на английском языке – Higgs Boson: the God Particle or Fake?.
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 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 неотложные 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 его переносчиков бозонов W и Z.
Слабые носители взаимодействий должны быть безмассовыми, а если бы это было не так, 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 велико при взаимодействии на коротких расстояниях — намного мощнее гравитации — , но очень слабо при более длинных 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 (открывается 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 (открывается в новой вкладке)
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.
«Частица Бога»: какое значение имеет бозон Хиггса
X-SciTech
Шошана Дэвис
/ Новости Си-Би-Эс
Со всей информацией, связанной с официальным открытием бозона Хиггса, может быть трудно оценить, как это нововведение может повлиять на обычного человека.
Однако, чтобы понять, почему так называемая «частица Бога» так важна и почему так много ученых ее празднуют, вы должны понять, откуда она взялась.
Бозон Хиггса часто называют «частицей Бога», поскольку считается, что именно он стал причиной «Большого взрыва», создавшего нашу Вселенную много лет назад. Это прозвище прижилось так быстро (даже несмотря на то, что ученые и священнослужители в равной степени не обращают на него внимания) отчасти потому, что оно прекрасно объясняет, что он должен делать — бозон Хиггса — это то, что соединяет все и придает ему материю.
Итак, в четверг, когда ученые из Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН), работающие на Большом адронном коллайдере в Женеве, Швейцария, наконец подтвердили открытие бозона Хиггса, физики были в восторге. Эта информация была обнародована в заявлении базирующегося в Женеве CERN и на конференции по физике в тот же день.
Открытие далось нелегко, и с 2008 года ЦЕРН собирает Большой адронный коллайдер стоимостью 10 миллиардов долларов, чтобы специально создавать столкновения с высокой энергией, чтобы доказать существование бозона Хиггса.
Частица, бозон, была впервые обнаружена в июле прошлого года, и многие думали, что это может быть не тот бозон, но когда ученые завершили недавние испытания, было принято положительное решение. Они были на правильном пути.
«Предварительные результаты с полным набором данных за 2012 год великолепны, и для меня ясно, что мы имеем дело с бозоном Хиггса, хотя нам еще предстоит пройти долгий путь, чтобы узнать, что это за бозон Хиггса», — сказал представитель CMS. Джо Инкандела в своем заявлении. CMS — сокращение от эксперимента с компактным мюонным соленоидом — является одной из двух команд, работающих с ЦЕРН над этим открытием, другая — ATLAS.
- Ученые говорят, что нашли «частицу Бога»
- Бозон Хиггса объясняется мультфильмом
Это открытие имеет огромное значение для научного сообщества, потому что оно подтверждает достоверность Стандартной модели физики, которая является авторитетной теорией физики элементарных частиц. Единственный элемент или частица, являющаяся частью Стандартной модели и до сих пор не обнаруженная, — это бозон Хиггса.
Подтверждение было решающим, потому что модель диктует, как основные части материи действуют вместе. Если окажется, что это неверно, или что бозона Хиггса не существует, взгляды современных ученых на физику элементарных частиц будут полностью изменены, что изменит многие из текущих технологических предположений.
Это открытие может иметь огромное значение для научных достижений, и говорят, что в этом году оно станет главным претендентом на Нобелевскую премию.
Чтобы показать, какое влияние открытие, подобное этому, может оказать на нашу жизнь, Кайл Кранмер, доцент кафедры физики Нью-Йоркского университета, предлагает посмотреть, как физики в начале 20-го века пытались понять атом, а затем разработали квантовая механика.
«Квантовая механика настолько эзотерична, насколько это возможно, и она является предметом нескольких философских научных книг, посвященных детерминизму и физической реальности, но она также привела к изобретению транзистора, ключевого компонента всей современной электроники».
— сказал Кранмер в электронном письме CBS News. «Квантовая механика также привела к изобретению лазера и других медицинских технологий, таких как МРТ, ПЭТ. Список можно продолжать и продолжать, и ни одно из этих практических применений не было ожидаемо теми, кто разработал квантовую механику».
В поисках «частицы Бога»
20 фото
Кранмер также объяснил, что такого рода открытия не только влияют на научные приложения, но и помогают в нашей повседневной жизни, и на самом деле более ранние исследования в ЦЕРНе изменили мир.
«Тим Бернерс-Ли изобрел Всемирную паутину в ЦЕРН. Мы дали миру сеть бесплатно, и это полностью изменило мир», — сказал Кранмер. «В США на каждые 1000 долларов налогов, которые вы платите, около 20 центов уходит на такого рода исследования, и если подумать о влиянии Интернета на нашу жизнь, это кажется довольно хорошей отдачей от ваших инвестиций.
»
К удивлению нефизиков, загадка материи и бозона Хиггса продолжается уже довольно давно. Тем не менее, понятие не было названо почти 50 лет назад, в 1964 году, когда Питер Хиггс, тезка частицы Бога, и несколько других ученых впервые начали копаться в этом вопросе. Сам Хиггс все еще жив сегодня, чтобы увидеть, как его первоначальное предсказание сбылось.
Однако исследования не закончены. Согласно заявлению ЦЕРН, обнаружение бозона является очень «редким событием — для каждого наблюдаемого события требуется около 1 триллиона (1012) протон-протонных столкновений», и для того, чтобы точно выяснить, какой вид бозона Хиггса был обнаружен, они Мне предстоит еще много исследований. Они также заинтересованы в использовании бозона Хиггса, чтобы найти ключ к другим тайнам.
«Мы также надеемся пролить свет на темную материю, загадочную субстанцию, составляющую 25 процентов массы Вселенной», — сказал Кранмер. «Есть также возможность, что мы могли бы производить новые тяжелые заряженные частицы, которые могли бы иметь практическое применение — например, одна из них могла бы катализировать термоядерный синтез.
Мы не можем обещать эти вещи, но именно поэтому мы называем их открытия».
Актуальные новости
Впервые опубликовано 19 марта 2013 г. / 10:38
© 2013 CBS Interactive Inc. Все права защищены.
Спасибо, что читаете CBS NEWS.
Создайте бесплатную учетную запись или войдите в систему
, чтобы получить доступ к дополнительным функциям.
Пожалуйста, введите адрес электронной почты, чтобы продолжить
Пожалуйста, введите действительный адрес электронной почты, чтобы продолжить
Стивен Хокинг опасается наступления бозона Хиггса, и он не одинок
Стивен Хокинг поспорил с Гордоном Кейном на 100 долларов, что физики не откроют бозон Хиггса. Проиграв это пари, когда физики обнаружили частицу в 2012 году, Хокинг посетовал на это открытие, заявив, что оно сделало физику менее интересной.
Теперь, в предисловии к новому сборнику эссе и лекций под названием «Стармус», известный физик-теоретик предупреждает, что частица однажды может быть ответственна за разрушение известной Вселенной.
Хокинг не единственный ученый, который так думает. Теория конца света бозона Хиггса, согласно которой квантовая флуктуация создает вакуумный «пузырь», который расширяется в пространстве и уничтожает Вселенную, существует уже некоторое время. Однако ученые не думают, что это может произойти в ближайшее время.
«Скорее всего, для этого потребуется от 10 до 100 лет [1 с последующими 100 нулями], поэтому, вероятно, вам не следует продавать свой дом, и вы должны продолжать платить налоги», — физик-теоретик Фермилаб Джозеф Ликкен. сказал во время лекции 2 сентября в институте SETI. «С другой стороны, возможно, это уже произошло, и пузырь может быть уже на пути сюда. И вы не узнаете, потому что он движется со скоростью света, так что никакого предупреждения не будет». [Судный день: 9Реальный конец Земли]
Бозон Хиггса иногда называют «частицей Бога», к большому огорчению ученых, предпочитающих официальное название.
Его открытие оказывает сильную поддержку Стандартной модели физики элементарных частиц, которая, как считается, управляет основными строительными блоками материи. Частица бозона Хиггса важна для Стандартной модели, потому что она сигнализирует о существовании поля Хиггса, невидимого энергетического поля, присутствующего во Вселенной и наделяющего другие частицы массой. С момента своего открытия два года назад эта частица произвела фурор в физическом сообществе.
Теперь, когда ученые измерили массу частицы, они могут сделать множество других расчетов, в том числе один, который, кажется, указывает на конец Вселенной.
Расчеты Судного дня
Бозон Хиггса имеет около 126 миллиардов электрон-вольт, или примерно в 126 раз больше массы протона. Оказывается, это именно та масса, которая необходима, чтобы удержать Вселенную на грани нестабильности, но физики говорят, что хрупкое состояние в конечном итоге рухнет, и Вселенная станет нестабильной. Этот вывод касается поля Хиггса.
Поле Хиггса возникло при рождении Вселенной и с тех пор действует как собственный источник энергии, сказал Ликкен. Физики считают, что поле Хиггса может медленно изменяться, поскольку оно пытается найти оптимальный баланс напряженности поля и энергии, необходимой для поддержания этой напряженности. [5 Последствия обнаружения частицы бозона Хиггса]
«Точно так же, как материя может существовать в жидком или твердом состоянии, так и поле Хиггса, вещество, которое заполняет все пространство-время, может существовать в двух состояниях», — Джан Джудис, физик-теоретик из центра физики элементарных частиц CERN, где был открыт бозон Хиггса, объяснил во время выступления на TED в октябре 2013 года.
Прямо сейчас поле Хиггса находится в состоянии минимальной потенциальной энергии — подобно долине среди холмов и долин. Огромное количество энергии, необходимое для перехода в другое состояние, похоже на пыхтение в гору.
Если поле Хиггса преодолеет этот энергетический холм, некоторые физики считают, что с другой стороны его ждет разрушение Вселенной.
Но неудачная квантовая флуктуация или изменение энергии может вызвать процесс, называемый «квантовым туннелированием». Вместо того чтобы взбираться на энергетический холм, квантовое туннелирование позволило бы полю Хиггса «туннелировать» через холм в следующую, еще более низкоэнергетическую долину. Эта квантовая флуктуация может произойти где-то в пустом вакууме пространства между галактиками и создать расширяющийся «пузырь», сказал Ликкен.
«Тревожная особенность»
Вот как Хокинг описывает этот сценарий конца света Хиггса в новой книге: «Потенциал Хиггса имеет тревожную особенность, заключающуюся в том, что он может стать метастабильным при энергиях выше 100 [миллиардов] гигаэлектронвольт (ГэВ). … Это может означать что Вселенная может подвергнуться катастрофическому распаду вакуума, при этом пузырек истинного вакуума расширится со скоростью света.
Это может произойти в любое время, и мы не увидим этого». [10 последствий путешествий со скоростью, превышающей скорость света]
Поле Хиггса внутри этого пузыря будет более сильным и иметь более низкий энергетический уровень, чем его окружение. Даже если бы поле Хиггса внутри пузыря было немного сильнее, чем сейчас, оно могло бы сжать атомы, разрушить атомные ядра и оставить водород единственным элементом во Вселенной, объяснил Джудиче в своем выступлении на TED.
Британский физик Стивен Хокинг посещает Большой адронный коллайдер в 2006 году. Спустя годы бозон Хиггса был обнаружен группой с помощью двух подземных детекторов БАК. Файл CERN 9.0002 Используя вычисление, включающее известную в настоящее время массу бозона Хиггса, исследователи предсказывают, что этот пузырь будет содержать сверхсильное поле Хиггса, которое будет расширяться со скоростью света в пространстве-времени. По словам Люккена, расширение будет неостановимым и уничтожит все в существующей вселенной.
«Нас, физиков, больше интересует то, что когда вы делаете этот расчет, используя стандартную физику, о которой мы знаем, оказывается, что мы находимся прямо на границе между стабильной и нестабильной вселенной», — сказал Ликкен.
«Мы как бы находимся на грани, когда Вселенная может существовать долго, но в конце концов она должна стать «бумом». Мы не знаем ни одного принципа, который поставил бы нас прямо на край».
Не все так мрачно
Либо все пространство-время существует на этой грани между стабильной и нестабильной вселенной, либо расчеты неверны, сказал Ликкен.
Если расчет неверный, он должен исходить из фундаментальной части физики, которую ученые еще не открыли. Ликкен сказал, что одной из возможностей является существование невидимой темной материи, которая, по мнению физиков, составляет около 27 процентов Вселенной. Обнаружение того, как темная материя взаимодействует с остальной Вселенной, может выявить свойства и правила, о которых физики еще не знают.
Другая — это идея «суперсимметрии». В Стандартной модели у каждой частицы есть партнер или собственная античастица.