Содержание
Бозон Хиггса: что это, простыми словами
Частица Бога — так называли бозон Хиггса, открытый в 2012 года на Большом адронном коллайдере. Рассказываем, как это открытие и последующие исследования помогли физикам сделать огромный шаг вперед в понимании Вселенной
- Что такое бозон Хиггса
- Как обнаружили бозон Хиггса
- Почему бозон Хиггса так важен
- Продолжение исследований бозона Хиггса
Что такое бозон Хиггса
Бозон Хиггса — в современной теории элементарных частиц это неделимая частица, которая отвечает за механизм появления масс у некоторых других элементарных частиц.
Из курса физики известно, что атом (от греч. atomon — «то, что нельзя разделить»), когда-то считавшийся неделимой частицей, на самом деле состоит из еще более мелких частиц. Ученые, исследуя атом, продолжали поиски частиц, которые действительно оказались бы неделимыми. Они изучили ядро атома и обнаружили в нем протоны и нейтроны. Но и их можно было разделить на еще более мелкие элементы: протоны и нейтроны состоят из кварков, которые сегодня считаются неделимыми частицами — вместе с электронами и другими частицами.
Для описания физики микромира ученые разработали теорию, которую назвали Стандартной моделью. Тимур Уткузов, физик и старший методист физико-математического направления школы «ИнтернетУрок» объясняет, что Стандартная модель считается сегодня основной моделью описания микромира. В рамках модели классифицируются почти все известные в мире элементарные частицы и фундаментальные взаимодействия, кроме гравитационного, а именно: сильное, слабое и электромагнитное.
Частицы, которые входят в Стандартную модель, иногда изображают в виде таблицы, которая напоминает Периодическую таблицу элементов Менделеева. Только описывает она элементарные, то есть базовые, неделимые далее частицы
(Фото: Wikimedia.org)
В Стандартную модель входят:
- фермионы, которые называют «строительными кирпичиками Вселенной» — к ним относятся кварки и лептоны;
- бозоны — частицы-переносчики взаимодействия;
- и бозон Хиггса — последняя частица в ряду частиц-переносчиков, которую часто изображают стоящей особняком [1].
Именно с помощью бозонов происходит взаимодействие между фермионами. Например, при сильном взаимодействии кварки обмениваются друг с другом особым бозоном — глюоном.
Ученые разрабатывали Стандартную модель с 1970-х годов. В последующие 20 лет благодаря опытам на мощных ускорителях были открыты многие элементарные частицы. Модель прекрасно «предсказывала» их появление, а потом эти «предсказания» подтверждались с помощью экспериментов.
В 1964 году британский физик Питер Хиггс вместе с другими учеными предположил, что существует особое поле, при взаимодействии с которым частицы приобретают массу. Позже его назвали полем Хиггса, а процесс обретения массы — хиггсовским механизмом. Изучить, как работает этот процесс, можно только через измерения свойств хиггсовского бозона. Без обнаружения бозона изучить это поле не удавалось. Поэтому открытие бозона и понимание его свойств представлялось ученым важнейшей задачей.
Чтобы объяснить нефизикам, как частицы приобретают массу, ученые придумывают разные аналогии. Одна из них — «хиггсовское поле как вечеринка со знаменитостью» выиграла конкурс на самое понятное объяснение в 1993 году. Частица, движущаяся сквозь хиггсовское поле, приобретает массу таким же образом, как знаменитость, появившись на вечеринке, собирает вокруг себя своих почитателей, то есть «обрастает» массой. При этом толпа будет перемещаться по комнате вслед за знаменитостью
(Фото: Symmetrymagazine.org)
В СМИ бозон Хиггса часто называют «частицей Бога». И хотя это ироничное название не одобряют множество ученых, бозон Хиггса — это важнейшая элементарная частица, открытие которой завершает формирование Стандартной модели.
Леон Ледерман, физик, автор названия «частица Бога», объясняет его происхождение [2]:
«Этот бозон важен и для сегодняшнего состояния физики, и для окончательного понимания структуры материи. При этом он настолько неуловим, что я дал ему прозвище «частица Бога». Почему частица Бога? По двум причинам. Во-первых, издатель не разрешил мне называть его «проклятой частицей» [Goddamn Particle. — РБК Тренды], хотя это было бы более подходящим названием, учитывая его «злодейскую природу» и расходы, которые пошли на его поиски. А во-вторых, здесь есть некоторая связь с другой книгой, гораздо более старой, чем та, которую я написал о бозоне [подразумевается Книга Бытия. — РБК Тренды]».
Как обнаружили бозон Хиггса
Поисками бозона Хиггса занимались разные лаборатории по всему миру. Одна из самых известных — Европейская организация ядерных исследований в Швейцарии или по-другому ЦЕРН.
Бозон Хиггса нельзя увидеть в микроскоп. Поэтому ученые ЦЕРНа построили для поисков самый крупный ускоритель частиц в мире — Большой адронный коллайдер или БАК. Основная цель построения БАК — уточнение или опровержение Стандартной модели.
Коллайдер разгоняет протоны почти до скорости света и сталкивает их друг с другом. В результате они распадаются на более мелкие элементы. В местах пересечения протонов находятся детекторы, которые делают десятки миллионов снимков в секунду. Среди этих снимков ученые ищут следы бозона Хиггса с помощью искусственного интеллекта. Из огромного потока снимков отбираются только те, которые с почти стопроцентной вероятностью свидетельствуют о существовании бозона Хиггса.
Физик Тимур Уткузов поясняет, почему поиски неуловимого бозона только на БАК заняли около двух лет. Дело в том, что подтвердить существование бозона можно лишь косвенно, и только хорошо зная его свойства, так как ко всему прочему у него ничтожно малое время жизни. Несмотря на то, что БАК — один из самых точных и мощных измерительных приборов в мире, он все-таки не может измерить все. И за период экспериментов удалось зафиксировать лишь несколько случаев, где по продуктам распада можно было обнаружить бозон Хиггса. При этом за это же время в коллайдере происходили сотни триллионов столкновений частиц, в которых пытались отыскать его следы. В некоторых случаях было трудно определить, действительно ли распад имеет отношение к бозону Хиггса, в других — его распад было невозможно зафиксировать детекторами.
Физик Питер Хиггс рядом с одной из частей БАК — детектором ATLAS, в апреле 2008 года
(Фото: CERN / SCIENCE PHOTO LIBRARY)
Об открытии бозона Хиггса ЦЕРН осторожно сообщил 4 июля 2012 года. Исследователи заявили, что открыли новую частицу, свойства которой согласуются с ожидаемыми свойствами бозона Хиггса.
Джо Инкандела, представитель одной из лабораторий, искавшей неуловимый бозон [3]:
«Предварительные результаты с полным набором данных 2012 года великолепны, и для меня очевидно, что мы имеем дело с бозоном Хиггса. Но нам еще предстоит пройти долгий путь, чтобы узнать, что это за бозон Хиггса».
В марте 2013 года отдельные представители ЦЕРНа сообщили, что найденная полугодом ранее частица действительно является бозоном Хиггса. В том же году Нобелевская премия по физике была присуждена физикам Питеру Хиггсу и Франсуа Энглеру «за теоретическое открытие механизма, который способствует нашему пониманию происхождения массы субатомных частиц и который недавно был подтвержден открытием предсказанной фундаментальной частицы на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе» [4].
Почему бозон Хиггса так важен
Открытие по-настоящему нового типа материи
Бозон Хиггса — это не просто еще одно рядовое открытие новой частицы, которых в последнее время было предостаточно. До него физики имели дело лишь с частицами вещества (электроны, протоны и так далее), либо с частицами-переносчиками взаимодействия, квантами силовых полей (фотоны, глюоны и другие), объясняет физик-теоретик, специалист в области элементарных частиц, популяризатор науки Игорь Иванов [5]. Но хиггсовский бозон не является ни тем, ни другим — это «кусочек» хиггсовского поля, который занимает совсем иное место в устройстве нашего мира. Это не просто новая частица, а представитель нового сектора элементарных частиц — хиггсовского сектора.
Ключевой элемент Стандартной модели
Бозон Хиггса оставался единственным элементом Стандартной модели, который ученые долго не могли обнаружить. В рамках модели есть еще много нерешенных вопросов, но считается, что открытие бозона Хиггса завершило современную теорию элементарных частиц.
Приближение к пониманию хиггсовского механизма обретения массы
Открыв бозон Хиггса, ученые подтвердили свою догадку о том, что некоторые элементарные частицы приобретают массу за счет взаимодействия с полем Хиггса.
«Кирпичик» мироздания
Открытие бозона Хиггса — это еще один шаг к пониманию того, как устроен наш мир. Эту частицу иногда называют «кирпичиком» мироздания. Ученые полагают, что до Большого взрыва — события, которого привело к созданию всего, все частицы не имели массы [6]. В момент Большого взрыва и через 10–12 секунд после него частицы вступили во взаимодействие с полем Хиггса, что придало им массу. Если бы этого не случилось, они просто бы разлетелись по космическому пространству, так и не соединившись в атомы и молекулы и в конечном итоге никогда бы не образовали все то, что существует сейчас.
Продолжение исследований бозона Хиггса
Важность изучения бозона Хиггса можно сравнить со значением открытия и исследования атома. Физик Нью-Йоркского университета Кайл Кранмер объясняет, что таким же образом ученые начала XX века пытались понять атом и на основе этого разработали квантовую механику.
Кранмер говорит, что вся квантовая механика — это в каком-то смысле эзотерика, то есть знание, недоступное для непосвященных [7]. Но при этом квантовая механика привела к изобретению транзистора, ключевого ингредиента для всей современной электроники, лазера и других медицинских технологий. Кранмер отмечает, что никто из тех, кто стоял у истоков квантовой механики, не мог предвидеть такого ее практического применения. По аналогии с квантовой механикой, такие открытия как бозон Хиггса повлияют не только на науку, но и в будущем найдут применение в повседневной жизни.
ЦЕРН на своей официальной странице в 2022 году подвел итоги изучения бозона Хиггса — спустя десять лет с его открытия [8]. Организация отмечает, что за это время физики сделали огромный шаг вперед в понимании Вселенной: например, они получили данные, что поле Хиггса было установлено во всей Вселенной через десятую долю миллиардной доли секунды после Большого взрыва.
С начала работы БАК в 2010 году было открыто более 60 составных частиц, предсказанных Стандартной моделью: некоторые из них — экзотические «тетракварки» и «пентакварки». Эксперименты также указали на отклонения от Стандартной модели, которые требуют дальнейшего изучения. Кроме того, эксперименты, выполняемые на БАК, дают возможность найти неизвестные частицы, выходящие за рамки Стандартной модели — например, обнаружить частицы, составляющие загадочную темную материю. Сам бозон Хиггса может указывать на явления, которые, возможно, ответственны за темную материю во Вселенной.
Ученые также ищут ответы на вопросы, придает ли поле Хиггса массу легким фермионам или тут действует другой механизм, является ли бозон Хиггса элементарной или составной частицей, может ли он взаимодействовать с темной материей и раскрыть ее природу, есть ли у бозона Хиггса «близнецы» или «родственники»? Поиск ответов на эти и другие интригующие вопросы не только углубит наше понимание Вселенной, но и поможет раскрыть некоторые из самых больших ее тайн — почему она возникла такой, какая есть, и какова ее конечная судьба.
как устроен, когда обнаружен и зачем нужен
Все помнят шумиху вокруг открытия бозона Хиггса, произошедшего в 2012 году. Все помнят, но многие так до сих пор в полной мере и не понимают, что это был за праздник? Мы решили разобраться, просветиться, и заодно рассказать о том, что такое бозон Хиггса простыми словами!
Стандартная модель и бозон Хиггса
Начнем с самого начала. Частицы делятся на бозоны и фермионы. Бозоны – это частицы с целым спином. Фермионы — с полуцелым.
Бозон Хиггса – это такая элементарная частица, которая была предсказана теоретически еще в 1964 году. Элементарный бозон, возникающий вследствие механизма спонтанного нарушения электрослабой симметрии.
Понятно? Не очень. Чтобы стало понятнее, нужно рассказать про Стандартную модель.
Питер Хиггс, предсказавший существование бозона Хиггса.
Стандартная модель – одна из основных современных моделей описания мира. Она описывает взаимодействие элементарных частиц. Как мы знаем, в мире есть 4 фундаментальных взаимодействия: гравитационное, сильное, слабое и электромагнитное. Гравитационное мы сразу не рассматриваем, т.к. оно имеет иную природу и не входит в модель. А вот сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия описываются в рамках стандартной модели. Причем, согласно этой теории вещество состоит из 12 фундаментальных элементарных частиц-фермионов. Бозоны же являются переносчиками взаимодействий. Оформить дипломную работу на заказ вы можете прямо у нас на сайте.
Стандартная модель. Частицы.
Так вот, из всех частиц, предсказанных в рамках стандартной модели, не обнаруженным экспериментально оставался бозон Хиггса. Согласно Стандартной модели этот бозон, являясь квантом поля Хиггса, отвечает за то, что у элементарных частиц есть масса. Представим, что частицы – это бильярдные шары, помещенные на сукно стола. В данном случае сукно – это и есть поле Хиггса, обеспечивающее массу частиц.
Как искали бозон Хиггса?
На вопрос, когда открыли бозон Хиггса, нельзя ответить точно. Ведь теоретически его предсказали в 1964 году, а подтвердили существование экспериментально только в 2012. И все это время неуловимый бозон искали! Искали долго и упорно. До БАК в ЦЕРНе работал другой ускоритель, электрон-позитронный коллайдер. Также был Теватрон в Иллинойсе, но и его мощностей не хватило для выполнения задачи, хотя эксперименты, конечно же, дали определенные результаты.
Дело в том, что бозон Хиггса – частица тяжелая, и обнаружить его очень непросто. Суть эксперимента проста, сложна реализация и интерпретация результатов. Берутся два протона на околосветовой скорости и сталкиваются лоб в лоб. Протоны, состоящие из кварков и антикварков, от такого мощного столкновения разваливаются и появляется множество вторичных частиц. Именно среди них и искали бозон Хиггса.
Поиски бозона Хиггса
Проблема еще и в том, что подтвердить существование этого бозона можно лишь косвенно. Период, в который существует бозон Хиггса, крайне мал, как и расстояние между точками исчезновения и возникновения. Измерить такие время и расстояние напрямую невозможно. Зато Хиггс не исчезает бесследно, и его можно вычислить по «продуктам распада».
Хотя такой поиск очень похож на поиск иголки в стоге сена. И даже не в одном, а в целом поле стогов. Дело в том, что бозон Хиггса распадается с разной вероятностью на разные «наборы» частиц. Это может быть пара кварк-антикварк, W-бозоны или самые массивные лептоны, тау-частицы. В одних случаях эти распады крайне трудно отличить от распадов других частиц, а не именно Хиггса. В других – невозможно достоверно зафиксировать детекторами. Несмотря на то что детекторы БАК – самые точные и мощные измерительные приборы, созданные людьми, они могут измерить не все. Лучше всего фиксируется детекторами превращение Хиггса в четыре лептона. Однако вероятность этого события очень мала — всего 0,013%.
Детектор ATLAS
Тем не менее, за полгода экспериментов, когда за одну секунду в коллайдере происходят сотни миллионов столкновений протонов, было выявлено целых 5 таких четырехлептонных случаев. Причем зафиксированы они были на двух разных детекторах-гигантах: ATLAS и CMS. Согласно независимому расчету с данными одного и другого детектора, масса частицы составляла примерно 125ГэВ, что соответствует теоретическому предсказанию для бозона Хиггса.
Для полного и точного подтверждения того, что обнаруженная частица была именно именно бозоном Хиггса, пришлось провести еще очень много опытов. И несмотря на то, что сейчас бозон Хиггса обнаружен, эксперименты в ряде случаев расходятся с теорией, так что Стандартная модель, как считают многие ученые, скорее всего является частью более совершенной теории, которую еще предстоит открыть.
Детекторы БАК
Открытие бозона Хиггса, определенно, одно из главных открытий 21 века. Его открытие — огромный шаг в понимании устройства мира. Если бы не он, все частицы были бы безмассовыми, как фотоны, не существовало бы ничего, из чего состоит наша материальная Вселенная. Бозон Хиггса — шаг к пониманию того, как устроена вселенная. Бозон Хиггса даже назвали частицей бога или проклятой частицей. Впрочем, сами ученые предпочитают называть его бозоном бутылки шампанского. Ведь такое событие, как открытие бозона Хиггса, можно отмечать годами.
Друзья, сегодня мы взрывали мозг бозоном Хиггса. А если Вы уже устали взрывать свой мозг бесконечными рутинными или непосильными заданиями по учебе, обратитесь за помощью к авторам нашей компании. Как всегда мы поможем Вам быстро и качественно решить любой вопрос.
Что такое бозон Хиггса?
Концептуальная иллюстрация частицы Хиггса (оранжевый, вверху и внизу), образующейся при столкновении двух протонов. Каждый протон состоит из трех кварков (зеленого и синего), удерживаемых вместе сильным ядерным взаимодействием, переносимым глюонами (белые волнистые линии). Бозон Хиггса, существование которого давно ожидалось в соответствии с теорией, был наконец обнаружен в протон-протонных столкновениях, проведенных с использованием Большого адронного коллайдера (БАК) в ЦЕРН в Швейцарии в 2012 году.
(Изображение предоставлено Марком Гарликом/Science Photo Library через Getty Images)
Бозон Хиггса — одна из 17 элементарных частиц, составляющих Стандартную модель физики элементарных частиц, которая является лучшей теорией ученых о поведении самых основных строительных блоков Вселенной. Частица бозона Хиггса была открыта последней после пятидесятилетних поисков, и она играет такую фундаментальную роль в субатомной физике, что ее иногда называют «частицей Бога». Здесь мы более подробно рассмотрим бозон Хиггса от его теоретического происхождения, через его громкое открытие в 2012 году до его непреходящего значения сегодня. 92 , где E — энергия. Поскольку c — это всего лишь константа — скорость света, — то это уравнение говорит нам, что, за исключением изменения единиц измерения, энергия и масса — это одно и то же. Около 99% массы любого объекта реального мира, такого как человеческое тело , создается энергией связи, удерживающей элементарные частицы вместе внутри атомов . Однако оставшийся 1% массы принадлежит этим элементарным частицам . Вопрос: как сделать они получают свою массу?
В 1960-х годах физики-теоретики, в том числе Питер Хиггс из Эдинбургского университета, придумали возможный ответ, согласно CERN , Европейской организации ядерных исследований. Предложенный ими механизм включает невидимое, но всепроникающее поле, позже названное «полем Хиггса». Именно благодаря взаимодействиям с этим полем элементарные частицы приобретают свою массу.
Разные частицы имеют разную массу, потому что поле Хиггса не влияет на них одинаково. Ученый ЦЕРН Стефано Мероли объясняет это аналогией человека (элементарной частицы), движущегося через группу журналистов (поле Хиггса). Если человек знаменитость, ему придется пробиваться с боем, как частице с большой массой, но если он неизвестен журналистам, он пройдет легко, как частица с малой массой.
Объяснение бозона Хиггса
Диаграмма бозона Хиггса. (Изображение предоставлено Наски через Shutterstock)
(открывается в новой вкладке)
Питер Хиггс представил свою оригинальную статью о поле Хиггса (в то время неназванную) в журнал Physical Review Letters 31 августа 1964 года, согласно Эдинбургского университета . В тот же день была опубликована еще одна статья бельгийских физиков Франсуа Энглера и Робера Броута, в которой описывалась по существу та же теория. Когда это было доведено до его сведения, Хиггс изменил свою собственную статью, добавив еще одно предсказание — что должна существовать новая элементарная частица, связанная с полем Хиггса. Он принадлежал к классу частиц, называемых бозонами, и сам имел чрезвычайно большую массу. Эта частица стала известна как бозон Хиггса.
Теория Хиггса была элегантным объяснением массы элементарных частиц, но была ли она правильной? Самым очевидным способом проверить это было наблюдение за бозоном Хиггса, но это никогда не было легким. Во-первых, ожидалось, что бозон Хиггса будет очень нестабильным, распадаясь на другие частицы за крошечную долю секунды, как пишет физик Брайан Грин для Smithsonian Magazine. А его огромная масса — по субатомным меркам — означала, что он мог быть создан только в результате столкновений сверхвысоких энергий. Когда ЦЕРН построил самый мощный в мире ускоритель частиц, Большой адронный коллайдер (БАК), одной из его основных целей было найти бозон Хиггса.
Открытие бозона Хиггса
Физики измеряют массу частиц в единицах, называемых электрон-вольт (эВ). Например, масса протона — ядра атома водорода — равна 938 млн эВ. Когда БАК начал работать в 2008 году, единственное, что ученые знали наверняка о бозоне Хиггса, это то, что его масса должна быть больше 114 миллиардов эВ, согласно CERN — иначе его бы нашли ускорители частиц предыдущего поколения. К счастью, БАК справился с поставленной задачей, производя все больше измерений, указывающих на что-то дразняще похожее на бозон Хиггса около 125 миллиардов эВ. К 4 июля 2012 года сомнений больше не было, и под большую помпу СМИ было сделано официальное объявление. Спустя почти 50 лет после того, как он был впервые предложен, бозон Хиггса наконец был обнаружен.
К сожалению, один из трех ученых, сделавших первоначальный прогноз, Роберт Браут, умер чуть более года назад. Однако два оставшихся в живых физика, Франсуа Энглер и Питер Хиггс, были удостоены в 2013 году Нобелевской премии по физике «за теоретическое открытие механизма, который способствует нашему пониманию происхождения массы субатомных частиц и который недавно был подтвержден». через открытие предсказанной фундаментальной частицы», согласно Нобелевский фонд (открывается в новой вкладке).
Чтобы открыть бозон Хиггса, физики проанализировали 30,6 миллиона распадов частиц, которые произошли на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРН в Швейцарии. (Изображение предоставлено Shutterstock)
(открывается в новой вкладке)
Частица Бога?
За пределами мира физики высоких энергий бозон Хиггса часто называют вызывающим воспоминания и броским названием «частица Бога». Это было название книги Леона Ледермана и Дика Терези на эту тему, вышедшей в 1993 году. Авторы говорят, что это название было выбрано потому, что издатель не позволил им назвать ее «Чертова частица». По словам 9, прозвище «Частица Бога», как бы его ни любили СМИ, не нравится многим ученым.0003 ЦЕРН (откроется в новой вкладке).
«Частица Бога» или нет, но открытие бозона Хиггса имело огромное значение. Это был последний фрагмент головоломки Стандартной модели, и он может привести ученых к пониманию дальнейших загадок, таких как природа темной материи , которые лежат за ее пределами, согласно Питу Уилтону (открывается в новом вкладка) Оксфордского университета.
Бозон Хиггса сегодня
Сам по себе бозон Хиггса также продолжает открывать новые тайны ученым в ЦЕРНе и других местах. Один из способов узнать больше о том, как он работает — и действительно ли он отвечает за массу всех других элементарных частиц, — это наблюдать за различными путями распада бозона Хиггса на другие частицы. Обычно он распадается на кварки, но также было обнаружено, что он распадается на совершенно другой класс частиц, называемый 9.0003 мюона . Это убедительный признак того, что мюоны, как и кварки, действительно получают свою массу благодаря механизму Хиггса.
Бозон Хиггса может преподнести нам еще больше сюрпризов. Например, обнаруженная частица, которая была близка к нижнему пределу ожидаемого диапазона масс, может быть не единственным бозоном Хиггса. Возможно, существует целое семейство бозонов Хиггса, некоторые из которых намного массивнее того, о котором мы знаем сейчас. С другой стороны, недавнее исследование предполагает, что, если бы бозон Хиггса имел значительно большую массу, чем он есть на самом деле, Вселенная могла бы подвергнуться катастрофическому коллапсу, прежде чем у нее появился шанс начать движение. Это действительно могло быть судьбой других частей мультивселенной, но, к счастью, не нашей. Если эта теория верна, мы можем благодарить бозон Хиггса за само наше существование.
Дополнительные ресурсы
- Послушайте физика Шон Кэрролл говорит о бозоне Хиггса
- Просмотреть хронологию о бозоне Хиггса от идеи к реальности
- подробнее 9009 о Стандартной модели и роли в ней бозона Хиггса
Библиография
Бозон Хиггса . ЦЕРН. https://home.cern/science/physics/бозон Хиггса (открывается в новой вкладке)
ЦЕРН отвечает на запросы из социальных сетей . ЦЕРН. https://home.cern/resources/faqs/cern-answers-queries-social-media (открывается в новой вкладке)
Министерство энергетики объясняет… бозон Хиггса . Министерство энергетики США. https://www.energy.gov/science/doe-explainsthe-higgs-boson (открывается в новой вкладке)
Уилтон, Пит. (2015, июль) Изучение темной стороны бозона Хиггса . Оксфордский университет. https://www.ox.ac.uk/news/science-blog/exploring-higgs-bosons-dark-side (открывается в новой вкладке)
Нобелевская премия по физике . (2013) Нобелевский фонд. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2013/summary/ (открывается в новой вкладке)
Питер Хиггс и бозон Хиггса . (2014, март) Эдинбургский университет. https://www.ph.ed.ac.uk/higgs/brief-history (открывается в новой вкладке)
Грин, Брайан. Как был открыт бозон Хиггса . (2013, июль) https://www.smithsonianmag.com/science-nature/how-the-higgs-boson-was-found-4723520/ (открывается в новой вкладке)
Эндрю Мэй имеет докторскую степень. получил степень доктора астрофизики в Манчестерском университете, Великобритания. В течение 30 лет он работал в академическом, государственном и частном секторах, прежде чем стать научным писателем, где он писал для Fortean Times, How It Works, All About Space, BBC Science Focus и других. Он также написал ряд книг, в том числе «Космическое воздействие» и «Астробиология: поиск жизни в другом месте во Вселенной», изданные издательством Icon Books.
Что такое бозон Хиггса?
Концептуальная иллюстрация частицы Хиггса (оранжевый, вверху и внизу), образующейся при столкновении двух протонов. Каждый протон состоит из трех кварков (зеленого и синего), удерживаемых вместе сильным ядерным взаимодействием, переносимым глюонами (белые волнистые линии). Бозон Хиггса, существование которого давно ожидалось в соответствии с теорией, был наконец обнаружен в протон-протонных столкновениях, проведенных с использованием Большого адронного коллайдера (БАК) в ЦЕРН в Швейцарии в 2012 году.
(Изображение предоставлено Марком Гарликом/Science Photo Library через Getty Images)
Бозон Хиггса — одна из 17 элементарных частиц, составляющих Стандартную модель физики элементарных частиц, которая является лучшей теорией ученых о поведении самых основных строительных блоков Вселенной. Частица бозона Хиггса была открыта последней после пятидесятилетних поисков, и она играет такую фундаментальную роль в субатомной физике, что ее иногда называют «частицей Бога». Здесь мы более подробно рассмотрим бозон Хиггса от его теоретического происхождения, через его громкое открытие в 2012 году до его непреходящего значения сегодня. 92 , где E — энергия. Поскольку c — это всего лишь константа — скорость света, — то это уравнение говорит нам, что, за исключением изменения единиц измерения, энергия и масса — это одно и то же. Около 99% массы любого объекта реального мира, такого как человеческое тело , создается энергией связи, удерживающей элементарные частицы вместе внутри атомов . Однако оставшийся 1% массы принадлежит этим элементарным частицам . Вопрос: как сделать они получают свою массу?
В 1960-х годах физики-теоретики, в том числе Питер Хиггс из Эдинбургского университета, придумали возможный ответ, согласно CERN , Европейской организации ядерных исследований. Предложенный ими механизм включает невидимое, но всепроникающее поле, позже названное «полем Хиггса». Именно благодаря взаимодействиям с этим полем элементарные частицы приобретают свою массу.
Разные частицы имеют разную массу, потому что поле Хиггса не влияет на них одинаково. Ученый ЦЕРН Стефано Мероли объясняет это аналогией человека (элементарной частицы), движущегося через группу журналистов (поле Хиггса). Если человек знаменитость, ему придется пробиваться с боем, как частице с большой массой, но если он неизвестен журналистам, он пройдет легко, как частица с малой массой.
Объяснение бозона Хиггса
Диаграмма бозона Хиггса. (Изображение предоставлено Наски через Shutterstock)
(открывается в новой вкладке)
Питер Хиггс представил свою оригинальную статью о поле Хиггса (в то время неназванную) в журнал Physical Review Letters 31 августа 1964 года, согласно Эдинбургского университета . В тот же день была опубликована еще одна статья бельгийских физиков Франсуа Энглера и Робера Броута, в которой описывалась по существу та же теория. Когда это было доведено до его сведения, Хиггс изменил свою собственную статью, добавив еще одно предсказание — что должна существовать новая элементарная частица, связанная с полем Хиггса. Он принадлежал к классу частиц, называемых бозонами, и сам имел чрезвычайно большую массу. Эта частица стала известна как бозон Хиггса.
Теория Хиггса была элегантным объяснением массы элементарных частиц, но была ли она правильной? Самым очевидным способом проверить это было наблюдение за бозоном Хиггса, но это никогда не было легким. Во-первых, ожидалось, что бозон Хиггса будет очень нестабильным, распадаясь на другие частицы за крошечную долю секунды, как пишет физик Брайан Грин для Smithsonian Magazine. А его огромная масса — по субатомным меркам — означала, что он мог быть создан только в результате столкновений сверхвысоких энергий. Когда ЦЕРН построил самый мощный в мире ускоритель частиц, Большой адронный коллайдер (БАК), одной из его основных целей было найти бозон Хиггса.
Открытие бозона Хиггса
Физики измеряют массу частиц в единицах, называемых электрон-вольт (эВ). Например, масса протона — ядра атома водорода — равна 938 млн эВ. Когда БАК начал работать в 2008 году, единственное, что ученые знали наверняка о бозоне Хиггса, это то, что его масса должна быть больше 114 миллиардов эВ, согласно CERN — иначе его бы нашли ускорители частиц предыдущего поколения. К счастью, БАК справился с поставленной задачей, производя все больше измерений, указывающих на что-то дразняще похожее на бозон Хиггса около 125 миллиардов эВ. К 4 июля 2012 года сомнений больше не было, и под большую помпу СМИ было сделано официальное объявление. Спустя почти 50 лет после того, как он был впервые предложен, бозон Хиггса наконец был обнаружен.
К сожалению, один из трех ученых, сделавших первоначальный прогноз, Роберт Браут, умер чуть более года назад. Однако два оставшихся в живых физика, Франсуа Энглер и Питер Хиггс, были удостоены в 2013 году Нобелевской премии по физике «за теоретическое открытие механизма, который способствует нашему пониманию происхождения массы субатомных частиц и который недавно был подтвержден». через открытие предсказанной фундаментальной частицы», согласно Нобелевский фонд (открывается в новой вкладке).
Чтобы открыть бозон Хиггса, физики проанализировали 30,6 миллиона распадов частиц, которые произошли на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРН в Швейцарии. (Изображение предоставлено Shutterstock)
(открывается в новой вкладке)
Частица Бога?
За пределами мира физики высоких энергий бозон Хиггса часто называют вызывающим воспоминания и броским названием «частица Бога». Это было название книги Леона Ледермана и Дика Терези на эту тему, вышедшей в 1993 году. Авторы говорят, что это название было выбрано потому, что издатель не позволил им назвать ее «Чертова частица». По словам 9, прозвище «Частица Бога», как бы его ни любили СМИ, не нравится многим ученым.0003 ЦЕРН (откроется в новой вкладке).
«Частица Бога» или нет, но открытие бозона Хиггса имело огромное значение. Это был последний фрагмент головоломки Стандартной модели, и он может привести ученых к пониманию дальнейших загадок, таких как природа темной материи , которые лежат за ее пределами, согласно Питу Уилтону (открывается в новом вкладка) Оксфордского университета.
Бозон Хиггса сегодня
Сам по себе бозон Хиггса также продолжает открывать новые тайны ученым в ЦЕРНе и других местах. Один из способов узнать больше о том, как он работает — и действительно ли он отвечает за массу всех других элементарных частиц, — это наблюдать за различными путями распада бозона Хиггса на другие частицы. Обычно он распадается на кварки, но также было обнаружено, что он распадается на совершенно другой класс частиц, называемый 9.0003 мюона . Это убедительный признак того, что мюоны, как и кварки, действительно получают свою массу благодаря механизму Хиггса.
Бозон Хиггса может преподнести нам еще больше сюрпризов. Например, обнаруженная частица, которая была близка к нижнему пределу ожидаемого диапазона масс, может быть не единственным бозоном Хиггса. Возможно, существует целое семейство бозонов Хиггса, некоторые из которых намного массивнее того, о котором мы знаем сейчас. С другой стороны, недавнее исследование предполагает, что, если бы бозон Хиггса имел значительно большую массу, чем он есть на самом деле, Вселенная могла бы подвергнуться катастрофическому коллапсу, прежде чем у нее появился шанс начать движение. Это действительно могло быть судьбой других частей мультивселенной, но, к счастью, не нашей. Если эта теория верна, мы можем благодарить бозон Хиггса за само наше существование.
Дополнительные ресурсы
- Послушайте физика Шон Кэрролл говорит о бозоне Хиггса
- Просмотреть хронологию о бозоне Хиггса от идеи к реальности
- подробнее 9009 о Стандартной модели и роли в ней бозона Хиггса
Библиография
Бозон Хиггса . ЦЕРН. https://home.cern/science/physics/бозон Хиггса (открывается в новой вкладке)
ЦЕРН отвечает на запросы из социальных сетей . ЦЕРН. https://home.cern/resources/faqs/cern-answers-queries-social-media (открывается в новой вкладке)
Министерство энергетики объясняет… бозон Хиггса . Министерство энергетики США. https://www.energy.gov/science/doe-explainsthe-higgs-boson (открывается в новой вкладке)
Уилтон, Пит.