Что такое бозон хиггса простыми словами: Бозон Хиггса простым языком – Статьи на сайте Четыре глаза

что это такое, что дает и какие последствия (видео) › Новости Санкт-Петербурга › MR-7.ru

Бозон Хиггса: что это такое?

Бозон Хиггса простыми словами пытались объяснить давно. В 1993 году министр науки Великобритании Вильям Волдгрэйв объявил конкурс на самое простое объяснение бозона Хиггса. Самой распространенной версией стала версия с вечеринкой. Чтобы понять, что такое бозон Хиггса, следует представить большую комнату, в которой проходит вечеринка.

Бозон Хиггса нашли

В определенный момент в комнату входит человек (например, рок-звезда), с которым все хотят пообщаться. Когда человек перемещается, за ним идет несколько гостей вечеринки – может показаться, что за ним идут скопления людей. При этом скорость движения рок-звезды ниже, чем у других гостей. Гости вечеринки сами могут объединяться в группки – если в толпе начнут обсуждать сплетню, то люди начнут передавать слух друг другу, образуя небольшие уплотнения.

• фото: flickr

• фото: flickr

• фото: flickr

• фото: flickr

• mr-7.ru/photos/2012/07/100x100_3NM2Z8y38J56p4EdYNSq.jpg» data-src=»https://i.mr-7.ru/photos/2012/07/640x480_3NM2Z8y38J56p4EdYNSq.jpg» data-sub-html=»#caption-51970-44244″>

  фото: flickr

• фото: flickr

Частица бога — что это?

Со стороны может показаться, что люди, обсуждающие сплетню, похожи на кучки гостей, облепивших рок-звезду, но без самой знаменитости. В этом объяснении все люди в комнате – это поле Хиггса, рок-звезда – частица, движущаяся в поле, а кучки людей, обсуждающих сплетню – это возмущение поля.

Большой адронный коллайдер и поиск частицы бога

Бозон Хиггса – это фундаментальная частица Стандартной модели, которая до недавнего времени так и не была найдена. Его существование предсказали еще в 1960-е годы. Но для доказательства существования частицы пришлось построить Большой адронный коллайдер, где и начался поиск частицы бога. Бозон Хиггса, значение которого трудно переоценить, еще называют «частицей бога».

Частица бога – почему такое название?

Почему бозон Хиггса называют частицей бога? Такое название предложил нобелевский лауреат Леона Ледермана. Он выпустил книгу с заголовком, начинающегося со словосочетания «god particle» (частица бога). Впрочем, сам ученый предлагал несколько другое название – «goddamn particle» (проклятая частица) – но его отвергли. Частица бога – это бозон Хиггса, проще говоря, второе название.

Частица бога — бозон Хиггса

Бозон Хиггса найден, частица бога найдена – как не назови, а сути это не меняет. В CERN открыли бозон Хиггса, но официально сообщили об открытии очень осторожно. Ученые открыли частицу бога, за которой гонялись полвека, но объявили об открытии элементарной частицы, которая лишь может оказаться бозоном Хиггса. Про открытие можно сказать следующее: если будет доказано, что частица и есть бозон Хиггса, то в элементарной физике больше не останется вопросов о взаимодействии элементарных частиц. Но то, что ученые открыли бозон Хиггса, может привести к новым вопросам в других областях физики.

Бозон Хиггса – последствия

Бозон Хиггса — что дает? Нет, частица бога, которую нашел коллайдер, не поможет при создании вечного двигателя. Машина времени также не будет построена, хоть открытие частицы бога и произошло. Значение открытия имеет значение лишь для фундаментальной физики, для практики же пока нет. Кстати, многие боялись, что Большой адронный коллайдер вызовет конец света, но этого так и не произошло, так что последствия от открытия для простых людей, минимальны.

Большой адронный коллайдер — зачем он нужен?

Большой адронный коллайдер, стоимость которого превышает 10 млрд долларов, является ускорителем адронов. В строительстве устройства участвовали более 10 тысяч ученых из 100 стран мира. Первые испытания начались в августе 2008 года. Главное, что искал адронный коллайдер — бозон Хиггса. И спустя 4 года новая частица, частица бога, найдена.

Бозон Хиггса — видео

Видео: «Первый канал»

Бозон Хиггса простыми словами

Впервые о существовании этой элементарной частицы заговорил физик Питер Хиггс, предсказавший ее открытие еще в 1964 году. Когда в 2012 году его существование подтвердили физики с помощью Большого адронного коллайдера (БАК), это стало значительным достижением в мире науки. Его открытие позволило ученым приблизиться к пониманию устройства вселенной, расширить представление о стандартной модели ее устройства и вместе с тем прибавило больше вопросов. 

Что такое бозон Хиггса?

Питер Хиггс полагал, что элементарные частицы, из которых состоит материальный мир, получают массу, находясь внутри электромагнитного поля, невидимого для глаза.  Одни частицы могут пройти через него, например, фотон, и их масса не изменится. Другие же слегка задерживаются, что позволяет им накапливать массу. Согласно гипотезе Хиггса, с полем связывается частица, необходимая для коррекции и настраивания процессов взаимовлияния. Впоследствии это открытие и было названо именем Питера Хиггса. Именно эта элементарная частица контролировала взаимодействие поля и других частиц. 

Место бозона Хиггса в физической картине мира

Большая часть представлений о физических процессах укладывается в стандартную модель (СМ) — теоретическую конструкцию, описывающую взаимодействие элементарных частиц. Существуют четыре типа взаимодействия: сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное. Последнее не подлежит рассмотрению в рамках стандартной модели, так как она не описывает природу гравитации, темной материи и темной энергии. В остальном же, это понятие считается границей, достоверно отделяющим уже известные, подтвержденные знания от гипотетически возможных событий в мире элементарных частиц.

Согласно СМ, вселенная состоит из 12 фундаментальных частиц, 11 из них были ранее известны. При этом 12 частица, тот самый бозон Хиггса, долгое время не могла быть обнаружена без создания специальных условий. Ее роль состоит в том, чтобы придавать другим элементарным частицам массу для ограничения их скорости.

Их взаимодействие позволяет применять такие единицы обозначения как скорость, масса, ускорение, и это наделяет элементарные частицы функцией переносчиков. Однако до совершения открытия частицы, переносящие взаимодействия, опознавали как не обладающие собственной массой. Это можно представить в виде примера. Так, если бы частицы были бильярдными шарами, лежащими на столе, они могли свободно перемещаться по гладкой поверхности и двигаться без препятствий. Бозон Хиггса в этом примере играет роль сукна, передвижение по которому дает шарами массу и задерживает их перемещение.   

Сложность проведения эксперимента

Сложность открытия бозона Хиггса была связана с моментом распада на более стабильные частицы.  Для экспериментов ученые использовали Большой адронный коллайдер, где брали два протона и сталкивали их между собой на околосветовой скорости. Протоны разваливались на составляющие, образующие вторичные частицы, среди которых и велись поиски бозона Хиггса. Наблюдать это значительно сложнее, чем в случае других элементарных частиц из-за того, что процесс длится только одну септиллионную секунды. В это мгновение происходят триллионы других столкновений, что мешало ученым обнаружить среди них бозон Хиггса. Определить его присутствие можно было только по остаточным «продуктам распада». 

Из-за того что ученым было не до конца понятно, что именно они ищут, работа напоминала поиски вслепую. Это связано с тем, что бозон Хиггса мог распадаться на разные сочетания частиц. Одни из них нельзя точно зафиксировать с помощью детекторов, несмотря на мощность БАК, другие сложно отличить от процесса распада прочих частиц. Очевиднее всего фиксация бозона Хиггса происходила при его превращении в четыре лептона. Но вероятность такого распада составляла 0,013%. Несмотря на это, полгода ежедневной работы позволили зафиксировать пять случаев описанного типа взаимодействия.

Как отличить распад бозона Хиггса от других?

Чтобы понять, связан ли наблюдаемый процесс с бозоном Хиггса, ученым приходилось делать некоторые вычисления. Рассмотрим это на примере двух фотонов, которые также являются одним из наиболее образцовых примеров распада. Есть много других примеров, в результате которых могут образоваться два фотона. Если их появление связано с распадом какой-то частицы, то их изучение позволяет вычислить ее массу. Чтобы это сделать, необходимо посчитать энергию двух фотонов в системе отсчета, когда они имеют одинаковую энергию и двигаются в разных направлениях — в системе центра масс. 

Если фотоны связаны с бозоном Хиггса, их инвариантная масса будет полностью равна массе бозона. Такое же правило характерно и в случаях, когда он распадается на четыре частицы. 

Значение открытия

Обнаружение бозона Хиггса стало доказательством того, что разработанная стандартная модель является хорошей основой, в которой сконцентрированы все представления ученых о природе происхождения вселенной. Предсказанное появление этой частицы дало понять, что основное направление развития выбрано верно, а это в свою очередь уменьшает число гипотетических предположений о микро и макромире, которые требуют опровержения или подтверждения. 

Новый бозон еще нуждается в изучении свойств, однако уже сегодня рассматривается возможность его применения для объяснения событий, происходящих на раннем этапе зарождения вселенной. Кроме того, частица может помочь при изучении феномена темной энергии — поля еще боле неуловимого, чем бозон Хиггса. 

В любом случае, изучение открытой частицы еще продолжается, а технологии для этого все более и более совершенствуются. Так, в 2030 в Китае планируют создать ускоритель частиц нового поколения, обладающий невероятной мощностью. Это поможет ставить новые эксперименты на более высоких энергиях, позволяющих глубже проникать в структуру вещей, чтобы лучше понимать процессы, составляющие нашу реальность.

Добавить комментарий

что это и зачем потратили столько усилий и средств на ее открытие?

Краткое содержание статьи:

• Стандартная модель
• В коллайдере найдена частица бозона Хиггса
• Кто он – Питер Хиггс?
• Что это за частица и как проходили поиски?
• Сложность эксперимента и открытие
• Видео: просто о сложном – что такое бозон Хиггса?

 

Существует Стандартная модель, которая описывает строение мира. Одна из составляющих – бозон Хиггса. Простым языком – это элементарная частица, придающая остальным массу другим частицам. Но для чего она необходима? И почему событие в 2012 году вызвало такой резонанс и шум в научных кругах?

 

 

Стандартная модель

Современное описание мира у учёных-физиков называется теория Стандартной модели. В ней указано то, как элементарные частицы взаимодействуют между собой. В науке существует четыре фундаментальных взаимодействия:

 

 

1. Гравитационное.
2. Сильное.
3. Слабое.
4. Электромагнитное.

В Стандартную модель входят только три, гравитационное обладает другой природой. По теории вещество имеет два составляющих:

• Фермионы – 12 штук;
• Бозоны – 5 штук.

О бозоне Хиггса впервые заговорили в 1964 году, но до 2012 года это оставалось только теорией. Учёные склонялись к тому, что этот элемент отвечает за массу остальных частиц. И вот было доказано экспериментально, что бозон Хиггса – квант поля Хиггса, действительно обеспечивает всему остальному массу.

 

В коллайдере найдена частица бозона Хиггса

Поиски проводились при использовании коллайдера Теватрон (США). В конце 2011 года были обнаружены следы, при распаде на b-кварки, элемент бозона Хиггса. В работе с помощью Большого адронного коллайдера это заметили только через год, в 2012. Столь большой временной промежуток связан с тем, что в последнем встречаются и многие другие элементы.

Затем, чтобы удостовериться в результатах, охоту за бозоном начали проводить и на других устройствах.

В итоге, полувековая теория подтвердилась экспериментально, а свое название бозон получил в честь своего предсказателя и одного из создателей Стандартной модели – Питера Хиггса. В настоящее время физики уверены, что смогли доказать и восполнить недостающее звено из описания строения мира.

 

Кто он – Питер Хиггс?

Всемирно известный британский учёный Питер Хиггс родился 29 мая 1929 года. Его отец был инженером компании BBC.

 

 

Основные факты и периоды жизни:

1. Со школьной скамьи Питер увлекался математикой и физикой, читал лекции и работы популярных научных деятелей.
2. После школы он поступил в Королевский колледж в Лондоне и благополучно его закончил, защитив диссертацию по физике.
3. Начиная с 1960 года учёный активно начал изучать идею Еичиру Намбо о нарушении симметрии у сверхпроводников. Вскоре Питер смог обосновать теорию о наличии у частиц массы. В этой работе он выдвинул теорию об существовании элементарной частицы, которая имеет нулевое вращение, а при контакте с другими, именно она придаёт им массу.
4. Ему же принадлежит открытие механизма, который объясняет нарушение симметрии. Примечательно, что он смог его придумать, когда гулял по горам в районе Эдинбурга. Этот механизм является важным компонентом Стандартной модели.
5. В 2013 году, ещё при жизни, экспериментально было найдено подтверждение его теории и обнаружен элемент с нулевым спином, который и получил название – бозон Хиггса. Сам учёный, давая интервью, говорил о том, что он не надеялся застать этот момент при жизни.
6. Лауреат многих премий, наиболее известные: медаль Дирака, премия Вольфа по физике, Нобелевская премия.

 

 

Что это за частица и как проходили поиски?

Данный бозон искали практически полвека. Это связано с тем, что эксперимент простой в теории, но сложный в действительности. Опыты производились с помощью нескольких аппаратов:

• электрон-позитронный коллайдер;
• теватрон;
• большой адронный коллайдер (БАК).

Но силы и возможности коллайдера было недостаточно. Эксперименты выполняли регулярно, но они не приносили точных результатов. Кроме этого, сам элемент Хиггса тяжёлый, он оставляет только следы распада.

Для опыта были нужны два протона, которые движутся на околосветовой скорости. Затем происходит прямое столкновение. В результате чего они распадаются на составляющие, а те в свою очередь — на второстепенные элементы. Именно здесь должен возникнуть бозон Хиггса.

Главная особенность и препятствие, которое мешало доказать на практике существование поля Хиггса это то, что частица появляется на крайне малый временной промежуток и исчезает. Но оставляет следы, благодаря которым учёные и смогли подтвердить её действительность.

 

Сложность эксперимента и открытие

Сложность эксперимента была не только в том, чтобы вовремя успеть запечатлеть бозон Хиггса, но и суметь его распознать. А это непросто, потому что он распадается на разные части:

1. Кварк-антикварк.
2. W-бозоны.
3. Лептоны.
4. Тау-частицы.
5. Фермионы.
6. Фотоны.

Среди этих составляющих, крайне сложно выделить следы поля Хиггса и даже невозможно. Коллайдер с большой вероятностью фиксирует переход частицы в четыре лептона. Но и тут вероятность составляет всего 0,013%.

В итоге ученые смогли распознать следы нужного бозона и с помощью многочисленных опытов доказать существование. Как и предполагал Питер Х, эта элемент с нулевым спином, область массы-энергии примерно 125 ГэВ. Распадается на пары других составляющих (фотоны, фермионы и прочее) и даёт массу всем остальным частицам.

Открытие, конечно, вызвало шквал сенсаций, но и разочарований, одновременно. Ведь получается, что учёные не смогли выйти дальше границы Стандартной модели, нового витка для изучения и направления науки не появилось. А существующая теория не учитывает некоторые важные моменты: гравитацию, чёрную материю и прочие процессы реальности.

В настоящее время специалисты работают над теорией появления этих явлений и их роли во Вселенной.

После открытия бозона Хиггса учёные вновь возобновили работу над тем, как происходит развитие антивещества до тёмной энергии. А этот элемент является ключевым составляющим этого процесса. Физики надеются, что это открытие станет мостом и будут найдены новые ответы на волнующие вопросы о том как же устроена Вселенная.

Бозон Хиггса простым языком – это частица, которая придаёт всем остальным массу. Благодаря экспериментальному подтверждению в 2012 году учёные подобрались ближе к разгадке создания вселенной.

 

Видео: просто о сложном – что такое бозон Хиггса?

В данном ролике физик Арнольд Дейвер расскажет, как и для чего открыли эту частицу, зачем нужно было строить адронный коллайдер:

Бозон Хиггса — простая английская Википедия, бесплатная энциклопедия

Из простой английской Википедии, бесплатная энциклопедия

Перейти к навигацииПерейти к поиску частица ) — частица в Стандартной модели физики. В 1960-х годах Питер Хиггс был первым, кто предположил, что эта частица может существовать. 14 марта 2013 года ученые ЦЕРНа впервые подтвердили, что нашли частицу бозона Хиггса. ^[5]

Частица Хиггса — одна из 17 частиц Стандартной модели, физической модели, описывающей все известные элементарные частицы. Частица Хиггса — это бозон. Бозоны считаются частицами, ответственными за все физические силы. Другими известными бозонами являются фотон, бозоны W и Z и глюон. Ученые пока не знают, как совместить гравитацию со Стандартной моделью. ^{[6] [7] [8]}

Поле Хиггса является фундаментальным полем, имеющим решающее значение для теории физики элементарных частиц. ^[7] В отличие от других известных полей, таких как электромагнитное поле, поле Хиггса почти везде принимает одно и то же ненулевое значение. Вопрос о существовании поля Хиггса был последней непроверенной частью Стандартной модели физики элементарных частиц и, по мнению некоторых, был «центральной проблемой физики элементарных частиц». ^{[9] [10]}

Бозон Хиггса трудно обнаружить. Бозон Хиггса очень массивен по сравнению с другими частицами, поэтому он не существует очень долго. Обычно вокруг нет бозонов Хиггса, потому что для их создания требуется очень много энергии. ^[7] Большой адронный коллайдер в ЦЕРН был построен в основном по этой причине. Он разгоняет две группы частиц почти до скорости света (движущихся в противоположных направлениях), прежде чем направить их на путь столкновения друг с другом.

Каждое столкновение производит шквал новых частиц, которые обнаруживаются детекторами вокруг точки, где они сталкиваются. Вероятность появления и обнаружения бозона Хиггса по-прежнему очень мала, один к 10 миллиардам. Чтобы найти несколько столкновений с доказательствами существования бозона Хиггса, БАК сталкивает вместе триллионы частиц, а суперкомпьютеры просеивают огромное количество данных.

Бозоны Хиггса подчиняются закону сохранения энергии, согласно которому энергия не создается и не уничтожается, а вместо этого может передаваться или изменять форму. Во-первых, энергия начинается в калибровочном бозоне, взаимодействующем с полем Хиггса. Эта энергия находится в форме кинетической энергии движения. Калибровочный бозон после взаимодействия с полем Хиггса замедляется. Это замедление уменьшает количество кинетической энергии калибровочного бозона. Однако эта энергия не уничтожается. Вместо этого энергия движения переходит в поле и преобразуется в энергию массы, то есть энергию, запасенную в массе. Созданная масса может стать тем, что мы называем бозоном Хиггса. Количество создаваемой массы определяется знаменитым уравнением Эйнштейна E=mc 9.0013 2 , в котором говорится, что масса равна большому количеству энергии (например, 1 кг массы эквивалентен почти 90 квадриллионам джоулей энергии — такое же количество энергии, используемое всем миром примерно за час и квартал 2008 года). Поскольку количество массы-энергии, создаваемой полем Хиггса, равно количеству кинетической энергии, которую калибровочный бозон теряет при замедлении, энергия сохраняется.

Бозоны Хиггса используются в различных научно-фантастических рассказах. Физик Леон Ледерман в 1919 году назвал ее «божественной частицей».93.

Содержимое

• 1 Discovery
• 2 ссылки
  • 2.1 Примечания
• 3 Другие сайты

12 декабря 2011 года две группы на Большом адронном коллайдере, занимающиеся поиском бозона Хиггса, ATLAS и CMS, объявили, что наконец получили результаты, которые могут свидетельствовать о существовании бозона Хиггса; ^[11] Однако они не знали наверняка, правда ли это.

4 июля 2012 года команды Большого адронного коллайдера объявили об открытии частицы, которую они считают бозоном Хиггса. ^[12]

14 марта 2013 года команды провели гораздо больше испытаний и объявили, что теперь они считают новую частицу бозоном Хиггса. ^[5]

1. ↑ ^{1,0 1,1 1,2} О’Луанай, К. (14 марта 2013 г. ). «Новые результаты показывают, что новая частица является бозоном Хиггса». ЦЕРН. Проверено 9 октября 2013 г. .
2. ↑ ^{2.0 2.1} Брайнер, Дж. (14 марта 2013 г.). «Частица подтверждена как бозон Хиггса». Новости NBC . Проверено 14 марта 2013 г. .
3. ↑ АТЛАС; CMS (26 марта 2015 г.). «Комбинированное измерение массы бозона Хиггса в столкновениях ats = 7 и 8 ТэВ с экспериментами ATLAS и CMS». Письма о физическом обзоре . 114 (19): 191803. Архив: 1503.07589. doi: 10.1103/PhysRevLett.114.191803. PMID 26024162.
4. ↑ LHC Рабочая группа по поперечному сечению Хиггса; Диттмайер; Мариотти; Пассарино; Танака; Алехин; Алвалл; Баньяски; Банфи (2012). «Справочник по сечениям бозона бозона LHC: 2. Дифференциальные распределения». Отчет ЦЕРН 2 (таблицы A.1 – A.20) . 1201 : 3084. Архив: 1201.3084. Бибкод: 2012arXiv1201.3084L. doi: 10.5170/CERN-2012-002. S2CID 119287417.
5. ↑ ^{5.0 5.1} «Новые результаты показывают, что частица, обнаруженная в ЦЕРНе, является бозоном Хиггса | Связи со СМИ и прессой». пресс.церн . Проверено 3 ноября 2017 г. .
6. ↑ Онииси П. 2012. «Часто задаваемые вопросы о бозоне Хиггса». Группа Техасского университета ATLAS. Проверено 8 января 2013 г. .
7. ↑ ^{7,0 7,1 7,2} Штрасслер М. 2012 (11 октября 2012 г.). «Часто задаваемые вопросы о Хиггсе 2.0». ProfMattStrassler.com . Проверено 8 января 2013 г. . [В] Почему физики элементарных частиц так заботятся о частице Хиггса?
   [A] Ну, на самом деле, нет. Что их действительно волнует, так это поле Хиггса , потому что оно , поэтому важно. [курсив в оригинале]
8. ↑ Большое лоскутное одеяло. квантовое возбуждение
9. ↑ Хосе Луис Лусио и Арнульфо Сепеда (1987). Труды II Мексиканской школы частиц и полей, Куэрнавака-Морелос, 1986 г. . Всемирная научная. п. 29. ISBN 9971504340 .
10. ↑ Ганион, Доусон, Кейн и Хабер (199). Руководство охотника за Хиггсом (1-е изд.) . стр. 11 (?). ISBN 9780786743186 . {{цитировать книгу}} : CS1 maint: несколько имен: список авторов (ссылка) — цитируется как первое (1990) издание книги Питера Хиггса в его докладе «Моя жизнь как бозон», 2001 г., исх. № 25.
11. ↑ Ринкон, Пол (13 декабря 2011 г.). «БАК: бозон Хиггса, возможно, видели мельком» . Би-би-си. Проверено 13 декабря 2011 г. .
12. ↑ BBC News — Об открытии частиц, подобных бозону Хиггса, заявлено на БАК — Дата обращения 4 июля 2012 г.

Примечания[изменить | изменить источник]

1. ↑ Такие события также происходят другими процессами. Таким образом, для обнаружения необходимо статистически значимое превышение таких событий при определенных энергиях.
2. ↑ В Стандартной модели полная ширина распада бозона Хиггса с массой 126 ГэВ / c ² прогнозируется как 4,21 × 10 ⁻³ ГэВ. ^[4] Средний срок службы определяется выражением τ = ℏ / Γ{\ displaystyle \ tau = \ hbar / \ Gamma}.

• Официальный сайт проекта ATLAS, ведущего исследовательского проекта по бозону Хиггса: atlas .ch
• Бозон Хиггса -Citizendium

Элементарная частица — Простая английская Википедия, свободная энциклопедия

Из простой английской Википедии, бесплатной энциклопедии

Перейти к навигацииПерейти к поиску

Английский язык, используемый в этой статье или разделе , может быть не всем легко понять . Вы можете помочь Википедии, прочитав Wikipedia:Как писать страницы на простом английском, а затем упростив статью. (апрель 2012 г.)

Настоящая статья нужно больше источников для надежности. Пожалуйста, помогите улучшить эту статью, добавив надежные источники. Неисходный материал может быть оспорен или удален. Найти Источники: «Элементарная частица» — News · газеты · Книги · Scholar · JSTOR (May 2020) ( 6 (May 2020) (. )

Стандартная модель элементарных частиц.
1 ГэВ/ с ² = 1,783×10 ^-27 кг. 1 МэВ/ с ² = 1,783×10 ^-30 кг.

В физике элементарная частица или элементарная частица — это частица, которая не состоит из других частиц.

Элементарная частица может принадлежать к одной из двух групп: фермион или бозон. Фермионы являются строительными блоками материи и имеют массу, в то время как бозоны ведут себя как переносчики сил для фермионных взаимодействий, а некоторые из них не имеют массы. ^[1] Стандартная модель — это наиболее общепринятый способ объяснить поведение частиц и силы, влияющие на них. В соответствии с этой моделью элементарные частицы подразделяются на кварки, лептоны и калибровочные бозоны, причем бозон Хиггса имеет особый статус некалибровочного бозона.

Из частиц, составляющих атом, только электрон является элементарной частицей. Протоны и нейтроны состоят из трех кварков, что делает их составными частицами, состоящими из других частиц. Кварки связаны между собой глюонами. В ядре есть бозон-пионные поля, ответственные за сильную ядерную силу, связывающую протоны и нейтроны против электростатического отталкивания между протонами. Такие виртуальные пионы состоят из пар кварк-антикварк, вновь удерживаемых вместе глюонами.

Есть три основных свойства, которые описывают элементарную частицу: «масса», «заряд» и «спин». Каждому свойству присваивается числовое значение. Для массы и заряда число может быть равно нулю. Например, фотон имеет нулевую массу, а нейтрино — нулевой заряд. Эти свойства всегда остаются неизменными для элементарной частицы.

• Масса: Частица имеет массу, если ей требуется энергия для увеличения скорости или ускорения. В таблице справа указана масса каждой элементарной частицы. Значения даны в МэВ/c ² с (произносится как мегаэлектронвольты относительно «с» в квадрате), то есть в единицах энергии относительно квадрата скорости света. Это происходит из специальной теории относительности, которая говорит нам, что энергия равна массе, умноженной на квадрат скорости света. Все частицы с массовой гравитацией. На все частицы действует гравитация, даже на частицы без массы, такие как фотон (см. общую теорию относительности).
• Электрический заряд: Частицы могут иметь положительный заряд, отрицательный или отсутствовать. Если одна частица имеет отрицательный заряд, а другая частица имеет положительный заряд, эти две частицы притягиваются друг к другу. Если обе частицы имеют отрицательный заряд или обе имеют положительный заряд, две частицы отталкиваются друг от друга. На коротких расстояниях эта сила намного сильнее, чем сила гравитации, которая притягивает все частицы друг к другу. Электрон имеет заряд -1. Протон имеет заряд +1. Нейтрон имеет средний заряд 0. Обычные кварки имеют заряд ⅔ или -⅓.
• Спин: Угловой момент или постоянное вращение частицы имеет особое значение, называемое числом вращения. Спин для элементарных частиц равен единице или ½. Свойство вращения частиц означает только наличие углового момента. В действительности частицы не вращаются.

Масса и заряд — это свойства, которые мы наблюдаем в повседневной жизни, потому что гравитация и электричество влияют на то, что люди видят и осязают. Но спин влияет только на мир субатомных частиц, поэтому его нельзя наблюдать напрямую.

Фермионы (названные в честь ученого Энрико Ферми) имеют спиновое число ½ и являются либо кварками, либо лептонами. Существует 12 различных типов фермионов (не считая антиматерии). Каждый тип называется «вкус». Вкусы:

• Кварки : верх, низ, очарование, странность, верх, низ. Кварки делятся на три пары, называемые «поколениями». Первое поколение (вверху и внизу) — самое легкое, а третье (вверху и внизу) — самое тяжелое. Один член каждой пары (вверх, обаяние и верхушка) имеет заряд ⅔. Другой член (нижний, странный и нижний) имеет заряд -1/3.
• Лептоны : электрон, мюон, тау, электронное нейтрино, мюонное нейтрино, тау нейтрино. Нейтрино имеют заряд 0, отсюда и префикс neutr-. Остальные лептоны имеют заряд -1. Каждое нейтрино названо в честь соответствующего исходного лептона: электрона, мюона и тауона.

Считается, что шесть из 12 фермионов существуют вечно: верхний и нижний кварки, электрон и три вида нейтрино (которые постоянно меняют вкус). Остальные фермионы распадаются на . То есть они распадаются на другие частицы через доли секунды после того, как были созданы. Статистика Ферми-Дирака — это теория, описывающая поведение фермионов.

Бозоны , названные в честь индийского физика Сатьендры Натха Боса, имеют спин 1. Хотя большинство бозонов состоят из более чем одной частицы, существует два вида элементарных бозонов:

• Калибровочные бозоны : глюоны, W ⁺ и W ^— бозоны, Z ⁰ бозоны и фотоны. Эти бозоны несут 3 из 4 фундаментальных взаимодействий и имеют число вращения 1;
  • Глюон: Глюоны являются безмассовыми и незаряженными частицами, и они являются переносчиками сильного силового взаимодействия. Они вместе с кварками объединяются, образуя составные частицы, называемые адроны, которые включают протоны и нейтроны.
  • Бозоны W и Z: Бозоны W и Z — это частицы, несущие слабое взаимодействие. Бозон W состоит из частицы материи (W ⁺ ) и частицы антивещества (W ^— ), тогда как бозон Z является собственной античастицей. Бозон W образуется при бета-распаде, но почти сразу же превращается в нейтрино и электрон. Бозоны W и Z были открыты в 1983 году.
  • Фотон: Фотоны — это безмассовые и незаряженные частицы, несущие электромагнитную силу. Фотоны могут иметь определенную частоту, определяющую, какое электромагнитное излучение они представляют. Как и все другие безмассовые частицы, они движутся со скоростью света (300 000 км/с).
• Бозон Хиггса: Физики считают, что массивные частицы имеют массу (то есть они не являются чистыми пучками энергии, как фотоны) из-за взаимодействия Хиггса.

Фотон и глюоны не имеют заряда и являются единственными элементарными частицами, масса которых точно равна 0. Фотон — единственный бозон, который не распадается. Статистика Бозе-Эйнштейна — это теория, описывающая поведение наборов бозонов. В отличие от фермионов, в одном и том же пространстве одновременно может находиться более одного бозона.

Стандартная модель включает в себя все элементарные частицы, описанные выше. Все эти частицы наблюдались в лаборатории.

Стандартная модель не говорит о гравитации. Если гравитация работает так же, как три другие фундаментальные силы, то гравитация переносится гипотетическим бозоном, называемым гравитоном. Гравитон еще предстоит найти, поэтому он не включен в приведенную выше таблицу.

Первым открытым фермионом, о котором мы знаем больше всего, является электрон. Первым открытым бозоном, а также тем, о котором мы знаем больше всего, является фотон. Теория, которая наиболее точно объясняет, как электрон, фотон, электромагнетизм и электромагнитное излучение работают вместе, называется квантовой электродинамикой.

1. ↑
   Сильви Брейбант; Джорджио Джакомелли; Маурицио Спурио (2012). Частицы и фундаментальные взаимодействия: введение в физику элементарных частиц (2-е изд.). Спрингер. стр. 1–3. ISBN 978-94-007-2463-1 .

Все, что вам нужно знать о «частице Бога» — IQS Directory Resource Center

Бозон Хиггса более известен под своим разговорным названием «Частица Бога». это на веру, что он существовал. И хотя название «Частица Бога» может показаться многим знакомым, оно все же далеко не так известно, как массивное устройство, использованное для окончательного доказательства его существования — Большой адронный коллайдер.

Все это может звучать как набор устрашающе звучащего научного жаргона, окружающего классический урок физики в средней школе по квантовой теории поля. Несмотря на то, что Стандартная теория физики элементарных частиц относительно проста, поиск неуловимой недостающей части потребовал самых монументальных инженерных усилий в истории человечества.

Вот краткий курс повышения квалификации и ускоренный курс по нюансам бозона Хиггса:

 

Квантовые поля

Квантовая физика является общепринятым объяснением строения атомов. Он разбивает их на семейства кварков и лептонов, которые содержат электроны, нейтроны и позитроны, что затем объясняет, почему разные элементы ведут себя именно так. Начинаете казаться смутно знакомым?

Этот тип науки о частицах теперь обычно называют стандартной теорией, в значительной степени потому, что он является стандартом для понимания всего, от периодической таблицы до сложных химических процессов, таких как огонь и металлургия.

Наука, стоящая за этим, почти непроницаема, поэтому слово «теория» является скорее данью скромности, чем фактическим заявлением о том, что мы в ней не уверены. За исключением одной неприятной детали…

 

Бозон Хиггса и недостающая материя

Вся эта квантовая физика отлично работала на бумаге и снова и снова доказывала свою эффективность в лаборатории и в реальном мире. Однако это было основано на существовании поля Хиггса, которое, казалось, работало в каждой математической модели, но не могло быть идентифицировано или наблюдаемо каким-либо существующим способом.

Поле Хиггса и компонент его частиц, бозон Хиггса, объясняют, почему некоторые частицы, которые, казалось бы, «не должны» иметь массу, имеют ее, а в более широком смысле — почему любые частицы вообще имеют массу. Вот почему бозон Хиггса стал известен как «частица Бога». Он должен был существовать для того, чтобы вещи работали так, как мы их понимаем, но просто не было возможности наблюдать или измерить его, а это означало, что ученые должны были принять его существование на веру, чтобы их модели работали и для всего, что касалось наука о частицах вообще имеет смысл.

«Бозон» — это, по сути, частица-носитель, что является устрашающим способом сформулировать идею о том, что ничто не имеет массы до тех пор, пока оно не пройдет через поле Хиггса и не присоединится к соответствующему количеству частиц-носителей, которые затем приобретут массу.

Итак, электроны и фотоны, которые вы привыкли видеть нарисованными на доске в школе, представляют собой своего рода теоретическое ничто, пока они не пройдут через поле Хиггса и не свяжутся с бозонами Хиггса. Это умопомрачительная концепция; в нем, по сути, утверждается, что универсальные силы, такие как гравитация и электромагнетизм, на самом деле вещей , а не просто смутное, невидимое взаимодействие двух вещей, которые мы традиционно считаем осязаемыми.

Точно так же, как пилотов учат, что воздух на самом деле является жидкостью, через которую пролетают их самолеты, понимание Стандартной теории с бозонами Хиггса требует визуализации массы (и, более того, гравитации) как своего рода «живого, дышащего существа, так же, как планета Земля и человек, удерживаемый гравитацией на ее поверхности.

 

Seeing the Invisible

На протяжении десятилетий ученые стремились действительно наблюдать за бозоном Хиггса. Идея, дизайн и финансирование Большого адронного коллайдера, наконец, означали, что теоретическая наука может быть применена таким образом, чтобы привести к практическим, «видимым» результатам.

Большой адронный коллайдер (БАК) считается самым большим и сложным сооружением, которое когда-либо строили люди: он имеет более пятнадцати миль подземных туннелей, и на его завершение ушло более десяти лет работы тысяч физиков из десятков стран.

Он обладает ошеломляющей вычислительной мощностью и требует огромного количества энергии для работы. Все это было сделано с единственной целью — столкнуть протоны со скоростью 99,999% скорости света, миллиарды раз в секунду, в надежде, что тысячи отдельных суперкомпьютеров, наблюдающих и измеряющих то, что происходит внутри туннелей, смогут мельком увидеть частицы. Собственная наука Улыбка Моны Лизы, бозон Хиггса.

Все уверены, что он есть, но никто никогда его не видел. Запустив БАК, столкнув протоны и наблюдая за тем, что происходит, ученые практически уверились в том, что они убедительно наблюдали так называемую частицу Бога, хотя и не видели ее.

Вместо этого они увидели поведение и «тени», которые, по сути, подтвердили то, что они давно теоретизировали и назвали бозоном Хиггса, действовавшим в этом насильственном распаде сталкивающихся фотонов.

Несмотря на то, что это открытие считалось революционной новостью в мировом научном сообществе, вокруг него все еще была определенная атмосфера таинственности и звездочки. Подобно тому, как вы наблюдаете чудо перед своими глазами, не видя Бога или ангела, совершающего его, все же требуется определенная доля веры, чтобы понять и объяснить.

Бозон Хиггса — это частица-носитель, которая «существует», пока несет безмассовую материю, придавая ей массу и направление на атомном уровне. Однако, поскольку частица существует только тогда, когда несет в себе частицы, с которыми она связана, ее невозможно «увидеть» в любом традиционном (или даже научном!) смысле этого термина.

Таким образом, столкновение протонов и наблюдение за их распадом дает нам лишь слабые следы распада отдельных частиц на нечто еще меньшее, для чего у нас вообще нет названий.

 

Внутри Большого адронного коллайдера

Гигантская подземная машина с километрами туннелей и тысячами компьютеров очень пугает. Многие ученые предполагали, что настоящее создание бозона Хиггса в этих условиях может мгновенно положить конец Вселенной, потому что поле Хиггса универсально и само по себе находится в постоянном идеальном равновесии.

Создание чего-то наблюдаемого, как они предполагали, означало бы создание частиц с более высокой энергией, которые затем начали бы поглощать все вокруг себя (читай: все во Вселенной), тем самым вызывая мгновенную и всеохватывающую водородную реакцию.

К счастью, этого не произошло, но действия внутри БАК, тем не менее, ошеломляют по размаху и силе. Процесс столкновения протонов требует огромных объемов пространства и энергии, чтобы вызвать нечто, что в конечном счете можно объяснить примерно такой же энергией, как вы щелкаете пальцами, но происходящее в бесконечно малом пространстве.

Именно эта концентрация энергии позволяет ученым создавать совершенно неестественные взаимодействия частиц в контролируемой среде.