Хиггса бозон что это: одно из самых важных открытий в науке — Naked Science

10 лет со дня открытия бозона Хиггса

• Фото 1. П.Хиггс

• Фото 2: Т. Киббле, Дж. Гуралник, Дж. Хаген, Ф. Энглер, Р. Браут. Авторы механизма спонтанного нарушения симметрии вакуума, следствием которого является появление бозона Хиггса.

• Фото 3: Графики из статей коллабораций ATLAS и CMS, свидетельствующих об открытии бозона Хиггса.

• Фото 4: Обложка журнала, где вышли статьи ATLAS и CMS, и обложка одного журналов с заголовком о гигантском научном прорыве.

Понедельник, 04 июля 2022

4 июля 2012 года в ЦЕРН (Женева) экспериментами ATLAS и CMS Большого адронного коллайдера (БАК) было объявлено об открытии новой частицы, которая оказалась бозоном Хиггса Стандартной модели (СМ). Это ознаменовало новую эпоху в фундаментальной физике: завершены почти полувековые поиски, казалось бы, неуловимой частицы, которая была последней в ряду уже давно известных элементарных частиц СМ, сформулированной еще во второй половине 1960-х.

Объявление коллаборациями ATLAS и CMS 4-го июля 2012 г. в ЦЕРН об эпохальном открытии бозона Хиггса не только произвело фурор в мировом физическом сообществе и имело широкий общественный резонанс. Впервые, после почти 50-летних поисков, была, наконец, открыта необычная частица, являющаяся квантом вакуумного поля и обеспечивающая массу всем известным массивным элементарным частицам.

Теория, составляющая сейчас основу Стандартной модели (СМ), была предложена в 1960-х гг. для объединения электромагнитных и слабых взаимодействий, и имела в то время существенную и, казалось бы, нерешаемую проблему. С одной стороны, теоретический принцип локальной калибровочной инвариантности требовал  безмассовости калибровочных векторных бозонов, аналогично фотону, а с другой, экспериментальные данные указывали на то, что они должны иметь огромную массу: в десятки раз превышающую массу протона — самой тяжелой из известных на то время элементарных частиц. Элегантный, но весьма нетривиальный выход предложили Р. Браут, Ф. Энглер, П. Хиггс, а также К. Хаген, Дж. Гуралник и Т. Киббл в 1964 г. Предложенный ими подход получения массы калибровочными векторными бозонами основывался на механизме спонтанного нарушения симметрии, который предложили в физике конденсированного состояния Л.Д. Ландау, В.Л. Гинзбург, Дж. Бардин, Л. Купер, Дж. Шриффер, Н.Н. Боголюбов, и затем разрабатывался в квантовой теории поля Ю. Намбу, Дж. Голдстоуном и Ф. Андерсоном. Вследствие такого механизма при взаимодействии с вакуумным полем электрослабые векторные бозоны приобретали массу, не нарушая основной принцип построения современной калибровочной квантовой теории поля. Другим наблюдаемым следствием механизма спонтанного нарушения при нетривиальном взаимодействии с вакуумом являлось появление необычного скалярного бозона, названного по имени П. Хиггса — одного из авторов предложенной идеи.

Начиная с 1964 г. проводились безуспешные экспериментальные поиски найти бозон Хиггса, непрекращающиеся попытки теоретиков обойтись без него, а также исключительная роль этой частицы в современной физике фундаментальных взаимодействий сделали ее легендарной. Сотни тысяч физиков по всему миру наблюдали по телевидению и интернету объявление в ЦЕРН об открытии бозона Хиггса коллаборациями ATLAS и CMS после полутора лет с начала работы Большого адронного коллайдера (БАК). За теоретическое предсказание бозона Хиггса Ф. Энглер и П. Хиггс были удостоены Нобелевской премии 2013 г.

Бозон Хиггса дал физикам огромное поле для исследований, будучи квантом вакуума, бозон Хиггса может оказаться порталом в еще неизвестный мир за пределами СМ. Изучение свойств бозона Хиггса, поиски его распадов, в частности, на частицы Темной материи, является одним из ключевых направлений исследований на БАК и будущих коллайдерах. Уже 5 июля 2022 г. начинается новый 3 Сеанс БАК, где на увеличенной до 13.6 ТэВ энергии столкновений протонов, будут проводиться новые исследования свойств бозона Хиггса и поиски проявлений Новой физики за пределами СМ.

Сотрудники Отделения физики высоких энергий (ОФВЭ) НИЦ КИ — ПИЯФ принимают активное участие в исследованиях CMS и ATLAS, являясь частью большой международной команды. Физики и инженеры ОФВЭ  внесли и вносят большой вклад как в проектирование, строительство, эксплуатацию и модернизацию этих экспериментальных установок, так и в обработку и анализ экспериментальных данных. 20 сотрудников ОФВЭ являются соавторами открытия бозона Хиггса.

Бозон Хиггса (перевод) / Хабр

Мы, коллектив Quantuz, (пытаемся вступить в сообщество GT) предлагаем наш перевод раздела сайта particleadventure.org, посвященного бозону Хиггса. В данном тексте мы исключили неинформативные картинки (полный вариант см. в оригинале). Материал будет интересен всем интересующимся последними достижениями прикладной физики.

Роль бозона Хиггса

Бозон Хиггса был последней частицей открытой в Стандартной Модели. Это критический компонент теории. Его открытие помогло подтвердить механизм того, как фундаментальные частицы приобретают массу. Эти фундаментальные частицы в Стандартной Модели являются кварками, лептонами и частицами-переносчиками силы.

Теория 1964-го года

В 1964 году шестеро физиков-теоретиков выдвинули гипотезу существования нового поля (подобно электромагнитному), которым заполнено все пространство и решает критическую проблему в нашем понимании вселенной.

Независимо от этого другие физики построили теорию фундаментальных частиц, названную в итоге «Стандартной Моделью», которая обеспечивала феноменальную точность (экспериментальная точность некоторых частей Стандартной Модели достигает 1 к 10 миллиардам. Это равнозначно предсказанию расстояния между Нью-Йорком и Сан-Франциско с точностью около 0.4 мм). Эти усилия оказались тесно взаимосвязаны. Стандартная Модель нуждалась в механизме приобретения частицами массы. Полевую теорию разработали Питер Хиггс, Роберт Браут, Франсуа Энглер, Джералд Гуралник, Карл Хаген и Томас Киббл.

Бозон

Питер Хиггс понял, что по аналогии с другими квантовыми полями должна существовать частица, связанная с этим новым полем. Она должна иметь спин равным нулю и, таким образом, являться бозоном – частицей с целым спином (в отличие от фермионов, у которых спин полуцелый: 1/2, 3/2 и т.д.). И действительно он вскоре стал известен как Бозон Хиггса. Единственным его недостатком было то, что его никто не видел.

Какова масса бозона?

К несчастью, теория, предсказывающая бозон, не уточняла его массу. Прошли годы, пока не стало ясно, что бозон Хиггса должен быть экстремально тяжелым и, скорее всего, за пределами досягаемости для установок, построенных до Большого Адронного Коллайдера (БАК).

Помните, что согласно E=mc², чем больше масса частицы, тем больше энергии надо для ее создания.

В то время, когда БАК начал сбор данных в 2010, эксперименты на других ускорителях показали, что масса бозона Хиггса должна быть больше, чем 115 ГэВ/с2. В ходе опытов на БАК планировалось искать доказательства бозона в интервале масс 115-600 ГэВ/с2 или даже выше, чем 1000 ГэВ/с2.

Каждый год экспериментально удавалось исключать бозоны с бОльшими массами. В 1990 было известно, что искомая масса должна быть больше 25 ГэВ/с2, а в 2003 выяснилось, что больше 115 ГэВ/с2

Столкновения на Большом Адронном Коллайдере могут порождать много чего интересного

Дэннис Оувербай в «Нью-Йорк Таймс» рассказывает про воссоздание условий триллионной доли секунды после Большого Взрыва и говорит:

«…останки [взрыва] в этой части космоса не видны с тех пор, как Вселенная охладилась 14 миллиардов лет назад – весна жизни мимолетна, снова и снова во всех ее возможных вариантах, как если бы Вселенная участвовала в собственной версии фильма «день Сурка»

Одним из таких «останков» может быть бозон Хиггса. Его масса должна быть очень велика, и он должен распадаться менее чем за наносекунду.

Анонс

После половины столетия ожиданий драма стала напряженной. Физики спали у входа в аудиторию, чтобы занять места на семинаре в лаборатории ЦЕРН в Женеве.

За десять тысяч миль отсюда, на другом краю планеты, на престижной международной конференции по физике частиц в Мельбурне сотни ученых со всех уголков земного шара собрались, чтобы услышать вещание семинара из Женевы.

Но сперва давайте взглянем на предпосылки.

Фейерверк 4 июля

4-го июля 2012 руководители экспериментов ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере представили их последние результаты поиска бозона Хиггса. Ходили слухи, что они собираются сообщить больше, чем просто отчет о результатах, но что?

Конечно же, когда результаты были представлены, обе коллаборации, проводившие эксперименты, отчитались о том, что они нашли доказательство существования частицы «похожей на бозон Хиггса» с массой около 125 ГэВ. Это определенно была частица, и если она не бозон Хиггса, то очень качественная его имитация.

Доказательство не было сомнительным, ученые располагали результатами в пять сигма, означающих, что существует менее одной вероятности на миллион, что данные являются просто статистической ошибкой.

Бозон Хиггса распадается на другие частицы

Бозон Хиггса распадается на другие частицы почти сразу же после того, как будет произведен, так что мы можем наблюдать только продукты его распада. Наиболее распространенные распады (среди тех, которые мы можем увидеть) показаны на рисунке:

Каждый вариант распада бозона Хиггса известен как «канал распада» или «режим распада». Хотя bb-режим является распространенным, многие другие процессы производят подобные частицы, так что если вы наблюдаете bb-распад, очень трудно сказать, появились ли частицы в связи с бозоном Хиггса или как-то еще. Мы говорим, что режим bb-распада имеет «широкий фон».

Лучшими каналами распада для поиска бозона Хиггса являются каналы двух фотонов и двух Z-бозонов.*

*(Технически для 125 ГэВ массы бозона Хиггса распад на два Z-бозона не возможен, так как Z-бозон имеет массу 91 ГэВ, вследствие чего пара имеет массу 182 ГэВ, большую чем 125 ГэВ. Однако то, что мы наблюдаем, является распадом на Z-бозон и виртуальный Z-бозон (Z*), масса которого много меньше.)

Распад бозона Хиггса на Z + Z

Z-бозоны также имеют несколько режимов распада, включая Z → e+ + e- и Z → µ+ + µ-.

Режим распада Z + Z был довольно прост для экспериментов ATLAS и CMS, когда оба Z-бозона распадались в одном из двух режимов (Z → e+ e- или Z → µ+ µ- ). На рисунке четыре наблюдаемых режима распада бозона Хиггса:

Конечный результат состоит в том, что иногда наблюдатель увидит (в дополнение к некоторым несвязанным частицам) четыре мюона, или четыре электрона, или два мюона и два электрона.

Как бозон Хиггса выглядел бы в детекторе ATLAS

В этом событии «джет» (струя) возникла идущей вниз, а бозон Хиггса – вверх, но он почти мгновенно распался. Каждая картинка столкновения называется «событием».

Пример события с возможным распадом бозона Хиггса в виде красивой анимации столкновения двух протонов в Большом адронном коллайдере можно посмотреть на сайте-источнике по этой ссылке.

В этом событии бозон Хиггса может быть произведен, а затем немедленно распадается на два Z-бозона, которые в свою очередь немедленно распадутся (оставив два мюона и два электрона).

Механизм, дающий массу частицам

Открытие бозона Хиггса является невероятным ключом к разгадке механизма того, как фундаментальные частицы приобретают массу, что и утверждали Хиггс, Браут, Энглер, Джералд, Карл и Киббл. Что это за механизм? Это очень сложная математическая теория, но ее главная идея может быть понятна в виде простой аналогии.

Представьте себе пространство, заполненное полем Хиггса, как вечеринку спокойно общающихся между собой физиков с коктейлями …

В какой-то момент входит Питер Хиггс, который создает волнение, двигаясь через комнату и притягивая группу поклонников с каждым шагом…

До того как войти в комнату профессор Хиггс мог двигаться свободно. Но после захода в комнату полную физиков его скорость уменьшилась. Группа поклонников замедлила его движение по комнате; другими словами, он приобрел массу. Это аналогично безмассовой частице, приобретающей массу при взаимодействии с полем Хиггса.

А ведь все что он хотел – это добраться до бара!

(Идея аналогии принадлежит проф. Дэвиду Дж. Миллеру из Университетского колледжа Лондона, который выиграл приз за доступное объяснение бозона Хиггса — © ЦЕРН)

Как бозон Хиггса получает собственную массу?

С другой стороны, в то время новости распространяются по комнате, они также формируют группы людей, но на этот раз исключительно из физиков. Такая группа может медленно перемещаться по комнате. Подобно другим частицам бозон Хиггса приобретает массу просто взаимодействуя с полем Хиггса.

Поиск массы бозоны Хиггса

Как вы найдете массу бозона Хиггса, если он распадается на другие частицы до того, как мы его обнаружим?

Если вы решили собрать велосипед и захотели знать его массу, вам следует складывать массы частей велосипеда: двух колес, рамы, руля, седла и т.д.

Но если вы хотите вычислить массу бозона Хиггса из частиц, на которые он распался, просто складывать массы не получится. Почему же нет?

Сложение масс частиц распада бозона Хиггса не работает, так как эти частицы имеют огромную кинетическую энергию по сравнению с энергией покоя (помним, что для покоящейся частицы E = mc²). Это происходит вследствие того, что масса бозона Хиггса много больше, чем массы конечных продуктов его распада, поэтому оставшаяся энергия куда-то уходит, а именно — в кинетическую энергию возникших после распада частиц. Теория относительности говорит нам использовать равенство ниже для подсчета «инвариантной массы» набора частиц после распада, которая и даст нам массу «родителя», бозона Хиггса:

E²=p²c²+m²c⁴

Поиск массы бозона Хиггса из продуктов его распада

Примечание Quantuz: тут мы немного не уверены в переводе, так как идут специальные термины. Предлагаем сравнить перевод с источником на всякий случай.

Когда мы говорим о распаде типа H → Z + Z* → e+ + e- + µ+ + µ-, то четыре возможные комбинации, показанные выше, могут возникнуть как от распада бозона Хиггса, так и от фоновых процессов, так что нам нужно взглянуть на гистограмму суммарной массы четырех частиц в указанных комбинациях.

Гистограмма масс подразумевает, что мы наблюдаем за огромным количеством событий и отмечаем количество тех событий, когда получается итоговая инвариантная масса. Она выглядит как гистограмма, потому что значения инвариантной массы разделены на столбцы. Высота каждого столбца показывает число событий, в которых инвариантная масса оказывается в соответствующем диапазоне.

Мы можем вообразить, что это результаты распада бозона Хиггса, но это не так.

Данные о бозоне Хиггса из фона

Красные и фиолетовые области гистограммы показывают «фон», в котором число четырехлептонных событий предположительно произойдут без участия бозона Хиггса.

Синяя область (см. анимацию) представляет «сигнальный» прогноз, в котором число четырехлептонных событий предполагают результат распада бозона Хиггса. Сигнал расположен на вершине фона, так как для того, чтобы получить общее прогнозируемое количество событий, вы просто складываете все возможные исходы событий, которые могут произойти.

Черные точки показывают число наблюдаемых событий, в то время как черные линии, проходящие через точки, представляют статистическую неопределенность в этих числах. Рост данных (см. следующий слайд) на уровне 125 ГэВ является признаком новой 125 ГэВ-частицы (бозон Хиггса).

Анимация эволюции данных для бозона Хиггса по мере накопления находится на оригинальном сайте.

Сигнал бозона Хиггса медленно растет над фоном.

Данные бозона Хиггса, распавшегося на два фотона

Распад на два фотона (H → γ+γ) имеет еще более широкий фон, но тем не менее сигнал четко выделяется.

Это гистограмма инвариантной массы для распада бозона Хиггса на два фотона. Как вы можете видеть, фон очень широкий по сравнению с предыдущим графиком. Так происходит потому, что существует гораздо больше процессов производящих два фотона, чем процессов с четырьмя лептонами.

Пунктирная красная линия показывает фон, а жирная красная линия показывает сумму фона и сигнала. Мы видим, что данные хорошо согласуются с новой частицей в районе 125 ГэВ.

Недостатки первых данных

Данные были убедительны, но не совершенны, и имели значительные недостатки. К 4-му июля 2012 не имелось достаточной статистики для определения темпа, с которым частица (бозон Хиггса) распадается на различные наборы менее массивных частиц (т. н. «ветвящиеся пропорции» ), предсказываемые Стандартной Моделью.

«Ветвящаяся пропорция» это просто вероятность того, что частица распадется через данный канал распада. Эти пропорции предсказываются Стандартной Моделью и измерены с помощью многократного наблюдения распадов одних и тех же частиц.

Следующий график показывает лучшие измерения ветвящихся пропорций, которые мы можем сделать по состоянию на 2013 год. Так как это пропорции, предсказанные Стандартной Моделью, ожидание равно 1.0. Точки являются текущими измерениями. Очевидно, что отрезки ошибок (красные линии) в большинстве все еще слишком велики, чтобы делать серьезные выводы. Эти отрезки сокращаются по мере получения новых данных и точки возможно могут перемещаться.

Как же узнать, что человек наблюдает событие–кандидат на бозон Хиггса? Существуют уникальные параметры, которые выделяют такие события.

Является ли частица бозоном Хиггса?

В то время как был обнаружен распад новой частицы, темп, с которым это происходит, к 4 июля все еще был не ясен. Даже было не известно, имеет ли открытая частица правильные квантовые числа – то есть имеет ли она спин и четность, требуемые для бозона Хиггса.

Другими словами, 4 июля частица выглядела как утка, но нам требовалось убедиться, что она плавает как утка и крякает как утка.

Все результаты экспериментов ATLAS и CMS Большого адронного коллайдера (а также коллайдера Тэватрон из Лаборатории Ферми) после 4 июля 2012 показали замечательную согласованность с ожидаемыми ветвящимися пропорциями для пяти режимов распада, обсуждаемых выше, и согласованность с ожидаемым спином (равным нулю) и четностью (равной +1), которые являются основными квантовыми числами.

Эти параметры имеют важное значение для определения того, действительно ли новая частица это бозон Хиггса или какая-то другая неожиданная частица. Так что все имеющиеся доказательства указывают на бозон Хиггса из Стандартной Модели.

Некоторые физики посчитали это разочарованием! Если новая частица это бозон Хиггса из Стандартной Модели, то, значит, Стандартная Модель по сути полностью завершена. Все, что теперь можно делать, так это проводить измерения с возрастающей точностью того, что уже открыто.

Но если новая частица окажется чем-то, непредсказанным Стандартной Моделью, то это откроет дверь множеству новых теорий и идей для проверки. Неожиданные результаты всегда требуют новых объяснений и помогают толкать теоретическую физику вперед.

Откуда во Вселенной появилась масса?

В обычной материи основная часть массы содержится в атомах, а, если быть точным, заключена в ядре, состоящим из протонов и нейтронов.

Протоны и нейтроны сделаны из трех кварков, которые приобретают свою массу, взаимодействуя с полем Хиггса.

НО… массы кварков вносят вклад в размере около 10 МэВ, это примерно 1% от массы протона и нейтрона. Так откуда же берется оставшаяся масса?

Оказывается, масса протона возникает за счет кинетической энергии составляющих его кварков. Как вы, конечно же, знаете, масса и энергия связаны равенством E=mc².

Так что лишь малая часть массы обычной материи во Вселенной принадлежит механизму Хиггса. Однако, как мы увидим в следующем разделе, Вселенная была бы полностью необитаема без хиггсовской массы, и некому было бы открыть хиггсовский механизм!

Если бы не было поля Хиггса?

Если бы не было поля Хиггса, на что была бы похожа Вселенная?

Это не так очевидно.

Определенно, ничего бы не связывало электроны в атомах. Они бы разлетались со скоростью света.

Но кварки связаны сильным взаимодействием и не могут существовать в свободном виде. Некоторые связанные состояния кварков, возможно, сохранились бы, но насчет протонов и нейтронов не ясно.

Вероятно, все это представляло бы собой ядерно-подобную материю. И может быть все это сколлапсировало в результате гравитации.

Факт, в котором мы точно уверены: Вселенная была бы холодной, тёмной и безжизненной.

Так что бозон Хиггса спасает нас от холодной, тёмной, безжизненной Вселенной, где нет людей, чтобы открыть бозон Хиггса.

Является ли бозон Хиггса бозоном из Стандартной Модели?

Мы точно знаем, что частица, которую мы открыли это бозон Хиггса. Нам также известно, что он очень похож на бозон Хиггса из Стандартной Модели. Но существует два момента, которые все еще не доказаны:

1. Несмотря на то, что бозон Хиггса из Стандартной Модели, имеются небольшие расхождения, свидетельствующие о существовании новой физики (неизвестной ныне).

2. Существуют больше чем один бозоны Хиггса, с другими массами. Это также говорит о том, что появятся новые теории для исследования.

Только время и новые данные помогут выявить либо чистоту Стандартной Модели и ее бозона либо новые волнующие физические теории.

Что такое бозон Хиггса? Доказали ли физики, что он действительно существует?

Стивен Рекрофт из группы физики элементарных частиц Северо-восточного университета дает вступительный ответ:

«За последние несколько десятилетий физики элементарных частиц разработали элегантную теоретическую модель (Стандартную модель), которая дает основу для нашего нынешнего понимания фундаментальных частиц и сил природы. Одним из основных компонентов этой модели является гипотетическое вездесущее квантовое поле. предполагается, что оно ответственно за придание частицам их масс (это поле могло бы ответить на основной вопрос, почему частицы имеют такие массы, а точнее, почему они вообще имеют какую-либо массу).Это поле называется полем Хиггса. Вследствие корпускулярно-волнового дуализма все квантовые поля имеют связанную с ними фундаментальную частицу, частицу, связанную с полем Хиггса, называемую бозоном Хиггса.0005

«Поскольку за массу отвечает поле Хиггса, сам факт, что фундаментальные частицы имеют массу, рассматривается многими физиками как указание на существование поля Хиггса. Мы даже можем взять все наши данные по физике элементарных частиц и интерпретировать их. с точки зрения массы гипотетического бозона Хиггса. Другими словами, если мы предположим, что бозон Хиггса существует, мы можем сделать вывод о его массе, основываясь на том влиянии, которое он окажет на свойства других частиц и полей. Однако действительно доказали, что бозон Хиггса существует. Одна из главных целей физики элементарных частиц на следующие пару десятилетий — доказать раз и навсегда существование или несуществование бозона Хиггса».

Другой, более развернутый ответ поступил от Говарда Хабера и Майкла Дайна, профессоров физики Института физики элементарных частиц Санта-Крус Калифорнийского университета в Санта-Круз:

«Большая часть сегодняшних исследований в области физики элементарных частиц сосредоточена на поиске частицы, называемой бозоном Хиггса. Эта частица — единственная недостающая часть нашего нынешнего понимания законов природы, известного как Стандартная модель. Эта модель описывает три типа силы: электромагнитные взаимодействия, вызывающие все явления, связанные с электрическими и магнитными полями и спектром электромагнитного излучения, сильные взаимодействия, связывающие атомные ядра, и слабое ядерное взаимодействие, управляющее бета-распадом — формой естественной радиоактивности — и синтез водорода, источник солнечной энергии (Стандартная модель не описывает четвертую силу, гравитацию). 0005

«В нашей повседневной жизни электромагнетизм является наиболее знакомым из этих взаимодействий. До относительно недавнего времени это было единственное, которое мы хорошо понимали. Однако с 1970-х годов ученые пришли к почти одинаковому пониманию сильных и слабых взаимодействий. За последние несколько лет в экспериментах с высокими энергиями в ЦЕРН, европейской лаборатории физики элементарных частиц, недалеко от Женевы и в Стэнфордском центре линейных ускорителей (SLAC), физики провели точные проверки Стандартной модели. Кажется, она дает полное описание естественного мира до масштабов порядка одной тысячной размера атомного ядра.0005

«Частица Хиггса связана со слабым взаимодействием. Электромагнетизм описывает частицы, взаимодействующие с фотонами, основными единицами электромагнитного поля. Параллельно современная теория слабых взаимодействий описывает частицы (частицы W и Z ) взаимодействуя с электронами,нейтрино,кварками и другими частицами.Во многих отношениях эти частицы похожи на фотоны. Но они также разительно отличаются.Фотон наверное вообще не имеет массы.Из экспериментов мы знаем,что фотон не может быть больше массивнее, чем тысяча миллиардов миллиардов миллиардов миллиардных (10 ^-30 ) масса электрона, и по теоретическим причинам мы считаем, что он имеет ровно нулевую массу. Однако частицы W и Z имеют огромные массы: более чем в 80 раз больше массы протона, одного из компонентов атомного ядра.

«Огромные массы частиц W и Z представляют собой загадку. Если просто постулировать, что эти частицы взаимодействуют с известными элементарными частицами и имеют большую массу, теория несостоятельна. (Например, Стандартная модель будет предсказывают, что вероятность столкновения двух частиц с очень высокими энергиями будет больше единицы, что физически невозможно!) Чтобы решить эту проблему, должны быть дополнительные частицы.Простейшие модели, объясняющие массы W и Z имеют только одну такую ​​частицу: бозон Хиггса. Есть и другие предложения, многие из них более экзотические. Например, может быть несколько бозонов Хиггса, совершенно новые типы сильных взаимодействий и возможная новая фундаментальная физическая симметрия, называемая суперсимметрией.

«Если существует бозон Хиггса, масса которого меньше массы частицы Z , физики обнаружат его в течение следующих двух лет на большом ускорителе в Женеве, известном как LEP (Большой электрон-позитронный коллайдер). LEP ускоряет электроны и их близнецов из антивещества (позитронов) до очень высоких энергий, а затем позволяет им столкнуться. Если бозоны Хиггса имеют большую массу, они могут быть открыты в Национальной ускорительной лаборатории Ферми в Батавии, штат Иллинойс, на рубеже веков. В противном случае мы очень вероятно, что они будут обнаружены на новом ускорителе LHC (Большом адронном коллайдере), запуск которого в ЦЕРН запланирован на 2005 год. Открытие бозона Хиггса было одной из основных задач, запланированных для сверхпроводящего суперколлайдера, который Конгресс США отменил. в 1993.

«В целом, бозон Хиггса является критическим компонентом для завершения нашего текущего понимания Стандартной модели, теоретического здания физики элементарных частиц. Различные типы бозонов Хиггса, если они существуют, могут привести нас к новым областям физики за пределами Стандартной модели. .»

И Крис Куигг, научный сотрудник отдела теоретической физики Национальной ускорительной лаборатории Ферми, представляет подробный обзор:

«Главная задача в физике элементарных частиц сегодня — понять, что отличает электромагнетизм от слабых взаимодействий, которые управляют радиоактивностью и выходной энергией Солнца. Фундаментальные взаимодействия между частицами происходят из симметрий, которые мы наблюдали в природе».0005

«Одним из недавних великих достижений современной физики является квантовая теория поля, в которой слабые и электромагнитные взаимодействия понимаются как возникающие из-за общей симметрии. Эта «электрослабая теория» была подробно подтверждена, особенно экспериментами на коллайдере LEP в ЦЕРН. .Хотя слабое и электромагнитное взаимодействия связаны симметрией, их проявления в повседневном мире весьма различны.Влияние электромагнетизма распространяется на бесконечные расстояния, тогда как влияние слабого взаимодействия ограничивается субъядерными размерами, меньше примерно 10 ^-15 см. Это различие напрямую связано с тем, что фотон, переносчик силы электромагнетизма, не имеет массы, тогда как частицы W и Z , переносчики слабых взаимодействий, примерно в 100 раз превышают массу протона.

«Что скрывает симметрия между слабыми и электромагнитными взаимодействиями? Это вопрос, на который мы надеемся ответить с помощью экспериментов на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРН. Когда БАК будет запущен примерно в 2005 году, он позволит нам изучить столкновения кварков при энергиях, приближающихся к 1 ТэВ, или триллиону (10 ¹²⁾ электронвольт. Тщательное исследование шкалы энергий 1 ТэВ позволит определить механизм, с помощью которого скрывается электрослабая симметрия, и научит нас тому, что делает частицы W и Z массивными.

«Самое простое предположение восходит к теоретической работе британского физика Питера Хиггса и других в 1960-х годах. Согласно этой картине, источником массы является нейтральная частица с нулевым спином, которую мы называем бозоном Хиггса. В сегодняшней версии электрослабой теории , 9Частицы 0019 W и Z и все фундаментальные составляющие — кварки и лептоны — приобретают свои массы за счет взаимодействия с бозоном Хиггса. Но бозон Хиггса остается гипотетическим; это не наблюдалось. Вот почему физики элементарных частиц часто используют поиск бозона Хиггса как сокращение для кампании по изучению агента, который скрывает электрослабую симметрию и наделяет другие частицы массой.

«Если ответ — бозон Хиггса, мы можем сказать достаточно о его свойствах, чтобы вести поиск. К сожалению, электрослабая теория не предсказывает массу бозона Хиггса, хотя аргументы непротиворечивости требуют, чтобы он имел массу менее 1 ТэВ. Уже проведенные экспериментальные исследования говорят нам, что бозон Хиггса должен весить более 60 миллиардов электрон-вольт (ГэВ), или 0,06 ТэВ9. 0005

«Если бозон Хиггса относительно легкий, его можно будет вскоре увидеть в электрон-позитронных аннигиляциях на LEP, образовавшихся вместе с Z . Бозон Хиггса распадется на кварк b и антикварк b . Через несколько лет эксперименты на Тэватроне Фермилаб должны быть в состоянии расширить поиск более высоких масс, ища частицы Хиггса плюс W или Хиггса плюс Z в столкновениях протонов и антипротонов.Если масса Хиггса превышает примерно 130 ГэВ, наша лучшая надежда возлагается на LHC.Важную роль могут сыграть электронно-позитронные коллайдеры более высоких энергий или даже мюонные коллайдеры.

«Наша неспособность предсказать массу бозона Хиггса является одной из причин, по которой многие из нас считают, что эта картина не может рассказать всю историю. Мы ищем расширения электрослабой теории, которые сделают ее более последовательной и предсказательной. Два из них кажутся многообещающими. Оба они подразумевают, что мы найдем богатый урожай новых частиц и новых явлений при высоких энергиях, которые мы только начинаем исследовать в Фермилабе и ЦЕРН. Один подход представляет собой обобщение электрослабой теории, называемой суперсимметрией, которая связывает новые частицы со всеми известными кварками, лептонами и взаимодействующими частицами. Суперсимметрия влечет за собой несколько бозонов Хиггса, и один из которых, вероятно, лежит в энергетическом режиме, который начинает исследовать LEP. В другом подходе, называемом нарушением динамической симметрии, бозон Хиггса не элементарная частица, а композит, свойства которого мы надеемся вычислить, как только поймем его составные части и их взаимодействия.0005

«В течение следующих 15 лет мы должны начать находить реальное понимание происхождения массы. Интерес заключается не только в тайнах ускорительных экспериментов, но пронизывает все в окружающем нас мире: масса — это то, что определяет диапазон сил и устанавливает масштаб всех структур, которые мы видим в природе

«В 1993 году британский министр науки Уильям Уолдегрейв призвал физиков-ядерщиков объяснить на одной странице, что такое бозон Хиггса и почему они так стремятся его найти. Он вручил бутылки шампанского авторам пяти победивших работ на ежегодном собрании Британская ассоциация содействия развитию науки. Статьи, получившие призы, варьируются от серьезных до причудливых. Они были опубликованы в журнале от 19 сентября.93 выпуск Physics World, ежемесячного журнала Британского института физики, и доступны в Интернете.

Чтобы узнать больше о частице Хиггса, ознакомьтесь с электронной книгой Scientific American , Бозон Хиггса: в поисках частицы Бога .

Бозон Хиггса | CMS Experiment

Бозон Хиггса — фундаментальная частица, предсказанная механизмом Браута-Энглерта-Хиггса. Эта теория объясняет, как элементарные частицы приобретают свою массу. Поиск бозона Хиггса — одно из самых увлекательных научных приключений. Это началось около 50 лет назад и десятилетиями считалось невозможным, что является одной из главных причин, по которой был построен БАК.

Необходимость в бозоне Хиггса

Наша Вселенная, кажется, описывается четырьмя фундаментальными силами: гравитацией, электромагнетизмом, слабым взаимодействием (которое регулирует ядерные явления, такие как синтез внутри звезд), и сильным взаимодействием (которое удерживает атомные ядра вместе). Примерно с начала прошлого века физики пытались объединить эти силы в рамках единой всеобъемлющей теории. Крупный прорыв произошел пять десятилетий назад, когда физики поняли, что между слабыми и электромагнитными взаимодействиями существует очень тесная связь. Эти две силы можно описать одной теорией: электричество, магнетизм, свет и некоторые виды радиоактивности — все это проявления одной основной силы, называемой электрослабой силой.

Теория электрослабых взаимодействий и квантовая хромодинамика (теория сильного взаимодействия) составляют основу Стандартной модели. Стандартная модель успешно описывает все известные нам элементарные частицы и то, как они взаимодействуют друг с другом. Но наше понимание Природы неполно. В частности, Стандартная модель в первоначальном виде не могла объяснить одно основное наблюдение: почему большинство элементарных частиц имеют массу. Симметрия, ответственная за электрослабое объединение, требует, чтобы вовлеченные частицы, несущие силу, не имели массы. Фотон, носитель электромагнитной силы, следует этому правилу; однако бозоны W и Z, носители слабого взаимодействия, имеют массу. Массивность бозонов W и Z нарушает фундаментальную электрослабую симметрию. Это также приводит без поправок к бессмысленным предсказаниям — например, к взаимодействиям с вероятностью больше 100%.

Нуждаясь в решении этой проблемы, несколько физиков ^[1] предложили механизм, объясняющий нарушение симметрии. Будучи включенным в уравнения, этот механизм нарушения электрослабой симметрии позволил бы частицам иметь массу. Механизм также объясняет, почему слабые взаимодействия кажутся слабыми при низких энергиях; носители силы массивны, и поэтому сила соответственно короткодействующая. Механизм Браута-Энглера-Хиггса требует существования новой частицы, которую мы теперь называем бозоном Хиггса.

Согласно нашим нынешним представлениям, все частицы были безмассовыми сразу после Большого взрыва. Когда Вселенная остыла и температура упала ниже критического значения, образовалось невидимое поле, называемое «полем Хиггса». это поле преобладает во всем космосе. Частицы, такие как бозоны W и Z, приобретают массу благодаря взаимодействию с этим полем — чем интенсивнее они взаимодействуют, тем тяжелее становятся. Существование поля Браута-Энглера-Хиггса объясняет разницу между безмассовым фотоном и массивным бозоном W и Z, которую мы наблюдаем сегодня в Природе. Другие переносящие силу частицы – фотон и глюон – не взаимодействуют с полем Хиггса и остаются безмассовыми. Бозон Хиггса — это квантовая частица, связанная с полем Хиггса, точно так же, как фотон — это квантовая частица, связанная с электромагнитным полем. Поскольку поле нельзя наблюдать напрямую, эксперименты на LHC ищут его проявление — частицу. Открытие частицы доказывает существование поля.

Охота за частицами

Бозон Хиггса — единственная фундаментальная частица, предсказанная Стандартной моделью, которая еще не наблюдалась в ходе экспериментов на момент запуска БАК. Что касается других частиц, Стандартная модель не предсказывает точную массу бозона Хиггса. Кроме того, вероятность образования бозона Хиггса очень мала, что затрудняет обнаружение частицы. Нам пришлось искать его путем систематического поиска в очень большом диапазоне возможных значений массы. К счастью, в зависимости от массы бозон Хиггса Стандартной модели должен был оставить характерные следы. Эксперимент CMS был построен как детектор общего назначения и для этой цели: быть чувствительным к любой возможной массе бозона Хиггса. Итак, мы знали, что искать, и, исходя из измеренных частиц в детекторе, оценивали их массу. Если бы оказалось, что мы не смогли ее найти, это оставило бы широкое поле для физиков для разработки совершенно новой теории, объясняющей происхождение массы частиц. Бозон Хиггса был в верхней части списка самых разыскиваемых физиков более четырех десятилетий. Однако в самой базовой форме включение поля Хиггса в Стандартную модель не совсем удовлетворительно. Он объясняет, как нарушается симметрия между электромагнитными и слабыми носителями взаимодействия, и объясняет, как носители взаимодействия приобретают свою массу; но он не предсказывает и не объясняет степень взаимодействия с полем и, следовательно, относительные массы этих частиц. Более того, оно не объясняет, почему симметрия нарушается таким образом, и не предсказывает структуру масс кварков и лептонов.

Другие бозоны – выход за пределы Стандартной модели

Мы можем обнаружить, что бозон Хиггса отличается от простейшей версии, предсказываемой Стандартной моделью. Многие теории, описывающие физику за пределами Стандартной модели, такие как модели суперсимметрии и составности, предполагают существование зоопарка новых частиц, включая различные виды бозонов Хиггса. CMS является детектором общего назначения. Это означает, что он разработан не только с учетом конкретных гипотез, но и с целью изучения того, что происходит, когда частицы сталкиваются при высоких энергиях, даже если результаты не такие, как мы ожидаем. Если происходят неожиданные явления, мы ищем их. Кажется, мы видим только видимую верхушку айсберга — под Стандартной моделью должна скрываться более глубокая, более фундаментальная теория, объясняющая то, что мы видим на поверхности.

Ссылки

[1] Ф. Энглерт и Р. Браут , «Нарушенная симметрия и масса калибровочных векторных мезонов», Phys.