Содержание
Обнаружен долгожданный распад бозона Хиггса
Женева, 28 августа 2018.
Спустя шесть лет после открытия бозона Хиггса, был обнаружен его распад на элементарные частицы, известные как b-кварки. Наблюдение, анонсированное сегодня в ЦЕРН экспериментами ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере (LHC), доказывает гипотезу о том, что всепроникающее квантовое поле Хиггса также дает массу и b-кваркам. Обе коллаборации представили сегодня свои результаты к публикации.
Cобытие-кандидат, зарегистрированное экспериментом ATLAS, демонстрирующее ассоциированное рождение бозона Хиггса (H) и W-бозона с последующим распадом бозона Хиггса на мюон (µ) и нейтрино (v). Рисунок © CMS/ЦЕРН
Стандартная модель физики элементарных частиц предсказывает, что в почти 60% случаев бозон Хиггса распадается на пару b-кварков, которые из шести типов кварков являются наиболее тяжелыми после топ-кварка. Проверка данного предположения имеет решающее значение, поскольку результат либо подтвердит Cтандартную модель, которая основана на идее о том, что поле Хиггса наделяет кварки и другие фундаментальные частицы массой, либо подорвет ее основы и укажет на существование новой физики.
Как показал шестилетний период, прошедший с момента открытия бозона, регистрация этого распада бозона Хиггса является сложной задачей. Причиной тому служит наличие множества других каналов рождения b-кварков в протон-протонных столкновениях, что затрудняет выделение сигнала распада бозона Хиггса из фонового «шума», сопровождающего эти процессы. При этом, менее вероятные каналы распада бозона Хиггса, которые наблюдались во время открытия частицы, такие, как распад на пару фотонов, выделить из фоновых процессов гораздо легче.
Для выделения сигнала использовался метод комплексного анализа данных. Для этого каждая из коллабораций ATLAS и CMS объединили данные первого и второго сеанса на LHC, которые включали столкновения при энергиях 7, 8 и 13 ТэВ. В результате обе коллаборации обнаружили распад бозона Хиггса на пару b-кварков со статистической значимостью, превышающей 5 стандартных отклонений. Кроме того, обе команды измерили интенсивность распада, которая соответствует предсказанию Стандартной модели, в пределах текущей точности измерения.
«Данное наблюдение является важной вехой в исследованиях бозона Хиггса. Оно показывает, что эксперименты ATLAS и CMS достигли глубокого понимания результатов анализа собранных данных и превосходящего ожидания контроля фоновых процессов. ATLAS наблюдал все распады бозона Хиггса на тяжелые кварки и лептоны третьего поколения во всех основных каналах рождения бозона Хиггса», — сказал Карл Якобс, руководитель коллаборации ATLAS.
«С момента первого наблюдения распада бозона Хиггса на τ-лептоны в эксперименте CMS, которое случилось год назад, мы вместе с нашими коллегами из ATLAS наблюдали распад бозона Хиггса на самые тяжелые фермионы: τ-, t-кварки, а теперь и b-кварки. Превосходные возможности LHC и современные методы машинного обучения позволили нам достичь этого результата раньше, чем ожидалось», — заявил руководитель коллаборации CMS Джоэл Батлер.
Ученые Объединенного института ядерных исследований принимают активное участие в экспериментах ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере (LHC).
Свое участие в обоих экспериментах ОИЯИ начал на этапах их предварительных исследований и разработок, став впоследствии одним из основных участников как ATLAS, так и CMS.
При наличии большего количества экспериментальных данных, коллаборации смогут повысить точность этих и других измерений и исследовать распад бозона Хиггса на пары менее тяжелых фермионов — мюонов. Отклонения от предсказаний Стандартной модели, которые могут заметить ученые, изучая эти данные, будут указывать на существование физики за ее пределами.
«Эксперименты с частицей Хиггса, которая считается окном в новую физику, продолжаются. Эти блестящие результаты, полученные досрочно, выводят на первый план наши планы по модернизации LHC с целью существенного увеличения статистики. Сейчас мы можем видеть, что методы анализа дают точность, необходимую для исследования всего физического ландшафта, включая, надеюсь, новую физику, которая до сих пор остается в тени», — отметил директор Лаборатории ЦЕРН по исследованиям и вычислительной технике Экхард Элсен.
Cобытие-кандидат, зарегистрированное экспериментом CMS, демонстрирующее ассоциированное рождение бозона Хиггса (H) и Z-бозона с последующим распадом бозона Хиггса на пару b-кварка (b) и электрон-позитронную пару (e—, e+). Рисунок © CMS/ЦЕРН
Источник: Пресс-релиз ЦЕРН от 28 августа 2018
Больше информации:
Пресс-релиз коллаборации ATLAS, 28 августа 2018
Пресс-релиз коллаборации CMS, 28 августа 2018
Пресс-релиз коллаборации CMS России и стран-участниц ОИЯИ (RDMS), 28 августа 2018
«Observation of H→bb decays and VH production with the ATLAS detector», коллаборация ATLAS
«Observation of Higgs boson decay to bottom quarks», коллаборация CMS
Десять лет с бозоном Хиггса. Почему радость из-за этого открытия постепенно меркнет?
Большой адронный коллайдер
© Loona/Abaca via Reuters
Ровно десять лет назад две группы ученых, работавшие на Большом адронном коллайдере, сообщили долгожданную новость.
Им удалось обнаружить бозон Хиггса — частицу, существование которой было предсказано еще в 1960-х годах, последнее недостающее звено Стандартной модели. На этом открытии закончилась целая глава в физике элементарных частиц. Однако новая так и не началась
Что вообще такое бозон Хиггса?
Живший две с половиной тысячи лет назад грек Демокрит полагал, что все состоит из неделимых элементов — атомов. По-видимому, он был прав. Но то, что мы сегодня называем атомами, на самом деле имеет структуру: ядро и электроны вокруг него. В свою очередь, ядро состоит из протонов и нейтронов, а те — из кварков. У кварков же, насколько известно, структуры нет: они не состоят еще из чего-то.
Точно так же силы природы, например трения или выталкивания, можно вывести из фундаментальных взаимодействий. У трех из четырех этих взаимодействий есть частицы-переносчики (исключение — гравитация, но некоторые физики надеются, что просто плохо искали). Эти частицы, как кварки или электроны, тоже не получается разделить на составляющие, поэтому их называют элементарными.
Элементарные частицы в каком-то роде иллюзорны. Историк науки Дмитрий Баюк предлагает вообразить гребень волны: «Если вы летите на вертолете и смотрите на море, то вам может показаться, что нет разницы между гребешком волны и корабликом. Потом вы можете сделать вывод, что есть гребешки, а есть кораблики. В некий момент вы открываете для себя, что нет никаких корабликов — все это гребешки: просто вода в море есть в разных видах. Тем не менее это одна и та же вода. Когда в ней возникают гребешки, то они воспринимаются нашими органами чувств и ведут себя как что-то твердое. [Точно так же] то, что мы воспринимаем как материальную частицу, — это некое элементарное возбуждение поля». С этой точки зрения нет четкой границы между материей и полем, материей и энергией.
Для понимания устройства Вселенной нужно разобраться, какими свойствами обладают элементарные частицы (и соответствующие им поля) и как они влияют друг на друга. Всего есть 12 частиц материи, столько же античастиц и четыре переносчика взаимодействий: глюон — сильного, фотон — электромагнитного, W- и Z-бозоны — слабого.
Вместе они входят в так называемую Стандартную модель и, расположенные рядом друг с другом, напоминают таблицу Менделеева для — насколько известно — самого глубокого уровня мироздания.
Стандартную модель закончили формулировать в 1970-х годах. В те времена были открыты еще не все входящие в нее частицы, но к началу XXI века осталась всего одна, существование которой не подтвердилось экспериментально, — стоящий особняком бозон Хиггса.
На эту тему
«На базовом уровне до эпохи Стандартной модели в теорию входили безмассовые частицы. Но нам известно, что у частиц масса есть. Чтобы «придать» им ее, можно записать в уравнения массивные члены, но, во-первых, это некрасиво и выглядит искусственно, во-вторых, приводит к внутренним проблемам теории. [Вместо этого] в Стандартной модели был предложен механизм динамического приобретения массы — дополнительное поле, которое взаимодействует с безмассовыми частицами», — объясняет Сергей Шматов из Объединенного института ядерных исследований в Дубне.
Бозон Хиггса — частица этого поля. Найти бозон Хиггса — значит подтвердить наличие постулированного поля и механизм нарушения симметрии между электромагнитными и слабыми взаимодействиями. Фактически с бозоном Хиггса можно описать два взаимодействия — электромагнитное и слабое — как одно, электрослабое. Иначе получилась бы нестыковка: у частицы электромагнитного взаимодействия, фотона, нет массы, у W- и Z-бозонов, переносчиков слабого, она есть. Такой подход — часть большого проекта в физике по объединению всех четырех сил природы, поиску более простой и совершенной теории.
Как открыли бозон Хиггса?
«Вы не можете увидеть бозон Хиггса. Строго говоря, вы даже не можете увидеть его трек в чем-нибудь типа камеры Вильсона. Вы видите вторичные эффекты. Как любят говорить популяризаторы, мы не видим кошку — мы, просыпаясь утром, видим опрокинутую миску с молоком и отпечатки мокрых лап на ковре. По отпечаткам мы можем определить вес кошки, по количеству выпитого молока — размер, ее аппетит, сколько она не ела», — объясняет Дмитрий Баюк.
Чтобы бозон Хиггса возник и его следы можно было засечь, нужно много энергии: это весьма массивная частица. Энергию «закачивают» в пучки других частиц, которые, сталкиваясь, разлетаются на «осколки», а те попадают в детекторы. Среди этих «осколков» могли быть и признаки бозона Хиггса, но десятилетиями об этом не получалось говорить с уверенностью.
Про ускоритель частиц, который позволил бы справиться с этой задачей, физики раздумывали с начала 1980-х годов, а в середине 1990-х Европейская организация по ядерным исследованиям (ЦЕРН) одобрила строительство Большого адронного коллайдера (БАК) — ускорителя, каких еще не было.
БАК представляет собой кольцевой тоннель длиной почти 27 км глубоко под землей на границе Швейцарии и Франции. Внутри установлены тысячи сверхпроводящих магнитов, система охлаждения с жидким гелием и несколько детекторов. Магниты направляют встречные пучки протонов, разогнанных до околосветовой скорости. Первое время на питание установок требовалось 600 ГВт·ч электроэнергии в год — всего в пять раз меньше, чем всей Женеве вместе с окрестностями.
Далее энергопотребление выросло еще сильнее.
На эту тему
Первый пуск состоялся в сентябре 2008-го, а эксперименты начались в конце 2009 года. Данные о столкновениях протонов собирали и проверяли две коллаборации ученых примерно по 3 тыс. человек. В одной из них участвовал Сергей Шматов. «Мы знали, что открытие назревает. Но чтобы быть уверенными, что оно состоялось, сигнал должен значительно возвышаться над фоном. Требование заключалось в том, чтобы вероятность случайной флуктуации этого самого фона, которая может имитировать сигнал, была меньше 10-6. Подобная статистическая значимость достигается по мере накопления данных, и мы видели, что приближаемся к этой отметке», — вспоминает он.
По словам Сергея Шматова, сначала было непонятно, что за частицу нашли они с коллегами, — нужно было исследовать ее свойства. Это заняло около года. Об открытии объявили 4 июля 2012-го, а то, что это именно бозон Хиггса Стандартной модели, стало понятно только во второй половине 2013 года (спустя десять лет нет никаких указаний, что свойства новой частицы отличаются от предсказаний Стандартной модели).
Даже в ЦЕРНе многие удивились, что это удалось сделать так быстро.
Почему физикам мало одного бозона Хиггса?
По оценке Forbes, на обнаружение бозона Хиггса потратили $13,25 млрд. Модернизация и эксплуатация БАК до середины 2030-х годов обойдется еще дороже. Ученые рассчитывали, что прежде неуловимая частица — это только начало. В книге «Уродливая Вселенная» физик-теоретик Сабина Хоссенфельдер писала: «Мои коллеги и я возлагали большие надежды на проект, стоивший миллиарды долларов, — рассчитывали, что он сделает нечто большее, чем просто подтвердит то, в чем никто и не сомневался. Мы обнаружили несколько многообещающих «трещин в фундаменте», убедивших нас, что Большой адронный коллайдер породит также другие, пока неизвестные частицы. Мы ошиблись. Большой адронный коллайдер не увидел ничего, что подкрепило бы наши новоизобретенные законы природы».
Законы, которые упоминает Хоссенфельдер, — надстройки к Стандартной модели. Проблема Стандартной модели заключается в том, что результаты большинства экспериментов с ней согласуются, но в ее рамках невозможно ответить на многие вопросы о мироздании.
Что такое темная материя и темная энергия? Почему материи больше, чем антиматерии? Как связать гравитацию с остальными фундаментальными взаимодействиями? Почему частицы обладают разной массой? Стандартная модель одновременно хороша и плоха.
На эту тему
«Физики искали другие частицы, другие бозоны Хиггса, ведь в ряде теорий за рамками Стандартной модели бозонов Хиггса может быть несколько. Их искали в различных массовых диапазонах, различных каналах, в предположении их различных свойств и ничего не нашли. Также ряд теорий предсказывает существование новых явлений, которые могут быть обнаружены по сигналам, в которых участвует бозон Хиггса. Это могут быть дополнительные частицы, распадающиеся на стандартный бозон Хиггса, если их масса больше, чем масса самого бозона. Либо сам стандартный бозон Хиггса распадается на новые частицы, если масса этих частиц меньше. Постепенно он превратился из объекта изучения в инструмент для поиска новой физики и исследования свойств взаимодействия элементарных частиц», — говорит Сергей Шматов.
Те, кто все еще надеется найти новые частицы, предлагают строить ускорители еще больше и мощнее, чем БАК. Один такой проект — 100-километровый кольцевой коллайдер все под тем же ЦЕРНом. Критики на это говорят, что подобный проект займет десятилетия, обойдется в сумму, сравнимую с годовым ВВП маленькой страны, а главное — не позволит как следует проверить новые теории.
Физик Марвин Маршак, исследующий нейтрино, в комментарии для Science недавно сказал про ученых, которые работают на БАК: «Они приближаются к пустыне и не знают, насколько она велика». Сергей Шматов разделяет эти опасения, но напоминает, что физика частиц не ограничивается экспериментами на коллайдерах: «У нас есть великолепные данные с сигналами из космоса. Чего стоит только открытие гравитационных волн! Но проблема, безусловно, есть, и эту проблему надо будет как-то решать».
Марат Кузаев
Бозон Хиггса — крайне важно и загадочно
Подпишитесь на нашу рассылку ”Контекст”: она поможет вам разобраться в событиях.
Ученые, работающие на Большом адронном коллайдере (БАК), заявили об обнаружении частицы, соответствующей параметрам бозона Хиггса. Это может стать одним из величайших научных открытий XXI века.
В чем же важность этого элемента, на поиски которого физики потратили больше 40 лет?
Эта тема обсуждается на форуме bbcrussian.com
Что такое бозон Хиггса?
Долгие годы эта частица существовала только в умах физиков-теоретиков. Существует устоявшаяся гипотеза о том, как устроена большая часть Вселенной: известны все частицы, формирующие атомы, молекулы и материю, которая нас окружает; также изучены силы, приводящие все это в движение. Эта гипотеза получила название
«Стандартная модель».
Тем не менее, в этой теоретической конструкции существует пробел: в ней не объясняется, каким образом все эти частицы обретают массу. В 1964 году группа из шести ученых, в которую входил физик из Эдинбурга Питер Хиггс, предложила свое объяснение этого процесса, получившее название «механизм Хиггса».
Кое-что о массе
По сути, масса показывает, сколько вещества содержит любой объект — частица, молекула или, скажем, собака. При отсутствии массы все элементарные частицы, формирующие атомы, двигались бы со световой скоростью и не были бы способны сформировать материю во Вселенной, как мы ее представляем.
В соответствии с механизмом Хиггса, Вселенную пронизывает некое поле — поле Хиггса — которое и позволяет частицам обрести массу. Предполагается, что взаимодействие с появляющимися в этом поле бозонами Хиггса и наделяет двигающиеся элементы массой. Этот процесс можно сравнить со снежным полем, по которому не получается быстро идти, поскольку снег налипает на ботинки и мешает идти.
Как искали бозон Хиггса?
Пропустить Подкаст и продолжить чтение.
Подкаст
Что это было?
Мы быстро, просто и понятно объясняем, что случилось, почему это важно и что будет дальше.
эпизоды
Конец истории Подкаст
Стандартная модель не говорит о том, какой массой обладает сам бозон Хиггса. При помощи ускорителей частиц, таких как Большой адронный коллайдер, ученые ищут эту частицу среди различных элементов, в которых она может находиться. Происходит это путем наблюдения за столкновениями субатомных частиц — протонов — на скоростях, приближающихся к скорости света. Эти столкновения порождают множество более мелких частиц, которые могут быть выделены только таким путем.
Сам бозон Хиггса в чистом виде, возможно, никогда нельзя будет наблюдать, однако ученые не оставляли попыток отыскать его мимолетные проявления в потоке частиц после столкновений в коллайдере. Если он ведет себя так, как предполагают физики, он должен распадаться на более мелкие составляющие, формирующие шлейф, доказывающий его существование.
Большой адронный коллайдер — не первое сооружение, которое используют для охоты за бозоном.
Там же, в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН), с 1989 по 2000 годы работал другой ускоритель — Большой электрон-позитронный коллайдер.
В США для этих же целей использовался кольцевой ускоритель «Теватрон», но его работа была прекращена в 2011 году. 2 июня 2012 года работавшие на нем ученые опубликовали доклад, выводы которого схожи с открытиями специалистов, проводившими эксперименты на БАК.
Когда мы узнаем, что бозон Хиггса найден?
Ученые, изучающие элементарные частицы, в большинстве своем довольно консервативны, когда речь заходит о том, чтобы на весь мир заявить о важном открытии.
Если подбросить монету десять раз и восемь раз выпадет «орел», можно сделать вывод, что она каким-то образом заряжена. Но для того чтобы заявить об этом с уверенностью, требующейся в физике для признания открытия, эту монету нужно подбросить сотни раз.
Первым препятствием является выяснение точной массы частицы: судя по всему, ответ на этот вопрос уже близок.
Дальше надо ответить на следующие вопросы: ведет ли себя бозон Хиггса так, как описывается в теории; каким образом он взаимодействует с другими элементами и как распадается на более мелкие частицы.
Фактически это авангард мировой науки, и, возможно, подтверждение всех положений Стандартной модели — вопрос не самого ближайшего будущего.
Что дальше?
Многие физики говорят, что окончательное подтверждение положений теории Хиггса стало бы для них разочарованием. Конечно, масштабные проекты, подобные БАК, реализовывались для получения новых знаний, и доказательство существования частицы в том виде, как это описывалось в гипотезе, стало бы триумфом понимания физических процессов, однако в то же время это не так захватывающе, как опровержение теории.
Если бы бозон Хиггса не был найден, то это стало бы большим сюрпризом, и это могло бы привести к революции в науке.
Тем не менее, даже если бозон Хиггса занимает то место в Стандартной модели, о котором говорит теория, остается много важных вопросов.
Эта теория описывает привычную нам материю, но есть основания полагать, что материя занимает в изучаемой Вселенной лишь 4%. Может статься, что объяснить природу других ее составляющих — темной материи и темной энергии — станет сложнее.
Это как в случае с кубиком Рубика: собираешь одну его сторону — и вдруг понимаешь, что остальные пять сторон находятся в полном беспорядке.
Стандартная модель
Автор фото, BBC World Service
Бозон Хиггса, открытый 10 лет назад, продолжает очаровывать
Художественное изображение бозона Хиггса.
(Изображение предоставлено Тобиасом Рётчем/Future Publishing через Getty Images)
Десять лет назад ликующие физики, работающие над самым мощным в мире научным экспериментом, Большим адронным коллайдером (БАК) в ЦЕРНе, объявили об открытии бозона Хиггса — частицы, которую ученые искали с 1964 года, когда о ее существовании стало известно впервые. предсказано.
«Для физиков элементарных частиц Бозон Хиггса был недостающей частью Стандартной модели», — рассказала Space.
com Виктория Мартин, профессор физики элементарных частиц в Эдинбургском университете в Великобритании. В 2010 году поиск бозона Хиггса был его главным приоритетом. Два ключевых эксперимента БАК — ATLAS (тороидальный аппарат LHC) и CMS (компактный мюонный соленоид) — обнаружили бозон Хиггса всего за два года. начала операций
«Мы не ожидали увидеть бозон Хиггса так быстро», — заявила генеральный директор ЦЕРН Фабиола Джанотти на предварительной пресс-конференции, состоявшейся в четверг (30 июня). По ее словам, именно превосходная вычислительная инфраструктура БАК, примененная к экспериментам, которые работали лучше, чем их проектные спецификации, — свидетельство многолетней напряженной работы, вложенной в создание БАК, — ускорила открытие бозона Хиггса.
Связанные : 10 космических тайн, которые может разгадать Большой адронный коллайдер
Подробнее : Наше первоначальное освещение открытия Хиггса
Тайна массы
Бозон Хиггса изменил мир физики элементарных частиц, открыв двери, которые были захлопнуты до его открытия.
«За последние 10 лет физика элементарных частиц изменилась больше, чем за предыдущие 30 лет», — заявил на мероприятии Джан Джудиче, глава отдела теоретической физики ЦЕРНа.
Бозон Хиггса важен, потому что он несет силу энергетического поля, известного как поле Хиггса, во многом так же, как фотон несет силу электромагнитного поля.
«Поле более фундаментально, чем частицы», сказал Мартин. «Он проникает сквозь пространство и время». Именно взаимодействие между определенными частицами и бозоном Хиггса, представляющим поле Хиггса, придает этим частицам их массу.
«За последние 10 лет физика элементарных частиц изменилась больше, чем за предыдущие 30 лет.»
— Джан Джудиче
Можно представить поле Хиггса как своего рода космическую патоку, которая замедляет одни частицы больше, чем другие. Менее массивные частицы проходят через поле Хиггса относительно легко и поэтому могут разлетаться со скоростью света — подумайте о электронов , имеющих маленькую массу, или фотонов, вообще не имеющих массы.
Для других частиц пробирание через космическую патоку поля Хиггса замедляет их, придавая им большую массу, и поэтому эти частицы являются самыми массивными.
Ученые считают, что, как и эти частицы, — хотя им еще предстоит наблюдать за процессом, — что бозон Хиггса также получает свою массу от взаимодействия с самим собой. А измерения на LHC показали, что бозон Хиггса также имеет большую массу: 125 миллиардов электронвольт, что примерно в 125 раз больше, чем у одного из положительно заряженных протонов в ядре атома. (спасибо Специальная теория относительности Эйнштейна , физики элементарных частиц знают, что масса и энергия взаимозаменяемы, и поэтому относятся к массам с точки зрения их энергии.) Только одна известная науке фундаментальная частица является более массивной.
Открытие бозона Хиггса и измерение его массы было только началом. «Последние 10 лет мы тестировали бозон Хиггса, потому что его открытие — это одно, но Стандартная модель также многое говорит нам о том, как должен вести себя бозон Хиггса», — сказал Мартин.
Прибор ATLAS на Большом адронном коллайдере. (Изображение предоставлено CERN/Claudia Marcelloni/Max Brice)
Экзистенциальный вопрос
Во-первых, квантовый спин бозона Хиггса — или его отсутствие — может дать представление о том, почему наша вселенная вообще существует.
Каждая известная частица имеет квантовый спин, кроме бозона Хиггса. Стандартная модель физики элементарных частиц предсказала эту странность, так что это неудивительно, но ученые, в том числе Мартин и ее исследовательская группа, продолжали попытки измерить спин бозона Хиггса, чтобы проверить Стандартную модель. До сих пор они не нашли никаких доказательств того, что это имеет какой-либо смысл.
Причина, по которой у бозона Хиггса нет спина, в отличие от любой другой известной частицы, заключается в природе поля Хиггса. В отличие от гравитационного и электромагнитного полей, у которых есть очевидные источники, такие как масса объекта или электрический ток, проходящий через магнитные поля, поле Хиггса не имеет источника.
Это просто там, нелокализованная часть космоса, пронизывающая все. Как таковое оно связано с «вакуумом», самой тканью пространства-времени , и поэтому поле разделяет свойства вакуума. Вакуум не имеет квантового спина, а значит, и бозон Хиггса тоже.
Однако вакуум не инертен. Частицы появляются и исчезают благодаря квантовым флуктуациям, повышая уровень энергии вакуума выше его минимально возможного состояния. С энергетическими уровнями дело в том, что объект — будь то человек в гравитационном поле, электрон, вращающийся вокруг ядра атома, или вакуум — всегда предпочитает находиться на минимально возможном энергетическом уровне. Но наша вселенная — нет. Что удерживает Вселенную от того, чтобы поддаться неизбежному стремлению понизить энергетические уровни, так это форма того, что ученые характеризуют как энергетический потенциал поля Хиггса.
График этого энергетического потенциала будет выглядеть как «гора» посередине и две «долины», окруженные «холмами» по бокам.
Энергетический уровень вакуума должен лежать в одной из этих долин, но физики сильно подозревают, что по обеим сторонам этих холмов есть еще более глубокие «долины», представляющие еще более низкие энергетические состояния. И измерение массы бозона Хиггса подтверждает эту идею; частица настолько велика, что предполагает, что поле Хиггса может однажды распасться до более низкого энергетического уровня.
«Бозон Хиггса — это очень точный микроскоп для изучения природы в самых малых масштабах, и в то же время это мощный телескоп для доступа к физике в очень высоких масштабах энергии».
— Fabiola Gianotti
По этой причине физики называют наш вакуум «ложным» вакуумом, потому что он «хочет» распасться до более низкой энергии — «настоящего» вакуума. Долины и холмы энергетического потенциала поля Хиггса удерживают нашу Вселенную в этом ложном вакууме достаточно долго, чтобы сформировались планеты, звезды и галактики.
Однако эоны за эонами времени ложный вакуум по своей природе нестабилен и в конце концов распадется.
Возможно, флуктуации квантовой энергии позволят ложному вакууму взобраться на эти «холмы» и скатиться вниз по склону на другой стороне, или, может быть, странное явление квантового туннелирования позволит ему просверлить «холм», который является энергетическим барьером.
Как бы то ни было, это было бы плохо для Вселенной — распад ложного вакуума распространялся бы наружу волной, движущейся со скоростью света, уничтожая все и заменяя все это истинным вакуумом. Только поле Хиггса сдерживает распад вакуума, поэтому мы должны благодарить поле Хиггса за нашу нынешнюю Вселенную.
Схема одного из протон-протонных столкновений на БАК, в ходе которого бозон Хиггса рассыпался на дочерние частицы. (Изображение предоставлено: CERN/CMS Collaboration/Thomas McCauley/Lucas Taylor)
Еще одна попытка понять вселенную
В дополнение к вращению бозона Хиггса исследователи провели последнее десятилетие, пытаясь определить продолжительность его жизни. Существование бозона Хиггса мимолетно; стандартная модель предсказывает, что бозон Хиггса выживает в течение крошечного промежутка времени, всего 10^–22 секунды, прежде чем разбивает на более субатомные частицы.
Однако этот расчет еще не получил экспериментальной проверки. «Это происходит так быстро, — сказал Мартин.
Физики надеются, что следующая фаза работы БАК, получившая название Run 3 и начинающаяся во вторник (5 июля), послужит долгожданным секундомером.
«Мы надеемся, что косвенным образом сможем измерить, как долго живет бозон Хиггса, — сказал Мартин. «Если мы сможем измерить время жизни, это даст нам больше ограничений на то, какими частицами является бозон Хиггса.0005 распадается на ».
В свою очередь, понимание того, как бозон Хиггса распадается на другие частицы, могло бы выявить скрытые субатомные частицы, новые для науки, возможно, даже включая частицы таинственной темной материи .
Из-за этих последствий Джанотти описал бозон Хиггса как важнейший инструмент для исследования глубочайших тайн физики элементарных частиц. Бозон Хиггса — это очень точный микроскоп для изучения природы в мельчайших масштабах, и в то же время это огромный телескоп для доступа к физике при очень высоких энергиях.
весы, — сказала она.0003
Открытие бозона Хиггса не только позволило физикам вычеркнуть еще одну частицу из списка. Само его существование и его поведение вызывают вопросы о некоторых из самых глубоких областей фундаментальной физики: о структуре материи во Вселенной, о судьбе Вселенной, о том, стабильна ли Вселенная и о том, как элементарные частицы связаны друг с другом.
Истории по теме:
Однако бозон Хиггса продолжает скрывать свои секреты. «Все, что мы видели до сих пор, кажется именно тем, что предсказывала Стандартная модель», — сказал Мартин. «Хотя это интересно, это также немного разочаровывает, потому что мы надеялись, что бозон Хиггса может помочь нам увидеть за пределы Стандартной модели .»
Далеко не нарушая правила и не разрушая физику, выход за пределы Стандартной модели необходим для объяснения явлений, которые не вписываются, таких как темная материя, или открытия дверей в новую физику, таких как суперсимметрия . Вот почему после четырех лет обновлений БАК снова приступает к разгадке тайн бозона Хиггса.
0121 @Spacedotcom и на Facebook .
Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].
Кит Купер — независимый научный журналист и редактор из Соединенного Королевства, имеет степень по физике и астрофизике Манчестерского университета. Он является автором книги «Парадокс контакта: вызов нашим предположениям в поисках внеземного разума» (Bloomsbury Sigma, 2020) и написал статьи по астрономии, космосу, физике и астробиологии для множества журналов и веб-сайтов.
Как бозон Хиггса влияет на повседневную жизнь?
Бозон Хиггса оказывает и будет оказывать влияние на нашу жизнь таким образом, о котором вы, возможно, даже не подозревали. (Изображение предоставлено niallkennedy, CC BY-NC 2.0)
На первый взгляд может показаться, что бозон Хиггса не влияет на повседневную жизнь.
Во всяком случае, не напрямую: это короткоживущая частица, которая не составляет материю, из которой мы сделаны и с которой взаимодействуем, и ее можно наблюдать только в экстремальных условиях, создаваемых в ускорителях частиц.
Тем не менее, его важность заключается, во-первых, в том, чтобы лучше понять мир, а во-вторых, в том, что исследования, связанные с его открытием, оказали и будут продолжать оказывать положительное влияние на общество.
Природа науки
Человеку свойственно любопытство. Это включает в себя любопытство к нашей Вселенной, задавать вопросы о том, как она превратилась в то, что мы знаем сегодня. Цель фундаментальной физики — продолжать находить ответы на эти вопросы.
Человеку свойственно интересоваться нашей вселенной и тем, как она развивалась. (Изображение предоставлено НАСА и Европейским космическим агентством)
Сам по себе бозон Хиггса является частью ответа на вопрос, почему мы и все, с чем взаимодействуем, имеем массу. Бозон Хиггса лежит в основе всей Стандартной модели, как кусочки мозаики, подстегивая наше любопытство и создавая более точную картину Вселенной вокруг нас.
С самого начала человечества любопытство подпитывало развитие науки. Каждое новое открытие основывалось на том, что было известно ранее, постоянно совершенствуя наше понимание Вселенной.
Применение этих научных знаний в различных областях произвело революцию в повседневной жизни. Одним из примеров является открытие электрона Дж. Дж. Томсоном в 189 г.7 – первая экспериментально обнаруженная фундаментальная частица. В нашем технологическом мире трудно представить себе жизнь без возможности манипулировать электронами. Каждый день мы используем электронику для промышленности, связи, развлечений, транспорта, медицины; список можно продолжить. Конечно, после открытия Томсон не знал, насколько электрон произведет революцию в обществе. Спустя более 100 лет мир изменился.
Из-за природы науки мы не знаем, в какой степени открытия, сделанные сейчас, повлияют на наше будущее. Другими словами, это может быть только вопросом времени, когда бозон Хиггса начнет прямо влиять на общество.
Польза для общества от новых технологий
Поиск бозона Хиггса с помощью Большого адронного коллайдера (БАК) раздвинул границы технологий. Для ускорения частиц почти до скорости света требовались чрезвычайно высокие энергии, для точного обнаружения столкновений этих пучков частиц требовались беспрецедентная детализация и точность, а для картографирования и регистрации каждого из миллионов столкновений частиц, производимых за один раз, требовались непревзойденные вычислительные технологии. второй.
Можно сказать, что бозон Хиггса косвенно повлиял на повседневную жизнь, поскольку многие из технологий, разработанных для его обнаружения, теперь используются по всему миру в областях, выходящих далеко за рамки физики элементарных частиц.
Например, изобретение Всемирной паутины в ЦЕРНе было вызвано потребностью физиков элементарных частиц в обмене данными между институтами. Теперь общество ежедневно зависит от Всемирной паутины для общения и работы.
Точно так же в начале 1970-х годов инженеры ЦЕРН внесли свой вклад в развитие технологии сенсорных экранов, пытаясь создать простой интерфейс для использования с одним из ускорителей частиц ЦЕРН. С тех пор сенсорные экраны стали основой повседневной жизни.
Ускорительная технология, используемая при поиске бозона Хиггса, также используется для лечения рака, в адронной терапии и электронной радиотерапии. (Изображение: CNAO)
Еще одна область, получившая пользу от исследований в области физики элементарных частиц, — это здравоохранение. Технология ускорителей используется для лечения рака, в адронной терапии и электронной радиотерапии. Кроме того, в медицинской диагностике используются детекторы физики элементарных частиц, такие как цветной трехмерный рентгеновский сканер, основанный на технологии, разработанной в ЦЕРНе. Ускорители частиц также привели к развитию позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), которая необходима для визуализации и диагностики состояний мозга и сердца.
Детекторная технология также помогла развить аэрокосмический сектор, улучшив исследования даже за пределами нашей планеты.
Экстремальные условия в космосе очень похожи на те, что встречаются в подземных экспериментах по физике элементарных частиц. Это означает, что такие технологии, как радиационный мониторинг, могут применяться в космосе для защиты оборудования и безопасности космонавтов. Технология детектора
, которая помогла обнаружить бозон Хиггса, также продвинула вперед аэрокосмический сектор, улучшив исследования в экстремальных условиях. (Изображение предоставлено IGLUNA)
Вычислительная инфраструктура ЦЕРН также используется для защиты нашей планеты, например, путем мониторинга загрязнения воздуха. Кроме того, ЦЕРН взял на себя обязательство использовать свои технологии и ноу-хау для достижения более устойчивого будущего.
И это не только в области науки и техники. Детекторы физики элементарных частиц даже использовались для защиты нашего культурного наследия, например, для открытия давно утраченной работы великого художника эпохи Возрождения Рафаэля.
Есть и многое другое: на ускорителях частиц, таких как БАК, постоянно разрабатываются новые технологии, несмотря на то, что их основной целью является поиск частиц, подобных бозону Хиггса.
Все они приносят пользу многим различным областям общества и будут только расширяться по мере развития исследований.
Как был открыт бозон Хиггса | Наука
Детектор ATLAS, один из двух экспериментов по обнаружению неуловимого бозона Хиггса в столкновениях частиц на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе, весит целых сто 747 струй и содержит более 1800 миль кабеля.
Клаудия Марчеллони / ЦЕРН
Примечание редактора: 8 октября 2013 года Питер Хиггс и Франсуа Энглер получили Нобелевскую премию по физике за работу над бозоном Хиггса. Ниже наш научный обозреватель Брайан Грин объясняет науку, стоящую за открытием.
Известная история в анналах физики повествует о 5-летнем Альберте Эйнштейне, лежавшем в постели, получившем от отца игрушечный компас. Мальчик был одновременно озадачен и загипнотизирован работой невидимых сил, перенаправляющих стрелку компаса на север всякий раз, когда ее исходное положение нарушалось.
Этот опыт, как позже скажет Эйнштейн, убедил его в том, что в природе существует глубокий скрытый порядок, и побудил его посвятить свою жизнь попыткам раскрыть его.
Хотя этой истории уже более века, загадка, с которой столкнулся молодой Эйнштейн, перекликается с ключевой темой современной физики, важной для самого важного экспериментального достижения в области науки за последние 50 лет: открытия, сделанного год назад. в июле этого года бозона Хиггса.
Поясню.
Наука в целом и физика в частности ищут закономерности. Растяните пружину в два раза и почувствуйте в два раза большее сопротивление. Шаблон. Увеличьте объем, который занимает объект, сохраняя при этом его массу фиксированной, и чем выше он будет плавать в воде. Шаблон. Внимательно наблюдая закономерности, исследователи открывают физические законы, которые можно выразить на языке математических уравнений.
В случае с компасом также очевидна четкая закономерность: переместите его, и стрелка снова укажет на север.
Я могу представить себе молодого Эйнштейна, который думает, что должен существовать общий закон, согласно которому подвешенные металлические иглы толкаются на север. Но такого закона не существует. Когда в области есть магнитное поле, на определенные металлические объекты действует сила, которая выравнивает их вдоль направления поля, каким бы оно ни было. И магнитное поле Земли указывает на север.
Пример простой, но урок глубокий. Образцы природы иногда отражают две взаимосвязанные черты: фундаментальные физические законы и влияние окружающей среды. Это природная версия природы против воспитания. В случае с компасом распутать их не сложно. Манипулируя им с помощью магнита, вы легко приходите к выводу, что ориентация магнита определяет направление стрелки. Но могут быть и другие ситуации, когда влияние окружающей среды настолько распространено и находится за пределами нашей способности манипулировать, что было бы гораздо сложнее распознать их влияние.
Физики рассказывают притчу о рыбах, исследующих законы физики, но настолько привыкших к своему водному миру, что не учитывают его влияние.
Рыбы изо всех сил пытаются объяснить легкое покачивание растений, а также их собственное передвижение. Законы, которые они в конечном итоге находят, сложны и громоздки. Затем у одной блестящей рыбы есть прорыв. Возможно, сложность отражает простые фундаментальные законы, действующие в сложной среде, наполненной вязкой, несжимаемой и всепроникающей жидкостью: океаном. Поначалу проницательную рыбку игнорируют, даже высмеивают. Но постепенно другие тоже понимают, что их окружение, несмотря на его привычность, оказывает значительное влияние на все, что они наблюдают.
Притча ближе к сути, чем мы могли бы подумать? Могут ли быть другие, тонкие, но всепроникающие особенности окружающей среды, которые мы до сих пор не смогли должным образом отразить в своем понимании? Открытие частицы Хиггса на Большом адронном коллайдере в Женеве убедило физиков в однозначном положительном ответе.
Почти полвека назад Питер Хиггс и несколько других физиков пытались понять происхождение основной физической характеристики: массы.
Вы можете думать о массе как о весе объекта или, немного точнее, как о сопротивлении, которое он оказывает изменению его движения. Толкните товарный поезд (или перо), чтобы увеличить его скорость, и сопротивление, которое вы почувствуете, отразится на его массе. На микроскопическом уровне масса грузового поезда создается составляющими его молекулами и атомами, которые сами состоят из элементарных частиц, электронов и кварков. Но откуда берутся массы этих и других элементарных частиц?
Когда физики в 1960-х моделировали поведение этих частиц, используя уравнения, основанные на квантовой физике, они столкнулись с загадкой. Если бы они представили, что все частицы не имеют массы, то каждое слагаемое в уравнениях образует идеально симметричную структуру, подобную вершинам идеальной снежинки. И эта симметрия была не просто математически элегантной. Это объясняло закономерности, очевидные в экспериментальных данных. Но — и вот в чем загадка — физики знали, что частицы имеют массу, и когда они модифицировали уравнения, чтобы учесть этот факт, математическая гармония была нарушена.
Уравнения стали сложными и громоздкими и, что еще хуже, непоследовательными.
Что делать? Вот идея, выдвинутая Хиггсом. Не пихайте массы частиц в глотку красивых уравнений. Вместо этого сохраняйте уравнения чистыми и симметричными, но считайте, что они работают в особой среде. Представьте себе, что все пространство равномерно заполнено невидимой субстанцией — теперь называемой полем Хиггса, — которая притягивает частицы, когда они ускоряются в ней. Надавите на фундаментальную частицу, чтобы увеличить ее скорость, и, согласно Хиггсу, вы почувствуете эту силу сопротивления как сопротивление. С полным основанием вы бы интерпретировали сопротивление как массу частицы. Для умственной опоры представьте мячик для пинг-понга, погруженный в воду. Когда вы толкаете мячик для пинг-понга, он кажется намного массивнее, чем вне воды. Его взаимодействие с водной средой приводит к тому, что он наделяется массой. Так и с частицами, погруженными в поле Хиггса.
В 1964 году Хиггс представил статью в известный физический журнал, в которой математически сформулировал эту идею.
Бумага была отклонена. Не потому, что в нем была техническая ошибка, а потому, что предположение о невидимом чем-то, пронизывающем пространство, взаимодействующем с частицами и обеспечивающем их массу, ну, все это выглядело как куча раздутых домыслов. Редакция журнала сочла его «не имеющим очевидного отношения к физике».
Но Хиггс проявил настойчивость (и его исправленная статья была опубликована позже в том же году в другом журнале), и физики, которые потратили время на изучение предложения, постепенно поняли, что его идея была гениальным ходом, который позволил им получить свой пирог и съесть это тоже. В схеме Хиггса фундаментальные уравнения могут сохранять свою первоначальную форму, потому что грязная работа по определению масс частиц возлагается на окружающую среду.
Хотя меня не было рядом, чтобы стать свидетелем первоначального отклонения предложения Хиггса в 1964 году (ну, я был рядом, но очень редко), я могу засвидетельствовать, что к середине 1980-х оценка изменилась.
Физическое сообщество по большей части полностью разделяло идею существования поля Хиггса, проникающего в пространство. На самом деле, в аспирантуре я изучал то, что известно как Стандартная модель физики элементарных частиц (квантовые уравнения, которые физики собрали для описания частиц материи и доминирующих сил, с помощью которых они влияют друг на друга), профессор представил теорию Хиггса. поле с такой уверенностью, что я долгое время не подозревал, что оно еще должно быть установлено экспериментально. Иногда такое случается в физике. Математические уравнения иногда могут рассказать такую убедительную историю, они могут, казалось бы, так сильно излучать реальность, что закрепляются в просторечии работающих физиков еще до того, как появятся данные, подтверждающие их.
Но только с помощью данных можно установить связь с реальностью. Как мы можем проверить поле Хиггса? Вот тут-то и появляется Большой адронный коллайдер (БАК). Проходя сотни ярдов под Женевой, Швейцария, пересекая французскую границу и обратно, БАК представляет собой круглый туннель длиной почти 17 миль, который служит гоночной трассой для столкновение частиц материи.
БАК окружен примерно 9000 сверхпроводящих магнитов и является домом для полчищ протонов, вращающихся вокруг туннеля в обоих направлениях, которые магниты разгоняют почти до скорости света. На таких скоростях протоны проносятся по туннелю примерно 11 000 раз в секунду и, направляемые магнитами, в мгновение ока совершают миллионы столкновений. Столкновения, в свою очередь, производят брызги частиц, похожие на фейерверки, которые улавливают и регистрируют гигантские детекторы.
Одним из основных мотивов создания БАК, стоимость которого составляет порядка 10 миллиардов долларов и в котором участвуют тысячи ученых из десятков стран, был поиск доказательств существования поля Хиггса. Математика показала, что если идея верна, если мы действительно погружаемся в океан поля Хиггса, то сильные столкновения частиц должны колебать поле подобно тому, как две сталкивающиеся подводные лодки колеблют воду вокруг себя. И время от времени покачивание должно быть как раз таким, чтобы смахнуть крупинку поля — крошечную капельку океана Хиггса, — которая появится как долгожданная частица Хиггса.
Расчеты также показали, что частица Хиггса будет нестабильной, распадаясь на другие частицы за мизерную долю секунды. В водовороте сталкивающихся частиц и вздымающихся облаков твердых частиц ученые, вооруженные мощными компьютерами, будут искать отпечаток Хиггса — образец продуктов распада, определяемый уравнениями.
Ранним утром 4 июля 2012 года я собрался вместе с примерно 20 другими приверженцами в конференц-зале Физического центра Аспена, чтобы посмотреть прямую трансляцию пресс-конференции на объектах Большого адронного коллайдера в Женеве. Примерно за шесть месяцев до этого две независимые группы исследователей, которым было поручено собрать и проанализировать данные БАК, объявили о серьезных доказательствах того, что частица Хиггса была обнаружена. В настоящее время в сообществе физиков ходит слух, что у команд наконец-то появилось достаточно доказательств, чтобы сделать окончательные заявления. В сочетании с тем фактом, что самого Питера Хиггса попросили совершить поездку в Женеву, было достаточно мотивации не ложиться спать после 3 часов ночи, чтобы услышать объявление в прямом эфире.
Мир быстро понял, что доказательство того, что частица Хиггса была обнаружена, было достаточно убедительным, чтобы перешагнуть порог открытия. Теперь, когда частица Хиггса была официально обнаружена, аудитория в Женеве разразилась бурными аплодисментами, как и наша небольшая группа в Аспене, и, несомненно, десятки подобных собраний по всему миру. Питер Хиггс вытер слезу.
С годами ретроспективного взгляда и дополнительными данными, которые только укрепили аргументы в пользу теории бозона Хиггса, я бы резюмировал наиболее важные последствия этого открытия.
Во-первых, мы давно знаем, что в космосе есть невидимые обитатели. Радио и телевизионные волны. Магнитное поле Земли. Гравитационные поля. Но ни один из них не является постоянным. Никто не неизменен. Ни одно из них не присутствует равномерно во всей Вселенной. В этом отношении поле Хиггса принципиально отличается. Мы полагаем, что его значение одинаково на Земле и вблизи Сатурна, в туманностях Ориона, по всей Галактике Андромеды и везде.
Насколько мы можем судить, поле Хиггса неизгладимо отпечатывается на пространственной ткани.
Во-вторых, частица Хиггса представляет собой новую форму материи, появление которой ожидалось многими десятилетиями, но никогда не наблюдалось. В начале 20-го века физики поняли, что у частиц, помимо их массы и электрического заряда, есть третья определяющая характеристика: их вращение. Но, в отличие от детской волчки, вращение частицы — неизменная внутренняя характеристика; он не ускоряется и не замедляется со временем. Электроны и кварки имеют одинаковое значение спина, в то время как спин фотонов — частиц света — в два раза больше, чем у электронов и кварков. Уравнения, описывающие частицу Хиггса, показали, что, в отличие от любых других видов фундаментальных частиц, у нее вообще не должно быть спина. Данные с Большого адронного коллайдера подтвердили это.
Установление существования новой формы материи — редкое достижение, но результат имеет резонанс в другой области: космологии, научном исследовании того, как вся Вселенная возникла и развилась в форму, которую мы сейчас наблюдаем.
В течение многих лет космологи, изучающие теорию Большого Взрыва, зашли в тупик. Они собрали надежное описание того, как Вселенная развивалась за доли секунды после начала, но они не смогли дать никакого представления о том, что вообще заставило пространство начать расширяться. Какая сила могла оказать такое мощное внешнее воздействие? При всем своем успехе теория Большого взрыва не учитывала взрыв.
В 1980-х годах было найдено возможное решение, которое звонит в колокол Хиггса. Если область пространства равномерно заполнена полем, частицы которого не имеют спина, то эйнштейновская теория гравитации (общая теория относительности) показывает, что может возникнуть мощная сила отталкивания — взрыв, и притом большой. Расчеты показали, что реализовать эту идею с самим полем Хиггса трудно; двойная обязанность обеспечения массы частиц и подпитки взрыва оказывается существенным бременем. Но проницательные ученые поняли, что постулируя второе «подобное Хиггсу» поле (обладающее тем же исчезающим спином, но другой массой и взаимодействиями), они могли бы разделить бремя — одно поле для массы, а другое — для отталкивающего толчка — и предложить убедительное объяснение взрыва.
Из-за этого уже более 30 лет физики-теоретики энергично исследуют космологические теории, в которых такие хиггсовские поля играют существенную роль. Были написаны тысячи журнальных статей, развивающих эти идеи, и миллиарды долларов были потрачены на наблюдения в дальнем космосе в поисках и обнаружении косвенных доказательств того, что эти теории точно описывают нашу Вселенную. Таким образом, подтверждение БАК того, что по крайней мере одно такое поле действительно существует, ставит поколение космологических теорий на гораздо более прочную основу.
Наконец, и, возможно, это самое важное, открытие частицы Хиггса — это поразительный триумф математики, способной раскрыть устройство Вселенной. Это история, которая повторялась в физике множество раз, но каждый новый пример все равно волнует. Возможность существования черных дыр возникла в результате математических анализов немецкого физика Карла Шварцшильда; последующие наблюдения доказали, что черные дыры существуют. Космология Большого Взрыва возникла в результате математических анализов Александра Фридмана, а также Жоржа Леметра; последующие наблюдения также подтвердили правильность этого понимания.
Концепция антиматерии впервые возникла в результате математического анализа квантового физика Поля Дирака; последующие опыты показали, что и эта идея верна. Эти примеры дают представление о том, что имел в виду великий физик-математик Юджин Вигнер, когда говорил о «необоснованной эффективности математики в описании физической вселенной». Поле Хиггса возникло в результате математических исследований, направленных на поиск механизма, наделяющего частицы массой. И снова математика прошла с честью.
Я сам физик-теоретик, один из многих, посвятивших себя поиску того, что Эйнштейн назвал «единой теорией» — глубоко скрытых связей между всеми силами природы и материей, о которых мечтал Эйнштейн, спустя много времени после того, как увлекся физикой благодаря таинственным работам компас — открытие бозона Хиггса особенно приятно. Наша работа основана на математике и до сих пор не имела контакта с экспериментальными данными. Мы с нетерпением ждем 2015 года, когда модернизированный и еще более мощный БАК снова будет включен, так как есть шанс, что новые данные докажут, что наши теории движутся в правильном направлении.
Основные вехи будут включать в себя открытие класса ранее невидимых частиц (называемых «суперсимметричными» частицами), которые предсказывают наши уравнения, или намеки на дикую возможность пространственных измерений за пределами трех, которые мы все ощущаем. Еще более захватывающим было бы открытие чего-то совершенно непредвиденного, отправляющего нас всех обратно к школьным доскам.
Многие из нас пытаются взобраться на эти математические горы уже 30 лет, а некоторые даже дольше. Временами нам казалось, что единая теория просто недоступна для понимания, а в других случаях мы действительно блуждаем в темноте. Для нашего поколения очень важно стать свидетелями подтверждения бозона Хиггса, увидеть математические открытия четырехдесятилетней давности, реализованные в виде хлопков и потрескиваний в детекторах БАК. Это напоминает нам о том, что нужно принять близко к сердцу слова нобелевского лауреата Стивена Вайнберга: «Наша ошибка не в том, что мы слишком серьезно относимся к нашим теориям, а в том, что мы относимся к ним недостаточно серьезно.
Всегда трудно понять, что эти числа и уравнения, с которыми мы играем за рабочим столом, имеют какое-то отношение к реальному миру». Иногда эти числа и уравнения обладают сверхъестественной, почти жуткой способностью освещать темные уголки реальности. Когда они это сделают, мы станем намного ближе к пониманию своего места в космосе.
Детектор ATLAS, один из двух экспериментов по обнаружению неуловимого бозона Хиггса в столкновениях частиц на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе, весит целых сто 747 струй и содержит более 1800 миль кабеля.
Клаудия Марчеллони / ЦЕРН
Компактный мюонный соленоид на Большом адронном коллайдере улавливает частицы в действии.
Майкл Хох / ЦЕРН
Вернемся к чертежной доске: физик Питер Хиггс нацарапал свое знаменитое уравнение, описывающее источник массы частицы.
Потребуется полвека, чтобы доказать это.
Стюарт Уоллес / Splash News / Newscom
Команда работает с детектором ATLAS, одним из двух экспериментов по обнаружению неуловимого бозона Хиггса в столкновениях частиц.
Клаудия Марчеллони / ЦЕРН
До установки части детектора CMS находились в уборной ЦЕРНа.
Максимилиан Брайс, Майкл Хох, Джозеф Гобин / ЦЕРН
Магнит в детекторе CMS создает магнитное поле в 100 000 раз сильнее, чем у Земли.
Гобин / ЦЕРН
Крупный план детектора CMS — одного из двух экспериментов по обнаружению сигнатур бозона Хиггса.