Что такое Бозон Хиггса? Открытие «частицы Бога» в большом адронном коллайдере

Бозон Хиггса – это элементарная частица, которая была предсказана теоретически еще в 1964 году. Элементарный бозон, возникающий вследствие механизма спонтанного нарушения электрослабой симметрии.

Разберемся подробнее и постарается ответить простыми словами, что же представляет собой бозон Хиггса и что такое Поле Хиггса? Почему бозон Хиггса называют «частицей Бога» и почему это открытие так важно для науки?

Для того, чтобы понять, что такое бозон Хиггса, нам придется обратиться к одной из самых известных теорий, описывающих то, как работает космос: Стандартной модели.

Эта модель пришла к нам в виде физических частиц, полей, которое физики постепенно заполняли строительными блоками по мере исследования Вселенной. Это происходило на протяжении веков и люди достигли существенного прогресса. Сначала мы обнаружили атомы, потом протоны, нейтроны и электроны, и наконец — кварки и лептоны (о них подробнее позже).

Да, можно смести все эти фигуры с доски и сдаться квантовой механике, но физики упорно держатся за Стандартную модель, многие из них ее уже ненавидят и хотят опровержения, которое позволит найти более удобную и красивую теорию о том, как построен мир элементарных частиц. Но пока безуспешно, и открытие бозона Хиггса еще более оттянуло тщательный пересмотр СМ.

Как говорится, ежики плакали и кололись, но продолжали есть кактус. В конце концов, Стандартная модель дает нам глубокое представление о типах материи и сил, более глубокое, чем любая другая физическая теория.

Стандартная модель была разработана в 1970-х годах. Вот вся суть СМ в нескольких предложениях: наша вселенная состоит из 12 различных частиц материи и четырех сил. Среди этих 12 частиц есть шесть кварков и шесть лептонов. Кварки образуют протоны и нейтроны, а члены семьи лептонов включают электрон и электронное нейтрино — его нейтрально заряженный антагонист.

Ученые полагают, что лептоны и кварки являются неделимыми: их нельзя разбить на более мелкие частицы. Наряду с этими частицами, Стандартная модель описывает четыре фундаментальных силы: гравитацию, электромагнитое, сильное и слабое взаимодействие.

Как теория, Стандартная модель работает хорошо, несмотря на ее неспособность вписаться в гравитацию. Благодаря этому, физики предсказали существование определенных частиц до того, как те были обнаружены экспериментально. И вот, на горизонте появился бозон Хиггса. Давайте выясним, как эта частица вписывается в Стандартную модель и Вселенную в целом.

Что такое бозоны и элементарные частицы?

Бозоны — это частицы, которые переносят взаимодействие между другими частицами, таким образом, любое притяжение или отталкивание между частицами происходит за счёт того, что они обмениваются бозонами.

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.

Существует несколько разновидностей бозонов. Так к примеру широко известный фотон является переносчиком электромагнитного взаимодействия, глюон — сильного взаимодействия, а W- и Z-бозоны — слабого взаимодействия.

Согласно современным представлениям бозоны не должны иметь инертной массы, однако, W- и Z-бозоны ею обладают. Для объяснения этого явления британский физик Питер Хиггс постулировал существование некоего поля, получившего впоследствии его имя, из-за взаимодействия с которым W- и Z-бозоны приобретают инертную массу.

Это можно сравнить с пенопластовыми шариками, рассыпанными на поверхности стола, достаточно лёгкого дуновения ветра и их сметёт, а вот если рассыпать их на поверхность воды, то их движение будет замедленно, для W- и Z-бозонов роль воды выполняет поле Хиггса.

Квантами этого поля являются бозоны Хиггса, причём их может быть несколько видов и именно через них происходит взаимодействие поля с W- и Z- бозонами. На основе этого предположения были разработаны различные модели, описывающий этот бозон, но ни одна из них не могла предсказать его энергию.

В связи с этим поиски бозона Хиггса очень затянулись, учёным пришлось буквально перебирать все возможные варианты. Параллельно развивались модели без бозона Хиггса и между сторонниками двух подходов шли жаркие споры. Наконец в 2012 году на Большом Адронном Коллайдере был обнаружен первый кандидат в бозоны Хиггса с энергией 126 ГэВ, а в 2013 появились сообщения подтверждающие, что это действительно бозон Хиггса.

В 2015 году было заявлено о свидетельствах существования ещё двух видов бозона Хиггса с энергиями в 700 ГэВ и в районе 250-450 ГэВ. Американский физик Леон Макс Ледерман в своей книге назвал бозон Хиггса «goddamn particle» — проклятая или чёртова частица, но редактору это название не понравилось и в окончательной версии книги бозон Хиггса назвали «частицей Бога», и это название закрепилось за ним в массовом сознании.

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.

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.

Открытие бозона Хиггса в Большом Адронном Коллайдере (БАК)

Есть общепринятая теория того, как устроен мир на мельчайших масштабах и она называется — Стандартная Модель. Согласно этой модели, в нашем мире есть несколько совершенно разных типов вещества, которые регулярно взаимодействуют между собой.

Рассуждая о взаимодействиях, весьма удобно применять такие параметры, как масса, скорость и ускорение, что позволяет называть элементарные частицы чем-то вроде «частиц-переносчиков». Всего выделяют в данной модели 12 таких разновидностей.

11 из 12 частиц Стандартной модели наблюдались ранее. 12-ая частица — бозон, соответствующий полю Хиггса, придает многим остальным частицам массу, ограничивая их скорости движения. С некоторыми же частицами поле Хиггса не взаимодействует вовсе. Например, не оказывает влияния на фотоны и их масса равна нулю.

Теоретически бозон Хиггса предсказали в далеком 1964 году, но вот доказать его существование экспериментально смогли лишь в 2012 году. Все эти годы бозон искали не покладая рук!

До того, как заработал БАК, в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) был электрон-позитронный коллайдер, в Иллинойсе был Теватрон, но этих мощностей было недостаточно, чтобы провести необходимые эксперименты. Хотя, эксперименты все же давали определенные результаты.

Бозон Хиггса — тяжелая частица и обнаружить его крайне непросто. Суть эксперимента очень проста, но вот реализация с последующей интерпретацией результатов — настоящая проблема.

Итак, берут два протона и разгоняются до околосветовой скорости. В какой-то момент времени их сталкивают «лоб в лоб». Протоны «в шоке» от такого удара начинают рассыпаться на вторичные частицы. В ходе этого процесса и пытались зафиксировать бозон Хиггса.

Усложняет эксперимент тот факт, что существование бозона можно подтвердить лишь косвенно. Период существования бозон Хиггса критически мал, как и расстояние между точками возникновения и исчезновения. Измерить этот промежуток времени и расстояние — невозможно, но! Бозон Хиггса не исчезает бесследно и его кратковременное пребывание доказывается за счет «продуктов распада».

Это все равно, что искать иглу в стоге сена. Нет, в огромном стоге сена. Нет, в тысячах огромных стогов сена! Дело в том, что бозон Хиггса распадается с разной вероятностью на разные комбинации частиц. Например, это могут быть кварк-антикварк, W-бозоны или вообще тау-частицы.

В некоторых случаях распад трудно отличить от распада других частиц, в других случаях вообще не успевают фиксировать происходящее. Как стало известно, детекторы лучше всего фиксируют превращение бозона Хиггса в 4 лептона (фундаментальные частицы), но вероятность такого события составляет лишь 0,013%.

Полгода экспериментов на БАК и миллионы столкновений за одну секунду дали необходимый результат. Ученые зафиксировали те самые 4 лептона (целых пять раз).

Зафиксировать это позволили гигантские детекторы ATLAS и CMS, которые выявили частицу с энергией 125ГэВ (единица измерения в квантовой физике). Именно этот показатель соответствовал теоретическому предсказанию бозона Хиггса.

Вселенная колеблется на грани стабильности?

Спустя несколько месяцев после объявления об открытии физики сообщили о неожиданной находке. Бозон, который они наблюдали в ЦЕРН, похоже, распадался двумя разными способами.

В одном из сценариев частица массой 126,6 ГэВ распадалась на два фотона. В другом случае частица массой 123,5 ГэВ распадалась на четыре лептона.

Некоторые посчитали, что это две разные частицы Хиггса. Другие же решили, что это статистическое совпадение, так как разница между частицами слишком незначительна.

Итак, почему масса частицы имеет значение? Оказывается, передача такой большой массы бозоном Хиггса указывает на то, что вакуум Вселенной может быть нестабилен по своей природе, существуя в постоянном «метастабильном» состоянии.

Многие физики обсуждали вероятность того, что Вселенная долгое время колеблется на грани стабильности. В частности, физики Фрэнк Вильчек и Майкл Тернер, опубликовавшие в 1982 году статью в журнале Nature, предположили неутешительный сценарий: где-нибудь во Вселенной без какого-либо предупреждения может зародиться пузырь истинного вакуума, который будет передвигаться через пространство на скорости света, но прежде чем мы осознаем, что происходит, наши фотоны распадутся. 

Как бы то ни было, открытие бозона Хиггса положило начало новым исследованиям и иному пониманию реальности. Ученые надеются, что это открытие приведет к разработке симметричной или даже суперсимметричной теории, которая расширит Стандартную модель и закроет присутствующие в ней дыры. Это, в свою очередь, поможет выяснить, что же такое темная материя — поле, которое, похоже, более неуловимо, чем поле Хиггса.

Польза которую несет открытие бозона Хиггса

Человеку, далекому от науки вообще и от физики в частности поиски некой элементарной частицы могут показаться бессмысленными, но открытие бозона Хиггса имеет немалое значение для науки. Прежде всего, наши знания о бозоне помогут при расчетах, которые осуществляются в теоретической физике при изучении строения Вселенной.

В частности, физиками было предположено, что бозонами Хиггса заполнено все окружающее нас пространство. При взаимодействии с другими элементарными частицами бозоны сообщают им свою массу и если есть возможность вычислить массу определенных элементарных частиц, то можно рассчитать и массу бозона Хиггса. А если у нас есть масса бозона Хиггса, то с ее помощью идя в обратную сторону, мы также можем рассчитывать массы других элементарных частиц.

Разумеется, все это очень дилетантские рассуждения с точки зрения академической физики, но ведь и журнал наш на то и научно-популярный, чтобы говорить о серьезных научным материях простым и понятным языком.

Угроза эксперементов с бозоном Хиггса (рекомендуем ознакомиться!)

Определения опасения по поводу бозона Хиггса и экспериментов с ним были высказаны британским ученым Стивеном Хокингом.

Согласно Хокингу, бозон Хиггса является крайне не стабильной элементарной частичкой и в результате определенного стечения обстоятельств может привести к распаду вакуума и полному исчезновению таких понятий как пространство и время. Но теоретически, для того, чтобы произошло нечто подобно необходимо построить коллайдер размером со всю нашу планету.

Рекомендуем посмотреть это видео о работе Большого Адронного Коллайдера в ЦЕРНе:

Известные свойства бозона Хиггса Бозон Хиггса, как впрочем и другие элементарные частицы подвержен воздействию гравитации. Бозон Хиггса обладает нулевым спином (моментом импульса элементарных частиц). Бозон Хиггса обладает электрическим и цветным зарядом. Есть 4 основных канала рождения бозона Хиггса: после слияния 2 глюонов (основной), слияние WW- или ZZ-пар, в сопровождении W- или Z-бозона, вместе с топ-кварками. Бозон Хиггса распадается на пару b-кварк-b-антикварк, на 2 фотона, на две пары электрон-позитрон и/или мюон-антимюон или на пару электрон-позитрон и/или мюон-антимюон с парой нейтрино. Исследования продолжаются

Открытие бозона Хиггса можно смело назвать одним из самых важных открытий в нашей недолгой истории. Когда-то давно любознательность наших предков вывела их из Африки и побудила исследовать мир. Сегодня мы знаем о четырех фундаментальных взаимодействиях природы, которые помогают нам понять, как устроен мир в тончайших деталях. 

Исследования продолжаются, и ученые, работающие на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе и других ускорителях частиц, достигают все больших энергий — и даже добились создания капель кварк-глюонной плазмы (сегодня она считается первичным веществом, которым было заполнено все пространство сразу после Большого взрыва).

К 2030 году в Китае планируют построить самый большой и мощный ускоритель частиц, который поможет проводить новые эксперименты на более высоких энергиях. Будем надеяться, что он поможет заглянуть глубже в саму структуру реальности. А пока нам остается только ждать и следить за результатами экспериментов.

источник: