Что такое бозон хиггса простыми словами. Как бозон Хиггса выглядел бы в детекторе ATLAS

Элементарная частица бозон Хиггса, названая так на честь британского физика Питера Хиггса, который теоретически предсказал ее существование еще в далеком 1964 году, пожалуй, одна из самых загадочных и удивительных в современной физике. Именно она вызвала множество споров и дискуссий в научном сообществе, а кто-то даже присвоил ей такой необычный эпитет как «частичка Бога». Есть и скептики, утверждающие, что бозон Хиггса не существует и все это не более чем научная мистификация. Что такое бозон Хиггса на самом деле, как он был открыт, какие у него свойства, об этом читайте далее.

Что такое бозон Хиггса: пояснение простым языком

Чтобы объяснить сущность бозона Хиггса максимально просто и понятно не только ученому физику, но и обычному человеку, интересующемуся наукой, необходимо прибегнуть к языку аллегорий и сравнений. Хотя, разумеется, все аллегории и сравнения, которые касаются физики элементарных частиц, не могут быть верными и точными. То же электромагнитное поле или квантовая волна не являются ни полем, ни волной в том смысле, в котором их представляют обычно люди, как и сами атомы отнюдь не являются уменьшенными копиями Солнечной системы, в которой словно планеты вокруг вращаются электроны вокруг атомного ядра. И хотя аллегории и сравнения все же не передают самой сути тех вещей, которые происходят в квантовой физике, они, тем не менее, позволяют приблизиться к пониманию этих вещей.

Интересный факт: в 1993 году министром образования Великобритании даже был объявлен конкурс на самое простое объяснение того, что такое бозон Хиггса. Победителем вышло пояснение, связанное с вечеринкой.

Итак, представьте себе многолюдную вечеринку, тут в помещение входит какая-то знаменитость (например, «рок-звезда») и за ней тут же начинают двигаться гости, все хотят пообщаться со «звездой», при этом сама «рок-звезда» передвигается медленнее, нежели все другие гости. Затем люди собирают в отдельные группы, в которых обсуждают какую-то новость или сплетню, связанную с этой рок-звездой, при этом люди хаотично передвигаются из группы в группу. Как результат, создается впечатление, что люди обсуждают сплетню, тесно окружив знаменитость, но без ее непосредственного участия. Так вот, все люди, участвующие в вечеринке – это поле Хиггса, группы людей являются возмущением поля, а сама знаменитость, из-за которой они образовались и есть бозон Хиггса.

Если эта аллегория Вам не совсем понятна, то вот еще одна: представьте себе гладкий бильярдный стол, на котором находятся шары — элементарные частицы. Шары эти запросто разлетаются в разные стороны и движутся везде без препятствий. А теперь представьте, что бильярдный стол покрыт некой клейкой массой, которая затрудняет движение шаров по нему. Эта клейкая масса – поле Хиггса, масса этого поля равна массе частиц, которые к нему прилипают. Бозон Хиггса же это частица, которая соответствует этому липкому полю. То есть если сильно ударить по бильярдному столу с этой клейкой массой, то небольшое количество этой самой клейкой массы на время образует пузырек, который вскоре опять растечется по столу, так вот, этот пузырек и есть бозон Хиггса.

Открытие бозона Хиггса

Как мы написали вначале, бозон Хиггса сперва был открыт теоретически британским физиком Питером Хиггсом, который предположил, что в процессе механизма спонтанного нарушения электрослабой симметрии в стандартной модели физики элементарных частиц замешана некая еще не известная до того элементарная частичка. Случилось это в 1964 году, сразу после этого начались поиски реального существования этой элементарной частицы, правда, долгие годы они терпели фиаско. Из-за этого некоторые ученные в шутку стали называть бозон Хиггса – «проклятой частичкой» или «частичкой Бога».

И вот, чтобы подтвердить или опровергнуть существования этой загадочной «частички Бога» в 2012 году был построен , представляющий собой гигантский ускоритель элементарных частиц. Опыты на нем экспериментально подтвердили существование бозона Хиггса, а сам первооткрыватель частицы, Питер Хиггс в 2013 году стал лауреатом нобелевской премии по физики за это открытие.

Возвращаясь к нашей аналогии про бильярдный стол, чтобы увидеть бозон Хиггса, физикам необходимо было с должной силой ударить по этой клейкой массе, которая лежит на столе, чтобы получить из нее пузырек, собственно бозон Хиггса. Так вот, ускорители элементарных частиц прошлого ХХ века были не настолько мощными, чтобы обеспечить «удар по столу» должной силы, и только Большой адронный коллайдер, созданный в начале уже нашего ХХІ века, что называется помог физикам «стукнуть по столу» с надлежащей силой и воочию лицезреть «частичку Бога».

Польза 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.

Опасность бозона Хиггса

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 не стоит волноваться, для того, чтобы произошло нечто подобно необходимо построить коллайдер размером со всю нашу планету.

Свойства бозона Хиггса

• Бозон Хиггса, как впрочем и другие элементарные частицы подвержен воздействию .
• 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.

Слово скептикам

Разумеется, есть и скептики, утверждающие, что никакой бозон Хиггса в реальности не существует, и что все это было выдумано учеными с корыстной целью – освоить деньги налогоплательщиков, идущие будто бы для научных исследований элементарных частиц, а на самом деле в карманы определенных людей.

Бозон Хиггса, видео

И в завершение интересное документальное видео про бозон Хиггса.

Но представители религий активно призывают журналистов и ученых не называть бозон Хиггса частицей Бога. Такое прозвище открытой элементарной частицы подразумевает, что тайна творения рано или поздно будет раскрыта научным миром и станет доступна для человеческого разума. А это, по мнению многих религий, является абсолютным заблуждением. Элементарным частицам нельзя присваивать божественные качества, иначе создается впечатление, что наука пытается искусственно создать процесс творения в лаборатории или изучить Бога современными средствами.

Противниками использования термина «частица Бога» стали и философы. Мистическое возвышение естественных наук напоминает древние объяснения загадке творения, которую пытались разгадать древние теологи и философы. Кроме того, назвав элементарную частицу частицей Бога, осуществляется обещание раскрыть все космоса, обнаружить последнюю частицу , после которой открывать больше . Таким образом, результаты философских и теологических изысканий нельзя подменять исследованиями современной физики.

Название «частица Бога» - это не более чем маркетинговая тактика, появившаяся после публикации Леоном Реедерманом своей , посвященной проблеме бозона Хиггса. Книга «Частица Бога» и была опубликована в 1993 году. С тех пор этот « » бозона Хиггса и получил свою популярность. Однако сами физики относятся к этому претенциозному термину иронически и стараются не употреблять его.

Однако, открытие бозона Хиггса чрезвычайно важно для современной науки. Именно , согласно Стандартной модели строения Вселенной, дает науке ключ к разгадке механизма образования массы. Также физики считают, что Большой взрыв, произошедший 13,7 миллиардов лет назад и положивший начало Вселенной, не обошелся без участия этого бозона. Именно сила, порождающая возникновение этой элементарной частицы, дала начало образованию галактик, звезд и планет из изначального . Из всего этого следует, что открыв бозон Хиггса, ученые приблизились к разгадке возникновения Вселенной и получили подтверждение модели ее строения.

Кроме того, в иронического названия «частица Бога» говорят и те трудности, с которыми столкнулись ученые, доказывая существование гипотетической частицы, впервые предсказанной Хиггсом в 1964 году. Для проведения научного эксперимента по получению частицы Бога был построен Большой Андронный коллайдер, стоимостью более 8 миллиардов долларов. Затем в течение нескольких лет не могли наладить его работу. А теперь предстоит доказать, что обнаруженная частица и есть та самая недостающая в Стандартной модели Вселенной.

В конце 2012 года самый авторитетный журнал в научном мире «Science» обнародовал рейтинг, в котором были указаны самые важные открытия этого года. Тогда на первой позиции оказалась так называемая «частица Бога», которая в научном мире именуется бозоном Хоггса.

Такое свое второе название бозон получил совсем не случайно. Дело в том, что современная теория об элементарных частицах говорит, что из-за этого странного элемента все вещества, находящиеся во Вселенной, имеют массу, то есть существуют физически.

Идея существования такой частицы пришла в голову изначально английскому физику Питеру Хиггсу примерно 40 лет назад. До настоящего времени о бозоне Хиггса говорили не больше, чем как о теории, но в 2012 году был создан Большой адронный коллайдер. Тогда стараниями ученых был осуществлен прорыв, в результате опытов они смогли зафиксировать тот самый бозон Хиггса. Такое открытие делает завершенной ту модель в физике, которая описывает взаимодействие всех частиц во Вселенной, сами эти частицы. Исключается только одна частица под название «гравитон», ее существование предполагается, но ее пока не нашли. Обнаружение «частицы Бога» стало последним доказательством верности физической Стандартной модели.

Частица Бога и адронный коллайдер

Строительство адронного коллайдера имело огромное значение в деле исследования и поиска бозона Хиггса. Чтобы его уловить, было потрачено около 5 млрд. долларов. Эксперименты могли и не закончиться успешно, «частица Бога» не была бы найдена, тогда перед учеными появился бы сложный вопрос поиска других моделей, которые бы описывали мир. Однако теория Хиггса была подтверждена. По ней существует поле, которое состоит полностью из бозонов Хиггса. Оно проходит через всю Вселенную, все вещество, содержащееся в ней. Поле из бозонов должно было существовать с самого начала, еще до того, как возник мир. Именно поэтому все частицы обрели массу.

В экспериментах, проходивших в адронном коллайдере (БАК), принимали участие ученые примерно из 100 стран со всего мира. На протяжении нескольких лет эксперименты не прекращались. По теории Хиггса, как только бозон возникает, то тут же распадается на частицы другого плана. Если их зафиксировать, то можно будет сделать анализ их происхождения, узнать, откуда и как это происходит.

Суть БАК в том, что он ускоряет элементарные частицы, и они приобретают скорость, которая приближается к значениям . Так частицы сталкиваются. За этим процессом учение проводят наблюдения. Они делают анализ того, какое излучение появляется после столкновения частиц.

Работы велись, и к середине 2012 года ученые добились такой интенсивности потока частиц, что частота столкновений поднялась до высокого уровня, который позволял по расчетам каждый час образовываться по одному бозону. Это при условии его реального существования. В результате экспериментов, ученым удалось уловить бозон, его масса была измерена. Она составила 125 гигаэлектронвольт.

Дискуссии вокруг «частицы Бога»

Во всем мире известен ученый из Великобритании Стивен Хокинг, он сделал заявление по поводу опытов над бозоном Хиггса. По его мнению, проводить в дальнейшем опыты, которые являются высокоэнергетическими, очень опасно для всей Вселенной . Он выдвинул гипотезу, что из-за «частицы Бога» могут исчезнуть основы мироздания: пространство и время.

Исследователь полагает, что в бозоне Хиггса имеется скрытый потенциал. Если эта частица перейдет в состояние, при котором оно будет нестабильно, вакуум может распасться. Об этом он сделал заметку в начале книги, где были опубликованы лекции, которые были подготовлены самыми ведущими учеными-физиками.

Хокинг предложил концепцию, по которой вакуум может быть двух видов, при этом, у каждого из видов свой уровень энергии. По предположению, вся наша располагается в условиях ложного вакуума. Однако есть и другой вид вакуума, этот вакуум истинный, у которого показатель энергии ниже.

Во время экспериментов, нестабильная «частица Бога» может стать проводником между истинным и ложным вакуумом. Если случится такой пролом в поле, то Вселенная молниеносно перейдет в другое физическое состояние.

Однако сейчас нет серьезных поводов для беспокойства. Чтобы довести частицу до состояния нестабильности, нужно очень много энергии. Чтобы создать такое ускорение, нужно сконструировать коллайдер, размеры которого будут сравнимы с планетой.

На самом деле, «частица Бога» - это квант хиггсового поля. Эта частица имеет нулевое вакуумное значение. Именно это обстоятельство доказывает то, что при создании бозона в нестабильном состоянии может привести к разрушению равновесия, которые образовалось в процессе формирования Вселенной.

Долгое время остававшаяся неуловимой, так называемая частица Бога, наконец поймана. Бозон Хиггса был недостающей деталью головоломки под названием Стандартная модель. Ученые полагают, что этот бозон отвечает за массу частиц. В частности, специально для поиска бозона Хиггса был построен Большой адронный коллайдер, который справился со своей основной задачей. Но перед учеными возникли новые загадки: один ли на самом деле бозон Хиггса? Кроме того, находка этого бозона никак не объяснила парадоксальное существование темной материи, которое занимает физиков все больше и больше в последнее время.

Физики наконец-то увидели, как элементарная частица, впервые обнаруженная на Большом адронном коллайдере, распадается на два прелестных кварка, экзотических и недолго живущих частицы, которые часто появляются после столкновения высокоэнергетических частиц. Этот неуловимый процесс мы смогли наблюдать только сейчас, впервые за шесть лет после открытия бозона Хиггса. Ученые двух экспериментов БАК, ATLAS и CMS, сообщили о своих результатах одновременно на семинаре, который проходил в ЦЕРНе 28 августа.

Что такое бозон Хиггса ? Несомненно, большинство из вас слышали об этой частице, которая как-то там была открыта и что-то дала ученым.

Однако многие ли разбираются в этом вопросе? Давайте попробуем максимально элементарно и доступно вам это объяснить.

Предисловие

То, что происходит в микромире, весьма трудно воспринимается человеческим разумом. Вы же знаете, что такое электроны? Большинство из вас еще со школьной скамьи представляет их себе, как маленькие шарики, что вращаются вокруг ядра. Протоны и нейтроны? Это тоже шарики, да?

Те, кто когда-то пытался немного разобраться с квантовой механикой, представляет себе элементарные частицы, как облачка. Когда кто-то видит текст "любая элементарная частица одновременно является волной", то в голове тут же возникает образ волны на море или на глади озера, куда был брошен камень.

Если человеку сказать, что частица - это событие в пределах некоторого поля, то тут же представляется какой-то промежуток из воспоминания или будущее событие, а в голове "гудит поле", как трансформаторная будка.

Дело в том, что такие слова, как частица, волна и поле на микроуровне не совсем корректно отражают реальность и представить их себе, сравнивая с обычными природными явлениями - некорректно. Поэтому попытайтесь отсеивать любые визуальные образы, так как они будут неверными и помешают пониманию.

Нужно принимать тот факт, что частицы в принципе не являются чем-то, что можно "пощупать" , но так как мы люди и тактильное познание мира нам свойственно, то придется бороться с собственными инстинктами для понимания вопроса.

Электроны, фотоны или бозон Хиггса не являются одновременно частицей и волной . Они вообще нечто промежуточное и для этого нет подходящего слова (оно и не нужно). Человечество знает, как с ними работать, мы умеем проводить расчеты, но подобрать слово, которое бы описало мысленный образ... это проблематично. Дело в том, что эти штуки, которые являются элементарными частицами, в привычном мире невозможно сравнить хоть с чем-то. Это совершенно иной мир. Микромир.

Что искали и нашли на 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%.

В дело вступили детекторы ATLAS и CMS

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.

Часть чего-то большего

Вдруг ошибка? Да, таким вопросом исследователи задались тоже. Поэтому, чтобы подтвердить открытие, было проведено много и очень много повторных экспериментов.