Бозона хіггса чи частки бога. Чи є бозон Хіггса бозоном зі Стандартної Моделі? Машини точних вимірювань та відкриттів

Ми, колектив Quantuz, (намагаємося вступити до спільноти GT) пропонуємо наш переклад розділу сайту particleadventure.org, присвяченого бозону Хіггса. У цьому тексті ми виключили неінформативні картинки (повний варіант див. у оригіналі). Матеріал буде цікавий усім, хто цікавиться останніми досягненнями прикладної фізики.

Роль бозона Хіггса

Теорія 1964 року

Незалежно від цього інші фізики побудували теорію фундаментальних частинок, названу в результаті «Стандартною Моделью», яка забезпечувала феноменальну точність (експериментальна точність деяких частин Стандартної Моделі досягає 1 до 10 мільярдів. Це рівнозначно передбаченню відстані між Нью-Йорком і Сан-Франциско 0,4 мм). Ці зусилля виявилися тісно взаємопов'язані. Стандартна модель потребувала механізму придбання частинками маси. Польову теорію розробили Пітер Хіггс, Роберт Браут, Франсуа Енглер, Джералд Гуралнік, Карл Хаген та Томас Кіббл.

Бозон

Яка маса бозону?

Пам'ятайте, що згідно E=mc 2 чим більше маса частинки, тим більше енергії потрібно для її створення.

У той час, коли ВАК розпочав збір даних у 2010, експерименти на інших прискорювачах показали, що маса бозона Хіггса має бути більшою, ніж 115 ГеВ/с2. У ході дослідів на ВАК планувалося шукати докази бозона в інтервалі мас 115-600 ГеВ/с2 і навіть вище, ніж 1000 ГеВ/с2.

Щороку експериментально вдавалося виключати бозони з більшими масами. У 1990 було відомо, що маса, що шукається, повинна бути більше 25 ГеВ/с2, а в 2003 з'ясувалося, що більше 115 ГеВ/с2

Зіткнення на Великому Адронному Колайдері можуть породжувати багато чого цікавого

« …останки [вибуху] у цій частині космосу не видно з тих пір, як Всесвіт охолонув 14 мільярдів років тому – весна життя скороминуща, знову і знову у всіх її можливих варіантах, якби Всесвіт брав участь у власній версії фільму «День Сурока»

Одним із таких «останків» може бути бозон Хіггса. Його маса має бути дуже великою, і він повинен розпадатися менш ніж за наносекунду.

Анонс

За десять тисяч миль звідси, на іншому краю планети, на престижній міжнародній конференції з фізики частинок у Мельбурні сотні вчених з усіх куточків земної кулі зібралися, щоб почути мовлення семінару з Женеви.

Але спершу давайте поглянемо на передумови.

Феєрверк 4 липня

Звичайно ж, коли результати були представлені, обидві колаборації, які проводили експерименти, прозвітували про те, що вони знайшли доказ існування частки «схожої на бозон Хіггса» з масою близько 125 ГеВ. Це безперечно була частка, і якщо вона не бозон Хіггса, то дуже якісна його імітація.

Доказ був сумнівним, вчені мали результатами в п'ять сигма, що означають, що є менше однієї ймовірності на мільйон, що є просто статистичної помилкою.

Бозон Хіггса розпадається на інші частки

Кожен варіант розпаду бозона Хіггса відомий як канал розпаду або режим розпаду. Хоча bb-режим є поширеним, багато інших процесів виробляють подібні частинки, тому якщо ви спостерігаєте bb-розпад, дуже важко сказати, чи з'явилися частинки у зв'язку з бозоном Хіггса або якось ще. Ми говоримо, що режим bb-розпаду має «широке тло».

Найкращими каналами розпаду для пошуку бозона Хіггса є канали двох фотонів та двох Z-бозонів.

*(Технічно для 125 ГеВ маси бозона Хіггса розпад на два Z-бозони не можливий, оскільки Z-бозон має масу 91 ГеВ, внаслідок чого пара має масу 182 ГеВ, більшу ніж 125 ГеВ. Однак те, що ми спостерігаємо, є розпадом на Z-бозон та віртуальний Z-бозон (Z*), маса якого набагато менша.)

Розпад бозона Хіггса на Z+Z

Режим розпаду Z + Z був досить простий для експериментів ATLAS і CMS, коли обидва Z-бозони розпадалися в одному з двох режимів (Z → e+ e- або Z → µ+ µ-). На малюнку чотири режими розпаду бозона Хіггса, що спостерігаються:

Кінцевий результат полягає в тому, що іноді спостерігач побачить (на додаток до деяких незв'язаних частинок) чотири мюони, або чотири електрони, або два мюони і два електрони.

Як бозон Хіггса виглядав би у детекторі ATLAS

Приклад події з можливим розпадом бозона Хіггсау вигляді гарної анімації зіткнення двох протонів у Великому адронному колайдері можна подивитися на сайті-джерелі за цим посиланням.

У цій події бозон Хіггса може бути виготовлений, а потім негайно розпадається на два Z-бозони, які в свою чергу негайно розпадуться (залишивши два мюони і два електрони).

Механізм, що дає масу часткам

Уявіть собі простір, заповнений полем Хіггса, як вечірку фізиків з коктейлями, що спокійно спілкуються між собою…
Якоїсь миті входить Пітер Хіггс, який створює хвилювання, рухаючись через кімнату і притягуючи групу шанувальників з кожним кроком.

До того, як увійти до кімнати професор Хіггс міг рухатися вільно. Але після заходу до кімнати повної фізиків його швидкість зменшилася. Група шанувальників сповільнила його рух кімнатою; іншими словами, він придбав масу. Це аналогічно безмасової частки, що набуває маси при взаємодії з полем Хіггса.

Адже все що він хотів – це дістатися бару!

(Ідея аналогії належить проф. Девіду Дж. Міллеру з Університетського коледжу Лондона, який виграв приз за доступне пояснення бозона Хіггса - © ЦЕРН)

Як бозон Хігса отримує власну масу?

Пошук маси бозони Хіггса

Якщо ви вирішили зібрати велосипед та захотіли знати його масу, вам слід складати маси частин велосипеда: двох коліс, рами, керма, сідла тощо.

Але якщо ви хочете вирахувати масу бозона Хіггса з частинок, на які він розпався, просто складати маси не вдасться. Чому ж ні?

Складання мас частинок розпаду бозона Хіггса не працює, так як ці частинки мають величезну кінетичну енергію в порівнянні з енергією спокою (пам'ятаємо, що для частки, що покоїться, E = mc 2). Це відбувається внаслідок того, що маса бозона Хіггса набагато більша, ніж маси кінцевих продуктів його розпаду, тому енергія, що залишилася, кудись йде, а саме - в кінетичну енергію частинок, що виникли після розпаду. Теорія відносності каже нам використовувати рівність нижче для підрахунку "інваріантної маси" набору частинок після розпаду, яка і дасть нам масу "батька", бозона Хіггса:

E 2 = p 2 c 2 +m 2 c 4

Пошук маси бозона Хіггса із продуктів його розпаду

Коли ми говоримо про розпад типу H → Z + Z * → e+ + e- + µ+ + µ-, чотири можливі комбінації, показані вище, можуть виникнути як від розпаду бозона Хіггса, так і від фонових процесів, так що нам потрібно поглянути на гістограму сумарної маси чотирьох частинок у зазначених комбінаціях.

Гістограма мас має на увазі, що ми спостерігаємо за величезною кількістю подій і відзначаємо кількість тих подій, коли виходить підсумкова інваріантна маса. Вона виглядає як гістограма, тому що значення інваріантної маси поділено на стовпці. Висота кожного стовпця показує кількість подій, у яких інваріантна маса виявляється у відповідному діапазоні.

Ми можемо уявити, що це результати розпаду бозона Хіггса, але це не так.

Дані про бозон Хіггса з фону

Синя область (див. анімацію) є «сигнальним» прогнозом, в якому число чотирилептонних подій припускають результат розпаду бозона Хіггса. Сигнал розташований на вершині фону, тому що для того, щоб отримати загальну прогнозовану кількість подій, ви просто складаєте всі можливі результати подій, які можуть статися.

Чорні точки показують кількість подій, що спостерігаються, в той час як чорні лінії, що проходять через точки, представляють статистичну невизначеність у цих числах. Зростання даних (див. наступний слайд) на рівні 125 ГеВ є ознакою нової 125 ГеВ-частинки (бозон Хіггса).

Анімація еволюції даних для бозона Хіггса в міру накопичення знаходиться на оригінальному сайті.

Сигнал бозона Хіггса повільно росте над тлом.

Дані бозона Хіггса, що розпався на два фотони

Це гістограма інваріантної маси для розпаду бозона Хіггса на два фотони. Як ви можете бачити, фон дуже широкий у порівнянні з попереднім графіком. Так відбувається тому, що існує набагато більше процесів, що виробляють два фотони, ніж процесів з чотирма лептонами.

Пунктирна червона лінія показує тло, а жирна червона лінія показує суму фону та сигналу. Ми бачимо, що дані добре узгоджуються з новою часткою в районі 125 ГеВ.

Недоліки перших даних

«Пропорція, що гілкується» це просто ймовірність того, що частка розпадеться через даний канал розпаду. Ці пропорції передбачаються Стандартною Моделью і виміряні за допомогою багаторазового спостереження розпадів тих самих частинок.

Наступний графік показує кращі вимірювання пропорцій, що гілкуються, які ми можемо зробити станом на 2013 рік. Оскільки це пропорції, передбачені Стандартною Моделью, очікування дорівнює 1.0. Крапки є поточними вимірами. Очевидно, що відрізки помилок (червоні лінії) здебільшого ще дуже великі, щоб робити серйозні висновки. Ці відрізки скорочуються в міру отримання нових даних, і точки можуть переміщатися.

Як дізнатися, що людина спостерігає подія-кандидат на бозон Хіггса? Існують унікальні параметри, що виділяють такі події.

Чи є частка бозоном Хіггса?

Іншими словами, 4 липня частка виглядала як качка, але нам потрібно було переконатися, що вона плаває як качка і крякає як качка.

Всі результати експериментів ATLAS і CMS Великого адронного колайдера (а також колайдера Теватрон з Лабораторії Фермі) після 4 липня 2012 року показали чудову узгодженість з очікуваними розгалуженими пропорціями для п'яти режимів розпаду, обговорюваних вище, і узгодженість з очікуванням +1), які є основними квантовими числами.

Ці параметри мають важливе значення для визначення того, чи справді нова частка це бозон Хіггса або якась інша несподівана частка. Отже, всі наявні докази вказують на бозон Хіггса зі Стандартної Моделі.

Деякі фізики вважали це розчаруванням! Якщо нова частка це бозон Хіггса зі Стандартної Моделі, то, отже, Стандартна Модель по суті повністю завершена. Все, що тепер можна робити, так це проводити вимірювання зі зростаючою точністю того, що вже відкрито.

Але якщо нова частка виявиться чимось, непередбаченим Стандартною Моделью, то це відчинить двері безлічі нових теорій та ідей для перевірки. Несподівані результати завжди вимагають нових пояснень та допомагають штовхати теоретичну фізику вперед.

Звідки у Всесвіті з'явилася маса?

Протони і нейтрони виготовлені з трьох кварків, які набувають своєї маси, взаємодіючи з полем Хіггса.

АЛЕ… маси кварків роблять внесок у розмірі близько 10 МеВ, це приблизно 1% від маси протона та нейтрону. То звідки ж береться маса, що залишилася?

Виявляється, маса протона виникає за рахунок кінетичної енергії складових його кварків. Як ви, звичайно, знаєте, маса і енергія пов'язані рівністю E=mc 2 .

Отже, лише мала частина маси звичайної матерії у Всесвіті належить механізму Хіггса. Однак, як ми побачимо в наступному розділі, Всесвіт був би повністю безлюдний без хіггсівської маси, і нікому було б відкрити хіггсівський механізм!

Якби не було поля Хіггса?

Це не так очевидно.

Безперечно, нічого б не пов'язувало електрони в атомах. Вони б розліталися зі швидкістю світла.

Але кварки пов'язані сильним взаємодією і що неспроможні існувати у вільному вигляді. Деякі пов'язані стани кварків, можливо, збереглися б, але протонів і нейтронів не ясно.

Мабуть, усе це було б ядерно-подібну матерію. І, можливо, все це сколапсувало в результаті гравітації.

Факт, у якому ми точно впевнені: Всесвіт був би холодним, темним і неживим.
Так що бозон Хіггса рятує нас від холодного, темного, неживого Всесвіту, де немає людей, щоб відкрити бозон Хіггса.

Чи є бозон Хіггса бозоном зі Стандартної Моделі?

1. Незважаючи на те, що бозон Хіггса із Стандартної Моделі, є невеликі розбіжності, що свідчать про існування нової фізики (невідомої нині).
2. Існують більше ніж один бозон Хіггса, з іншими масами. Це також свідчить, що з'являться нові теорії дослідження.

Тільки час і нові дані допоможуть виявити чи чистоту Стандартної Моделі та її бозона, чи нові хвилюючі фізичні теорії.

Довгий час так звана частка Бога, що залишалася невловимою, нарешті спіймана. Бозон Хіггса був недостатньою деталлю головоломки під назвою Стандартна модель. Вчені вважають, що цей бозон відповідає за масу частинок. Зокрема, спеціально для пошуку бозона Хіггса було збудовано Великий адронний колайдер, який впорався зі своїм основним завданням. Але перед вченими постали нові загадки: чи справді бозон Хіггса? Крім того, знахідка цього бозона ніяк не пояснила парадоксальне існування темної матерії, яке займає все більше і більше фізиків останнім часом.

Фізики нарешті побачили, як елементарна частка, вперше виявлена ​​на Великому адронному колайдері, розпадається на два чарівні кварки, екзотичні частки, що недовго живуть, які часто з'являються після зіткнення високоенергетичних частинок. Цей невловимий процес ми змогли спостерігати лише зараз, вперше за шість років після відкриття бозона Хіггса. Вчені двох експериментів БАК, ATLAS та CMS, повідомили про свої результати одночасно на семінарі, що проходив у ЦЕРНі 28 серпня.

Наука

У світі науки відбувається великий галас. Дослідники з Європейської організації ядерних досліджень(ЦЕРН) оголосили про те, що частка бозон Хіггса існує. Її називають "часткою Бога", яка існує між дуже специфічним набором частинок і яка служить свого роду невидимим клеєм, який пов'язує Всесвітразом.

Бозон Хіггса, який досі був теоретичною частинкою, є ключем до розуміння того, чому матерія має масу, що в поєднанні з гравітацією надає об'єктам ваги.

Для людей, далеких від фізики, загальна ейфорія з приводу бозона Хіггса швидше за все незрозуміла. Що все це означає?

Що таке бозон Хіггса?

Бозон - це тип субатомної частки, яка надає чинності. Бозон Хіггса був постулюваний у 1964 році англійським професором Пітером Хіггсом, який припустив, що його існування пояснить, чому матерія від атомів до планет має масу, а не літає по Всесвітуяк, наприклад, фотони світла.

Чому його так довго шукали?

Припустити щось теоретично і довести його існування - завдання не з легких. Якщо бозон Хіггса дійсно існує, він існує лише частки секунди. Відповідно до теорії можна виявити достатню його кількість, якщо зіштовхнути пучки протонів при досить високій енергії. До Великого Адронного Колайдера, який збудували кілька років тому, такого рівня енергії досягти не вдавалося.

Чи справді вчені знайшли бозон Хіггса?

Це не зовсім так, принаймні не на тому рівні, якого вони хотіли б досягти. З упевненістю можна сказати, що вони знайшли нову субатомну частинку масою приблизно 130 протоніві попередні результати дійсно вписуються в те, що ми називаємо бозоном Хіггса. Є припущення, що це може бути бозон Хіггса, або один із кількох - за теорією їх більше одного.

Чому важливе це відкриття?

Фізики, які намагаються зрозуміти Всесвіт, вигадали теоретичну основу, яка поєднує різні сили природи. Вона називається Стандартна модель. Але проблема полягала в тому, що ця модель не пояснювала, чому матерія має масу без залучення бозона Хіггса.

Тобто виявлення цієї субатомної частинки є потужною підтримкою Стандартної Моделі, фізичного доказу невидимого поля Всесвіту, який надав масу всієї матерії після Великого Вибуху, змушуючи частки об'єднатися у зірки, планети та інше. Якби бозон не знайшли, то вся система поглядів теоретичної фізики розвалиться. Немає бозона Хіггса – немає маси, немає маси – немає тебе, немає мене, немає нічого іншого".

Елементарна частка бозон Хіггса, названа так на честь британського фізика Пітера Хіггса, який теоретично передбачив її існування ще далекого 1964 року, мабуть, одна з найзагадковіших і найдивовижніших у сучасній фізиці. Саме вона викликала безліч суперечок та дискусій у науковій спільноті, а хтось навіть привласнив їй такий незвичайний епітет як «частка Бога». Є і скептики, які стверджують, що бозон Хіггса не існує і все це лише наукова містифікація. Що таке бозон Хіггса насправді, як він був відкритий, які має властивості, про це читайте далі.

Що таке бозон Хіггса: пояснення простою мовою

Щоб пояснити сутність бозона Хіггса максимально просто і зрозуміло не тільки вченому фізику, а й звичайній людині, яка цікавиться наукою, необхідно вдатися до мови алегорій та порівнянь. Хоча, зрозуміло, всі алегорії та порівняння, які стосуються фізики елементарних частинок, не можуть бути вірними та точними. Те саме електромагнітне поле або квантова хвиля не є ні полем, ні хвилею в тому сенсі, в якому їх уявляють зазвичай люди, як і самі атоми аж ніяк не є зменшеними копіями Сонячної системи, в якій наче планети навколо обертаються електрони навколо атомного ядра. І хоча алегорії та порівняння все ж таки не передають самої суті тих речей, які відбуваються в квантовій фізиці, вони, проте, дозволяють наблизитися до розуміння цих речей.

Цікавий факт: 1993 року міністр освіти Великобританії навіть оголосив конкурс на найпростіше пояснення того, що таке бозон Хіггса. Переможцем вийшло пояснення, пов'язане із вечіркою.

Отже, уявіть собі багатолюдну вечірку, тут до приміщення входить якась знаменитість (наприклад, «рок-зірка») і за нею відразу починають рухатися гості, всі хочуть поспілкуватися з «зіркою», при цьому сама «рок-зірка» пересувається повільніше, ніж усі інші гості. Потім люди збирають до окремих груп, у яких обговорюють якусь новину чи плітку, пов'язану з цією рок-зіркою, при цьому люди хаотично пересуваються з групи до групи. Як результат, складається враження, що люди обговорюють плітку, тісно оточивши знаменитість, але без безпосередньої участі. Так от, усі люди, які беруть участь у вечірці – це поле Хіггса, групи людей є обуренням поля, а сама знаменитість, через яку вони утворилися і є бозоном Хіггса.

Якщо ця алегорія Вам не зовсім зрозуміла, то ще одна: уявіть собі гладкий більярдний стіл, на якому знаходяться кулі - елементарні частинки. Кулі ці легко розлітаються в різні боки і рухаються скрізь без перешкод. А тепер уявіть, що більярдний стіл покритий якоюсь клейкою масою, яка ускладнює рух куль по ньому. Ця клейка маса – поле Хіггса, маса цього поля дорівнює масі частинок, які до нього прилипають. Бозон Хіггса це частка, яка відповідає цьому липкому полю. Тобто якщо сильно вдарити по більярдному столу з цією клейкою масою, то невелика кількість цієї самої клейкої маси на якийсь час утворює бульбашку, яка незабаром знову розтечеться по столу, так от, цей бульбашка і є бозон Хіггса.

Відкриття бозона Хіггса

Як ми написали спочатку, бозон Хіггса спочатку був відкритий теоретично британським фізиком Пітером Хіггсом, який припустив, що в процесі механізму спонтанного порушення електрослабкої симетрії в стандартній моделі фізики елементарних частинок замішана ще не відома до того елементарна частинка. Сталося це в 1964 році, відразу після цього почалися пошуки реального існування цієї елементарної частки, щоправда, довгі роки вони зазнавали фіаско. Через це деякі вчені жартома почали називати бозон Хіггса – «клятою частинкою» або «часткою Бога».

І ось, щоб підтвердити або спростувати існування цієї загадкової «частинки Бога» у 2012 році був побудований , що є гігантським прискорювачем елементарних частинок. Досліди на ньому експериментально підтвердили існування бозона Хіггса, а сам першовідкривач частинки Пітер Хіггс у 2013 році став лауреатом нобелівської премії з фізики за це відкриття.

Повертаючись до нашої аналогії про більярдний стіл, щоб побачити бозон Хіггса, фізикам необхідно було з належною силою вдарити по цій клейкій масі, яка лежить на столі, щоб отримати з неї пляшечку, власне бозон Хіггса. Так от, прискорювачі елементарних частинок ХХ століття були не настільки потужними, щоб забезпечити «удар по столу» належної сили, і лише Великий адронний колайдер, створений на початку вже нашого ХХІ століття, що називається допоміг фізикам «стукнути по столу» з належною силою і на власні очі бачити «частку Бога».

Користь бозона Хіггса

Людині, далекій від науки взагалі і від фізики зокрема пошуки певної елементарної частки можуть здатися безглуздими, але відкриття бозона Хіггса має неабияке значення для науки. Насамперед, наші знання про бозон допоможуть при розрахунках, які здійснюються в теоретичній фізиці при вивченні будови Всесвіту.

Зокрема, фізиками було припущено, що бозонами Хіггса заповнено весь навколишній простір. При взаємодії коїться з іншими елементарними частинками бозони повідомляють їм свою масу і якщо є можливість обчислити масу певних елементарних частинок, можна розрахувати і масу бозона Хиггса. А якщо у нас є маса бозона Хіггса, то з її допомогою йдучи у зворотний бік, ми також можемо розраховувати маси інших елементарних частинок.

Зрозуміло, все це дуже дилетантські міркування з погляду академічної фізики, але ж і журнал наш на те й науково-популярний, щоб говорити про серйозні наукові матерії простою та зрозумілою мовою.

Небезпека бозона Хіггса

Визначення побоювання з приводу бозона Хіггса та експериментів з ним було висловлено британським ученим Стівеном Хокінгом. Згідно з Хокінгом, бозон Хіггса є вкрай не стабільною елементарною частинкою і в результаті певного збігу обставин може призвести до розпаду вакууму і повного зникнення таких понять, як простір і час. Але не варто хвилюватися, для того, щоб сталося щось подібне, необхідно побудувати колайдер розміром зі всю нашу планету.

Властивості бозона Хіггса

• Бозон Хіггса, як і інші елементарні частинки схильний до впливу.
• Бозон Хіггса має нульовий спин (момент імпульсу елементарних частинок).
• Бозон Хіггса має електричний і кольоровий заряд.
• Є 4 основних канали народження бозона Хіггса: після злиття 2 глюонів (основний), злиття WW- або ZZ-пар, у супроводі W- або Z-бозону, разом з топ-кварками.
• Бозон Хіггса розпадається на пару b-кварк-b-антикварк, на 2 фотони, на дві пари електрон-позитрон та/або мюон-антимюон або на пару електрон-позитрон та/або мюон-антимюон з парою нейтрино.

Слово скептикам

Зрозуміло, є і скептики, які стверджують, що ніякого бозону Хіггса в реальності не існує, і що все це було вигадане вченими з корисливою метою – освоїти гроші платників податків, які нібито йдуть для наукових досліджень елементарних частинок, а насправді в кишені певних людей.

Бозон Хіггса, відео

І насамкінець цікаве документальне відео про бозон Хіггса.

Говорячи простою мовою, бозон Хіггса - це найдорожча частка за весь час. Якщо для приміром, було достатньо вакуумної трубки і пари геніальних умів, пошук бозона Хіггса зажадав створення експериментальної енергії, яку рідко зустрінеш на Землі. Великий адронний колайдер представлення не потребує, будучи одним з найвідоміших і найуспішніших наукових експериментів, але його профільна частка, як і раніше, огорнута таємницею для більшої частини населення. Вона була названа часткою Бога, проте завдяки зусиллям буквально тисяч вчених ми більше не повинні приймати її існування на віру.

Остання невідома

Що таке та в чому важливість його відкриття? Чому він став предметом такого великого галасу, фінансування та дезінформації? З двох причин. По-перше, він був останньою відкритою частинкою, необхідною для підтвердження Стандартної моделі фізики. Її відкриття означало, що ціле покоління наукових публікацій не було марним. По-друге, цей бозон дає іншим часткам їх масу, що надає йому особливого значення і деяке «чарівництво». Ми схильні думати про масу як про внутрішню властивість речей, але фізики вважають інакше. Говорячи простою мовою, бозон Хіггса - це частка, без якої маси принципово не існує.

Ще одне поле

Причина у так званому полі Хіггса. Воно було описано ще до бозона Хіггса, оскільки фізики його розрахували для потреб своїх власних теорій та спостережень, які вимагали наявності нового поля, дія якого поширювалася б на весь Всесвіт. Підкріплення гіпотез шляхом винаходу нових складових Всесвіту є небезпечним. У минулому, наприклад, це спричинило створення теорії ефіру. Але що більше вироблялося математичних розрахунків, то більше фізики розуміли, що полі Хіггса має існувати насправді. Єдиною проблемою була відсутність практичних можливостей спостереження.

У Стандартній моделі фізики отримують масу за допомогою механізму, заснованого на існуванні поля Хіггса, що пронизує весь простір. Він створює бозони Хіггса, для чого потрібна велика кількість енергії, і це є головною причиною того, чому вчені потребують сучасних прискорювачів частинок для проведення високоенергетичних експериментів.

Звідки береться маса?

Сила слабких ядерних взаємодій із зростанням відстані швидко падає. Згідно з квантовою теорією поля, це означає, що частинки, які беруть участь у її створенні - W- та Z-бозони, - повинні мати масу, на відміну від глюонів і фотонів, у яких маси немає.

Проблема полягає в тому, що калібрувальні теорії оперують лише безмасовими елементами. Якщо калібрувальні бозони мають масу, то така гіпотеза може бути розумно визначена. Механізм Хіггса дозволяє уникнути цієї проблеми шляхом запровадження нового поля, званого полем Хіггса. При високих енергіях калібрувальні бозони масою не мають, і гіпотеза працює, як очікувалося. При низьких енергіях поле викликає порушення симетрії, що дозволяє елементам мати масу.

Що таке бозон Хіггса?

Поле Хіггса породжує частки, які називають бозонами Хіггса. Теорією їхня маса не обумовлюється, але в результаті експерименту було визначено, що вона дорівнює 125 ГеВ. Говорячи простою мовою, бозон Хіггса своїм існуванням остаточно підтвердив Стандартну модель.

Механізм, поле та бозон носять ім'я шотландського вченого Пітера Хіггса. Хоча він і не був першим, хто запропонував ці поняття, а як це часто трапляється у фізиці, просто виявився тим, на честь кого вони були названі.

Порушення симетрії

Вважалося, що поле Хіггса несе відповідальність за те, що частки, які мати масу не повинні, її мали. Це універсальне середовище, що наділяє частинки без маси різними масами. Таке порушення симетрії пояснюють за аналогією зі світлом - всі довжини хвиль рухаються у вакуумі з однаковою швидкістю, у призмі кожна довжина хвилі може бути виділена. Це, звичайно, некоректна аналогія, тому що біле світло містить усі довжини хвиль, але приклад показує, як уявляється створення полем Хіггса маси завдяки порушенню симетрії. Призма ламає симетрію швидкості різних довжин хвиль світла, розділяючи їх, і поле Хіггса, як вважають, ламає симетрію мас деяких частинок, які інакше симетрично безмасові.

Як пояснити простою мовою бозон Хіггса? Тільки нещодавно фізики зрозуміли, що якщо поле Хіггса справді існує, його дія вимагатиме наявності відповідного носія з властивостями, завдяки яким його можна спостерігати. Передбачалося, що ця частка належала до бозонів. Бозон Хіггса простою мовою - це так звана сила-носій, така сама, як фотони, які є носіями електромагнітного поля Всесвіту. Фотони, у певному сенсі, є його локальними збудженнями як і, як бозон Хіггса є локальним збудженням його поля. Доказ існування частки з очікуваними фізиками властивостями було практично рівнозначне безпосередньому підтвердженню існування поля.

Експеримент

Багато років планування дозволили Великому адронному колайдеру стати досвідом, достатнім для потенційного спростування теорії бозона Хіггса. 27-км кільце надпотужних електромагнітів може прискорити заряджені частинки до значних часток викликаючи зіткнення достатньої сили, щоб розділити їх на складові, а також деформувати простір навколо точки удару. Відповідно до розрахунків, за енергії зіткнення досить високого рівня можна зарядити бозон так, що він розпадеться і це можна буде спостерігати. Ця енергія була настільки великою, що деякі навіть запанікували і пророкували кінець світу, а фантазія інших розійшлася настільки, що виявлення бозона Хіггса описувалося як можливість заглянути в альтернативний вимір.

Остаточне підтвердження

Початкові спостереження, здавалося, насправді спростовували передбачення, і жодних ознак частки виявити не вдалося. Деякі дослідники, які брали участь у кампанії за витрати мільярдів доларів, навіть з'явилися на телебаченні і лагідно констатували факт, що спростування наукової теорії так само важливо, як і його підтвердження. Через деякий час, однак, виміри стали складатися у загальну картину, і 14 березня 2013 року CERN офіційно оголосив про підтвердження існування частки. Є підстави припускати існування множинних бозонів, але ця ідея потребує подальшого вивчення.

Через два роки після того, як CERN оголосив про відкриття частки, вчені, які працюють на Великому адронному колайдері, змогли це підтвердити. З одного боку, це стало величезною перемогою науки, а з іншого багато вчених було розчаровано. Якщо хтось сподівався, що бозон Хіггса виявиться часткою, яка призведе до дивних та дивовижних областей за межами Стандартної моделі – суперсиметрії, темної матерії, темної енергії, – то, на жаль, це виявилося не так.

Дослідження, надруковане в Nature Physics, підтвердило розпад на ферміони. передбачає, що, кажучи простою мовою, бозон Хіггса є частинкою, яка дає ферміонам їхню масу. Детектор CMS колайдера, нарешті, підтвердив їхній розпад на ферміони - нижні кварки та тау-лептони.

Бозон Хіггса простою мовою: що це таке?

Це дослідження остаточно підтвердило, що це бозон Хіггса, передбачений Стандартною моделлю фізики елементарних частинок. Він розташований в області маси-енергій 125 ГеВ, не має спини, і може розпадатися на безліч легших елементів - пар фотонів, ферміонів і т. д. Завдяки цьому можна впевнено говорити про те, що бозон Хіггса, простою мовою кажучи, є частинкою , Що дає масу всьому.

Розчарувала стандартна поведінка нововідкритого елемента. Якби його розпад хоч трохи відрізнявся, він був би пов'язаний із ферміонами інакше, і виникли б нові напрямки досліджень. З іншого боку, це означає, що ми ні на крок не просунулися за межі Стандартної моделі, яка не враховує гравітації, темної енергії, темної матерії та інших химерних явищ реальності.

Зараз можна лише здогадуватися про те, чим вони спричинені. Найбільш популярна теорія суперсиметрії, яка стверджує, що кожна частка Стандартної моделі має неймовірно важкого суперпартнера (таким чином, становлячи 23% Всесвіту – темної матерії). Оновлення коллайдера з подвоєнням його енергії зіткнень до 13 ТЕВ, ймовірно, дозволить виявити ці суперчастинки. Інакше суперсиметрії доведеться зачекати на спорудження більш потужного наступника LHC.

Подальші перспективи

Тож яка буде фізика після бозона Хіггса? LHC зовсім недавно відновив свою роботу із суттєвими покращеннями і здатний побачити все – від антиречовини до темної енергії. Вважається, що взаємодіє зі звичайною виключно за допомогою гравітації і через створення маси, і значення бозона Хіггса є ключовим для розуміння того, як це відбувається. Основний недолік Стандартної моделі полягає в тому, що вона не може пояснити дію сили тяжіння - таку модель можна було б назвати Великою єдиною теорією, - і деякі вважають, що частка і поле Хіггса можуть стати мостом, який фізики так відчайдушно намагаються знайти.

Існування бозона Хіггса підтвердилося, але до його розуміння ще дуже далеко. Чи спростують майбутні досліди суперсиметрію та ідею про її розкладання на темну матерію? Або вони підтвердять все, до найдрібніших подробиць, передбачення стандартної моделі про властивості бозона Хіггса і з цією областю досліджень буде покінчено назавжди?