Що таке бозон хіґґса простими словами. Як бозон Хіггса виглядав би у детекторі ATLAS

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.

Але представники релігій активно закликають журналістів та вчених не називати бозон Хіггса часткою Бога. Таке прізвисько відкритої елементарної частинки передбачає, що таємниця творіння рано чи пізно буде розкрита науковим світом і стане доступною для людського розуму. А це, на думку багатьох релігій, є абсолютною оманою. Елементарним часткам не можна надавати божественні якості, інакше складається враження, що наука намагається штучно створити процес творіння в лабораторії або вивчити Бога сучасними засобами.

Противниками використання терміна "частка Бога" стали і філософи. Містичне піднесення природничих наук нагадує давні пояснення загадки творіння, яку намагалися розгадати давні теологи та філософи. Крім того, назвавши елементарну частинку часткою Бога, здійснюється обіцянка розкрити всі космоси, виявити останню частинку, після якої відкривати більше. Таким чином, результати філософських та теологічних досліджень не можна підміняти дослідженнями сучасної фізики.

Назва «частка Бога» - це не більше ніж маркетингова тактика, що з'явилася після публікації Леоном Реедерманом своєю, присвяченою проблемі бозона Хіггса. Книга «Частина Бога» і була опублікована 1993 року. З того часу цей «» бозона Хіггса і набув своєї популярності. Однак самі фізики ставляться до цього претензійного терміна іронічно і намагаються не вживати його.

Проте відкриття бозона Хіггса надзвичайно важливе для сучасної науки. Саме згідно Стандартної моделі будови Всесвіту дає науці ключ до розгадки механізму утворення маси. Також фізики вважають, що Великий вибух, що стався 13,7 мільярдів років тому і започаткував Всесвіт, не обійшовся без участі цього бозона. Саме сила, що породжує виникнення цієї елементарної частки, дала початок утворенню галактик, зірок та планет із первісного . З усього цього випливає, що відкривши бозон Хіггса, вчені наблизилися до розгадки виникнення Всесвіту та отримали підтвердження моделі її будови.

Крім того, в іронічній назві «частка Бога» говорять і ті труднощі, з якими зіткнулися вчені, доводячи існування гіпотетичної частки, вперше передбаченої Хіггсом у 1964 році. Для проведення наукового експерименту з отримання частки Бога було побудовано Великий Андронний колайдер вартістю понад 8 мільярдів доларів. Потім упродовж кількох років не могли налагодити його роботу. А тепер належить довести, що виявлена ​​частка і є та сама недостатня в Стандартній моделі Всесвіту.

Наприкінці 2012 року найавторитетніший журнал у науковому світі «Science» оприлюднив рейтинг, в якому було вказано найважливіші відкриття цього року. Тоді на першій позиції виявилася так звана «частка Бога», яка в науковому світі називається бозоном Хоггса.

Таку свою другу назву бозон отримав зовсім не випадково. Справа в тому, що сучасна теорія про елементарні частки говорить, що через цей дивний елемент усі речовини, що перебувають у Всесвіті, мають масу, тобто існують фізично.

Ідея існування такої частки спала на думку спочатку англійському фізику Пітеру Хіггсу приблизно 40 років тому. Дотепер про бозон Хіггса говорили не більше, ніж про теорію, але в 2012 році було створено Великий адронний колайдер. Тоді стараннями вчених було здійснено прорив, в результаті дослідів вони змогли зафіксувати цей бозон Хіггса. Таке відкриття робить завершеною ту модель у фізиці, яка описує взаємодію всіх частинок у Всесвіті, самі ці частки. Виключається лише одна частка під назвою «гравітон», її існування передбачається, але її поки що не знайшли. Виявлення "частки Бога" стало останнім доказом вірності фізичній Стандартній моделі.

Частка Бога та адронний колайдер

Будівництво адронного колайдера мало велике значення у справі дослідження та пошуку бозона Хіггса. Щоб його вловити, було витрачено близько 5 млрд доларів. Експерименти могли і не закінчитися успішно, «частка Бога» не була б знайдена, тоді перед вченими постало б складне питання пошуку інших моделей, які описували б світ. Однак теорія Хіггса була підтверджена. По ній існує поле, яке складається повністю із бозонів Хіггса. Воно проходить через весь Всесвіт, вся речовина, що міститься в ньому. Поле з бозонів мало існувати від початку, ще до того, як виник світ. Саме тому всі частинки набули маси.

В експериментах, що проходили в адронному колайдері (БАК), брали участь вчені з приблизно 100 країн з усього світу. Упродовж кількох років експерименти не припинялися. За теорією Хіггса, щойно бозон виникає, то відразу розпадається на частинки іншого плану. Якщо їх зафіксувати, можна буде зробити аналіз їх походження, дізнатися, звідки і як це відбувається.

Суть ВАК у цьому, що він прискорює елементарні частки, і вони набувають швидкість, що наближається до значень . Так частки стикаються. За цим процесом вчення проводять спостереження. Вони роблять аналіз того, яке випромінювання виникає після зіткнення частинок.

Роботи велися, і до середини 2012 року вчені досягли такої інтенсивності потоку частинок, що частота зіткнень піднялася до високого рівня, який дозволяв за розрахунками щогодини утворюватися по одному бозоні. Це за умови реального існування. В результаті експериментів ученим вдалося вловити бозон, його маса була виміряна. Вона становила 125 гігаелектронвольт.

Дискусії навколо «частки Бога»

У всьому світі відомий вчений із Великобританії Стівен Хокінг, він зробив заяву з приводу дослідів над бозоном Хіггса. На його думку, проводити надалі досвіди, які є високоенергетичними, дуже небезпечно для всього Всесвіту. Він висунув гіпотезу, що через «частинки Бога» можуть зникнути основи світобудови: простір та час.

Дослідник вважає, що у бозоні Хіггса є прихований потенціал. Якщо ця частка перейде в стан, при якому воно буде нестабільним, вакуум може розпастися. Про це він зробив замітку на початку книги, де були опубліковані лекції, які були підготовлені найпровіднішими вченими-фізиками.

Хокінг запропонував концепцію, за якою вакуум може бути двох видів, причому у кожного з видів свій рівень енергії. За припущенням, вся наша розташовується в умовах хибного вакууму. Однак є й інший вид вакууму, цей вакуум є істинним, у якого показник енергії нижчий.

Під час експериментів нестабільна «частка Бога» може стати провідником між істинним і хибним вакуумом. Якщо станеться така пролом у полі, то Всесвіт блискавично перейде в інший фізичний стан.

Однак зараз немає серйозних приводів для занепокоєння. Щоб довести частку до стану нестабільності, потрібно дуже багато енергії. Щоб створити таке прискорення, потрібно сконструювати колайдер, розміри якого можна порівняти з планетою.

Насправді, «частка Бога» – це квант хіггсового поля. Ця частка має нульове вакуумне значення. Саме ця обставина доводить те, що при створенні бозону в нестабільному стані може призвести до руйнування рівноваги, що утворилася у процесі формування Всесвіту.

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.

Що таке бозон Хіггса? Безперечно, більшість із вас чули про цю частинку, яка якось там була відкрита і щось дала вченим.

Проте чи багато хто розуміється на цьому питанні? Спробуємо максимально елементарно і доступно вам це пояснити.

Передмова

Те, що відбувається у мікросвіті, дуже важко сприймається людським розумом. Ви знаєте, що таке електрони? Більшість із вас ще зі шкільної лави уявляє їх собі, як маленькі кульки, що обертаються навколо ядра. Протони та нейтрони? Це теж кульки, так?

Ті, хто колись намагався трохи розібратися з квантовою механікою, уявляє елементарні частинки, як хмаринки. Коли хтось бачить текст "будь-яка елементарна частка одночасно є хвилею", то в голові тут же виникає образ хвилі на морі або на гладі озера, куди був кинутий камінь.

Якщо людині сказати, що частка - це подія в межах деякого поля, то тут же представляється якийсь проміжок із спогаду або майбутня подія, а в голові "гуде поле", як трансформаторна будка.

Справа в тому, що такі слова, як частка, хвиля та поле на мікрорівні не зовсім коректно відображають реальністьі уявити їх собі, порівнюючи із звичайними природними явищами – некоректно. Тому спробуйте відсіювати будь-які візуальні образи, оскільки вони будуть невірними та завадять розумінню.

Потрібно приймати той факт, що частинки в принципі не є чимось, що можна "помацати"Але оскільки ми люди і тактильне пізнання світу нам властиво, то доведеться боротися з власними інстинктами для розуміння питання.

Електрони, фотони чи бозон Хіггса не є одночасно часткою і хвилею. Вони взагалі щось проміжне і для цього немає слушного слова (воно і не потрібно). Людство знає, як з ними працювати, ми вміємо проводити розрахунки, але підібрати слово, яке описало б уявний образ... це проблематично. Справа в тому, що ці штуки, які є елементарними частинками, у звичному світі неможливо порівняти хоч із чимось. Це зовсім інший світ. Мікросвіт.

Що шукали та знайшли на Великому Адронному Колайдері (БАК)?

Є загальноприйнята теорія того, як влаштований світ на найменших масштабах і вона називається Стандартна модель. Відповідно до цієї моделі, у нашому світі є кілька абсолютно різних типів речовини, які регулярно взаємодіють між собою.

Розмірковуючи про взаємодії, дуже зручно застосовувати такі параметри, як маса, швидкість та прискореннящо дозволяє називати елементарні частинки чимось на кшталт "часток-переносників". Усього виділяють у цій моделі 12 таких різновидів.

11 із 12 частинок Стандартної моделі спостерігалися раніше. 12-а частка - бозон, що відповідає полю Хіггса, Надає багатьом іншим часткам масу, обмежуючи їх швидкості руху. З деякими частинками поле Хіггса не взаємодіє зовсім. Наприклад, не впливає на фотони та їх маса дорівнює нулю.

Теоретично бозон Хіггса передбачили у далекому 1964 році, але ось довестийого існування експериментально змогли лише у 2012 році. Всі ці роки бозон шукали не покладаючи рук!

До того, як заробив ВАК, у Європейській організації з ядерних досліджень (ЦЕРН) був електрон-позитронний колайдер, в Іллінойсі був ТеватронАле цих потужностей було недостатньо, щоб провести необхідні експерименти. Хоча, експерименти все ж таки давали певні результати.

Бозон Хіггса- важка частка і виявити його дуже непросто. Суть експерименту дуже проста, але реалізація з подальшою інтерпретацією результатів - справжня проблема.

Отже, беруть два протони і розганяються до навколосвітлової швидкості. В якийсь момент часу їх зіштовхують "лоб у лоб". Протони "в шоці" від такого удару починають розсипатися на вторинні частки. У ході цього процесу намагалися зафіксувати бозон Хіггса.

Ускладнює експеримент той факт, що існування бозона можна підтвердити лише побічно. Період існування бозон Хіггса критично малий, як і відстань між точками виникнення та зникнення. Виміряти цей проміжок часу та відстань – неможливо, але! Бозон Хіггса не зникає безвістита його короткочасне перебування доводиться за рахунок "продуктів розпаду".

Це все одно, що шукати голку у стозі сіна. Ні, у величезному стозі сіна. Ні, в тисячах величезних стогів сіна! Справа в тому, що бозон Хіггса розпадається з різною імовірністю на різні комбінації частинок. Наприклад, це можуть бути кварк-антикварк, W-бозони або тау-частки.

У деяких випадках розпад важко від розпаду інших частинок, в інших випадках взагалі не встигають фіксувати те, що відбувається. Як стало відомо, детектори найкраще фіксують перетворення бозона Хіггса на 4 лептони(фундаментальні частки), але ймовірність такої події становить лише 0,013%.

У справу вступили детектори ATLAS та CMS

Півроку експериментів на ВАКта мільйони зіткнень за одну секунду дали необхідний результат. Вчені зафіксували ті 4 лептони (цілих п'ять разів).

Зафіксувати це дозволили гігантські детектори ATLASі CMS, які виявили частинку з енергією 125ГеВ(Одиниця виміру в квантовій фізиці). Саме цей показник відповідав теоретичному передбаченню бозона Хіггса.

Частина чогось більшого

Раптом помилка? Так, таким питанням дослідники поставили теж. Тому, щоб підтвердити відкриття, було проведено багато повторних експериментів.