Бозон хиггса открыт. Кто он - Питер Хиггс? Бозон Хиггса распадается на другие частицы

Наука

В мире науки происходит большая шумиха. Исследователи из Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) объявили о том, что частица бозон Хиггса существует. Ее называют "частицей Бога", которая существует между очень специфическим набором частиц и которая служит своего рода невидимым клеем, который связывает Вселенную вместе.

Бозон Хиггса, который до этих пор был теоретической частицей, является ключом к пониманию того, почему материя обладает массой, что в сочетании с гравитацией придает объектам вес.

Для людей далеких от физики всеобщая эйфория по поводу бозона Хиггса скорее всего непонятна. Что же все это означает?

Что такое бозон Хиггса?

Бозон - это тип субатомной частицы, которая придает силу. Бозон Хиггса был постулирован в 1964 году английским профессором Питером Хиггсом , который предположил, что его существование объяснит, почему материя, от атомов до планет имеет массу, а не летает по Вселенной как, например фотоны света.

Почему его так долго искали?

Предположить что-то в теории и доказать его существование - задача не из легких. Если бозон Хиггса действительно существует, он существует всего доли секунды. Согласно теории можно обнаружить достаточное его количество если столкнуть пучки протонов при достаточно высокой энергии. До Большого Адронного Коллайдера, который построили несколько лет назад, такого уровня энергии достичь не удавалось.

Действительно ли ученые нашли бозон Хиггса?

Это не совсем так, по крайней мере, не на том уровне, который они хотели бы достичь. С уверенностью можно сказать, что они нашли новую субатомную частицу массой примерно 130 протонов , и предварительные результаты действительно вписываются в то, что мы называем бозоном Хиггса. Есть предположение, что это может быть бозон Хиггса, или один из нескольких - по теории их больше одного.

Почему важно это открытие?

Физики, которые пытаются понять Вселенную, придумали теоретическую основу, которая объединяет различные силы природы. Она называется Стандартная Модель. Но проблема состояла в том, что эта модель не объясняла, почему у материи есть масса без привлечения бозона Хиггса.

То есть обнаружение этой субатомной частицы является мощной поддержкой Стандартной Модели, физического доказательства невидимого поля Вселенной, которая придала массу всей материи после Большого Взрыва, заставляя частицы объединиться в звезды, планеты и все остальное. Если бы бозон не нашли, то вся система взглядов теоретической физики развалится." Нет бозона Хиггса - нет массы, нет массы - нет тебя, нет меня, нет ничего другого ".

Современная теория элементарных частиц опирается на определенную симметрию между электромагнитными и слабыми взаимодействиями - электрослабую симметрию . Считается, что эта симметрия была в ранней Вселенной и из-за нее частицы были поначалу безмассовы, но на каком-то этапе она самопроизвольно нарушилась, и частицы приобрели массу. В теории элементарных частиц для этого нарушения электрослабой симметрии был придуман хиггсовский механизм . Именно его должен будет изучить LHC.

Для этого в эксперименте потребуется открыть хиггсовский бозон - частицу-отголосок хиггсовского механизма. Если этот бозон будет найден и изучен, физики узнают, как протекало нарушение симметрии, и даже, возможно, создадут новую, более глубокую теорию нашего мира. Если этот бозон не будет найден (ни в каком виде!), то потребуется серьезный пересмотр Стандартной модели элементарных частиц, поскольку без хиггсовского механизма она работать не может.

Все эксперименты, проведенные до сих пор, не могли справиться с этой задачей из-за недостаточно большой энергии частиц. Ожидается, что коллайдер LHC с его рекордной энергией протонов даст ответы на все ключевые вопросы.

Чуть подробнее

Современная теория элементарных частиц - Стандартная модель - занимается не столько перечислением фундаментальных частиц, сколько описанием их взаимодействий. В основе ее лежит идея, что два таких, казалось бы, разных взаимодействия, как электромагнитное и слабое, на самом деле являются двумя сторонами «одной медали» - электрослабого взаимодействия .

В рамках этой теории получается так, что при высокой температуре между слабыми и электромагнитными взаимодействиями существует симметрия. Но электрослабая симметрия возможна только тогда, когда фундаментальные частицы безмассовы, а мы знаем из опыта, что в нашем мире эти частицы массивны. Значит, симметрия должна быть нарушена. Хиггсовский механизм как раз и является той движущей силой, которая нарушает эту симметрию. Можно сказать, что главная задача хиггсовского механизма - сделать частицы массивными.

Происходит это так. В квантовой теории все частицы - это вовсе не «твердые шарики», а кванты, колеблющиеся «кусочки» поля. Электроны - это колебания электронного поля, фотоны - колебания электромагнитного поля и т. д. У каждого поля есть состояние с самой низкой энергией - оно называется «вакуумом» этого поля. Для обычных частиц вакуум - это когда частицы отсутствуют, то есть когда их поле везде равно нулю. Если частицы присутствуют (то есть поле не везде равно нулю), то такое состояние поля обладает энергией больше, чем у вакуума.

А хиггсовское поле устроено особым образом - у него вакуум ненулевой . Иными словами, состояние с наинизшей энергией хиггсовского поля - это когда всё пространство пронизано хиггсовским полем определенной силы, на фоне которого движутся остальные частицы. Колебания хиггсовского поля относительно этого «вакуумного среднего» - это хиггсовские бозоны , кванты хиггсовского поля.

Вездесущее присутствие фонового хиггсовского поля сказывается на движении частиц строго определенным образом - оно затрудняет ускорение частиц, но не мешает их равномерному движению. Частицы становятся более инертными, под действием внешних сил они начинают двигаться как-то неохотно - иными словами, у них появляется масса . Эта масса тем больше, чем сильнее они «цепляются» за хиггсовское поле. Впрочем, некоторые частицы, например фотоны, не цепляются напрямую к хиггсовскому полю и остаются безмассовыми.

Существует множество попыток объяснить суть хиггсовского механизма на пальцах, самыми простыми словами. Некоторые из них приведены на страничке Хиггсовский механизм в аналогиях .

Хиггсовские бозоны тоже массивные, поскольку хиггсовское поле взаимодействует само с собой. Отличительная черта хиггсовских бозонов - они взаимодействуют с разными частицами пропорционально их массе - ведь хиггсовское вакуумное среднее и хиггсовский бозон суть два проявления одного и того же хиггсовского поля. Это свойство хиггсовских бозонов очень важно для их поиска на LHC.

Всё ли известно про хиггсовский механизм?

Вовсе нет! Более того - про него известно очень, очень мало.

Дело в том, что практически все экспериментальные данные, на которых «выросла» Стандартная модель, требуют лишь сам факт нарушения симметрии, но почти ничего не говорят по поводу его механизма. Поэтому проблема сейчас заключается не в том, что физики не знают, как объяснить нарушение электрослабой симметрии, а в том, что они придумали уже очень много вариантов этого нарушения.

Некоторые из них очень простые - как в Стандартной модели, другие - идейно простые, но чуть более сложные в исполнении (например, в моделях с несколькими бозонами Хиггса), а некоторые опираются на принципиально новые идеи, например суперсимметрию, многомерные пространства или новый тип взаимодействия. Все эти варианты собирательно называют «неминимальные хиггсовские механизмы ». Какой из них окажется ближе к реальности, можно будет узнать после нескольких лет работы LHC.

Можно ли обойтись без хиггсовского механизма?

В принципе, да, но тогда неизбежно получится намного более экзотическая теория, чем Стандартная модель с обычным хиггсовским механизмом.

Тут нужно понимать логическую цепочку. Если мы принимаем идею электрослабой симметрии, то тогда эту симметрию необходимо как-то нарушить. Хиггсовский механизм - самый естественный и минимальный способ такого нарушения. Есть попытки построения бесхиггсовского механизма, но все они очень экзотические и требуют введения новых частиц, взаимодействий или даже пространственных координат. Конечно, будет очень интересно, если именно такая модель реализуется в нашем мире, но с точки зрения конструирования моделей это гораздо более сложные и менее естественные теории, чем хиггсовский механизм.

Если же мы не принимаем идею электрослабой симметрии, то хиггсовский механизм уже не нужен, но тогда потребуется создать иную теорию слабых взаимодействий, которая бы объяснила все наблюдаемые свойства частиц. Напомню, что Стандартная модель не только прекрасно справляется с этим, но и именно на ее основе были предсказаны и затем подтверждены в эксперименте свойства W- и Z-бозонов, отвечающих за слабое взаимодействие. Никакой другой теории, которая могла бы прийти на замену Стандартной модели, пока нет.

На все ли вопросы отвечает хиггсовский механизм?

Опять же, нет. Хиггсовский механизм не объясняет всё, он лишь завершает Стандартную модель, делая ее теорией, пригодной для вычислений при энергиях много меньше 1 ТэВ.

Поэтому при попытке экстраполировать Стандартную модель на очень большие энергии возникают проблемы. Подчеркнем, что это проблемы не хиггсовского механизма самого по себе, а всей Стандартной модели. Они отражают тот факт, что СМ не полна и является лишь «приблизительной» теорией, хорошо работающей лишь при низких энергиях.

При высоких энергиях вместо Стандартной модели должна заработать какая-то новая, более глубокая и еще не построенная теория, в которой эти проблемы будут (отчасти?) решены. Что это за теория - достоверно не известно, но наработок существует уже очень много. Поэтому главная задача LHC - попытаться хоть краешком глаза увидеть проявления этой теории, чтобы понять, куда двигаться дальше. Большинство физиков уверены, что этого можно достичь именно через исследования хиггсовского механизма.

Дополнительная литература:

• Базовые сведения о хиггсовском механизме можно найти в книге Л. Б. Окуня «Физика элементарных частиц » (на уровне слов и картинок) и «Лептоны и кварки » (на серьезном, но доступном уровне).
• S. Dawson. Introduction to Electroweak Symmetry Breaking // hep-ph/9901280 - 83-страничные лекции про хиггсовский механизм и свойства хиггсовского бозона в Стандартной модели и в суперсимметричных теориях.
• C. Quigg. Spontaneous symmetry breaking as a basis of particle mass // Rep. Prog. Phys. 70 1019–1053 (2007); статья в свободном доступе.

Существует Стандартная модель, которая описывает строение мира. Одна из составляющих - бозон Хиггса. Простым языком - это элементарная частица, придающая остальным массу другим частицам . Но для чего она необходима? И почему событие в 2012 году вызвало такой резонанс и шум в научных кругах?

Стандартная модель

Современное описание мира у учёных-физиков называется теория Стандартной модели. В ней указано то, как элементарные частицы взаимодействуют между собой. В науке существует четыре фундаментальных взаимодействия:

1. Гравитационное.
2. Сильное.
3. Слабое.
4. Электромагнитное.

В Стандартную модель входят только три, гравитационное обладает другой природой. По теории вещество имеет два составляющих:

• Фермионы - 12 штук;
• Бозоны - 5 штук.

О бозоне Хиггса впервые заговорили в 1964 году, но до 2012 года это оставалось только теорией. Учёные склонялись к тому, что этот элемент отвечает за массу остальных частиц. И вот было доказано экспериментально, что бозон Хиггса - квант поля Хиггса, действительно обеспечивает всему остальному массу .

В коллайдере найдена частица бозона Хиггса

Поиски проводились при использовании коллайдера Теватрон (США). В конце 2011 года были обнаружены следы, при распаде на b-кварки, элемент бозона Хиггса. В работе с помощью Большого адронного коллайдера это заметили только через год, в 2012. Столь большой временной промежуток связан с тем, что в последнем встречаются и многие другие элементы.

Затем, чтобы удостовериться в результатах, охоту за бозоном начали проводить и на других устройствах.

В итоге, полувековая теория подтвердилась экспериментально, а свое название бозон получил в честь своего предсказателя и одного из создателей Стандартной модели - Питера Хиггса . В настоящее время физики уверены, что смогли доказать и восполнить недостающее звено из описания строения мира.

Кто он - Питер Хиггс?

Всемирно известный британский учёный Питер Хиггс родился 29 мая 1929 года. Его отец был инженером компании BBC.

Основные факты и периоды жизни:

1. Со школьной скамьи Питер увлекался математикой и физикой, читал лекции и работы популярных научных деятелей.
2. После школы он поступил в Королевский колледж в Лондоне и благополучно его закончил, защитив диссертацию по физике.
3. Начиная с 1960 года учёный активно начал изучать идею Еичиру Намбо о нарушении симметрии у сверхпроводников. Вскоре Питер смог обосновать теорию о наличии у частиц массы. В этой работе он выдвинул теорию об существовании элементарной частицы, которая имеет нулевое вращение, а при контакте с другими, именно она придаёт им массу.
4. Ему же принадлежит открытие механизма, который объясняет нарушение симметрии. Примечательно, что он смог его придумать, когда гулял по горам в районе Эдинбурга. Этот механизм является важным компонентом Стандартной модели.
5. В 2013 году, ещё при жизни, экспериментально было найдено подтверждение его теории и обнаружен элемент с нулевым спином, который и получил название - бозон Хиггса. Сам учёный, давая интервью, говорил о том, что он не надеялся застать этот момент при жизни.
6. Лауреат многих премий, наиболее известные: медаль Дирака, премия Вольфа по физике, Нобелевская премия.

Что это за частица и как проходили поиски?

Данный бозон искали практически полвека. Это связано с тем, что эксперимент простой в теории, но сложный в действительности. Опыты производились с помощью нескольких аппаратов:

• электрон-позитронный коллайдер;
• теватрон;
• большой адронный коллайдер (БАК).

Но силы и возможности коллайдера было недостаточно. Эксперименты выполняли регулярно, но они не приносили точных результатов. Кроме этого, сам элемент Хиггса тяжёлый, он оставляет только следы распада.

Для опыта были нужны два протона, которые движутся на околосветовой скорости. Затем происходит прямое столкновение. В результате чего они распадаются на составляющие, а те в свою очередь - на второстепенные элементы. Именно здесь должен возникнуть бозон Хиггса.

Главная особенность и препятствие, которое мешало доказать на практике существование поля Хиггса это то, что частица появляется на крайне малый временной промежуток и исчезает. Но оставляет следы, благодаря которым учёные и смогли подтвердить её действительность.

Сложность эксперимента и открытие

Сложность эксперимента была не только в том, чтобы вовремя успеть запечатлеть бозон Хиггса, но и суметь его распознать. А это непросто, потому что он распадается на разные части:

1. Кварк-антикварк.
2. W-бозоны.
3. Лептоны.
4. Тау-частицы.
5. Фермионы.
6. Фотоны.

Среди этих составляющих, крайне сложно выделить следы поля Хиггса и даже невозможно. Коллайдер с большой вероятностью фиксирует переход частицы в четыре лептона. Но и тут вероятность составляет всего 0,013%.

В итоге ученые смогли распознать следы нужного бозона и с помощью многочисленных опытов доказать существование. Как и предполагал Питер Х, эта элемент с нулевым спином, область массы-энергии примерно 125 ГэВ. Распадается на пары других составляющих (фотоны, фермионы и прочее) и даёт массу всем остальным частицам.

Открытие, конечно, вызвало шквал сенсаций, но и разочарований, одновременно. Ведь получается, что учёные не смогли выйти дальше границы Стандартной модели, нового витка для изучения и направления науки не появилось. А существующая теория не учитывает некоторые важные моменты: гравитацию, чёрную материю и прочие процессы реальности.

В настоящее время специалисты работают над теорией появления этих явлений и их роли во Вселенной.

После открытия бозона Хиггса учёные вновь возобновили работу над тем, как происходит развитие антивещества до тёмной энергии. А этот элемент является ключевым составляющим этого процесса. Физики надеются, что это открытие станет мостом и будут найдены новые ответы на волнующие вопросы о том как же устроена Вселенная.

Бозон Хиггса простым языком - это частица, которая придаёт всем остальным массу. Благодаря экспериментальному подтверждению в 2012 году учёные подобрались ближе к разгадке создания вселенной.

Видео: просто о сложном - что такое бозон Хиггса?

В данном ролике физик Арнольд Дейвер расскажет, как и для чего открыли эту частицу, зачем нужно было строить адронный коллайдер:

Моделирование, показывающее появление бозона Хиггса при столкновении двух протонов

Бозон ХиггсаБозон Хиггса

Бозон Хиггса – элементарная частица, природу которой очень сложно постичь без предварительной подготовки и понимания основных физических и астрономических законов Вселенной.

Бозон Хиггса имеет множество уникальных свойств, позволившим получить ему еще одно название – частица Бога. Открытый квант обладает цветным и электрическими зарядами, а его спин по факту равняется нулю. Это означает, что он не имеет квантового вращения. К тому же, бозон полноценно участвует в гравитационных реакциях и склонен к распаду на пары из b-кварка и b-антикварка, фотонов, электронов и позитронов в сочетании с нейтрино. Однако параметры этих процессов по ширине не превышают 17 мегаэлектроновольт (МэВ). Помимо вышеперечисленных характеристик частица Хиггса способна распадаться на лептоны и W-бозоны. Но, к сожалению, они видны недостаточно хорошо, что значительно осложняет изучение, контроль и анализ явления. Однако в те редкие моменты, когда их все же получалось фиксировать, удалось установить, что они вполне соответствуют типичным для таких случаев физическим моделям элементарных частиц.

Предсказание и история открытия бозона Хиггса

Диаграмма Фейнмана, показывающая возможные варианты рождения W- или Z-бозонов, которые при взаимодействии образуют нейтральный бозон Хиггса

В 2013 году англичанин Питер Хиггс и подданный Бельгии Франсуа Энглер получили Нобелевскую премию по физике за открытие и обоснование существования механизма, позволяющего понять, как и из чего происходят массы элементарных частиц. Однако задолго до этого уже проводились различные эксперименты и попытки открыть бозон Хиггса. Еще в 1993 году в Западной Европе начались подобные исследования с использованием мощностей Большого электронно-позитронного коллайдера. Но в итоге они не смогли в полном объеме принести результатов, ожидаемых организаторами данного проекта. К изучению вопроса подключалась и российская наука. Так в 2008-2009 гг. небольшой командой ученых ОИЯИ был произведен уточненный расчет массы хиггсовского бозона. Совсем недавно, весной 2015 года, коллаборации, известные всему научному миру, ATLAS и CMS, вновь провели корректировку массы хиггсовского бозона, которая по этим сведениям приблизительно равна 125,09±0,24 гигаэлектронвольтов (ГэВ).

Эксперименты по поиску и оценке параметров бозона Хиггса

Как уже упоминалось выше, первоначальные поисковые и оценочные эксперименты по определению массы бозона были начаты еще в 1993 году. Комплексные исследования, проводимые на Большом электронно-позитронном коллайдере, финишировали в 2001 году. Полученные благодаря этому эксперименту результаты были дополнительно откорректированы в 2004 году. По уточненным расчетам верхняя грань его массы равнялась 251 гигаэлектроновольт (ГэВ). В 2010 году была выявлена разница, равная 1%, в количестве появляющихся в ходе распада b-мезона, мюонов и антимюонов.

Несмотря на статистические недочеты, получаемые с 2011 года данные с Большого андронного коллайдера, поступали по-прежнему регулярно. Это давало надежду на исправление неточных сведений. Выявленная спустя год новая элементарная частица, которая имела идентичную четность и способность распадаться, как и хиггсовский бозон, была подвергнута серьезной критике и сомнению в 2013 году. Однако уже к концу сезона обработка всех накопленных данных привела к однозначным выводам: новая открытая частица, несомненно, является искомым бозоном Хиггса и принадлежит к Стандартной физической модели.

Интересные факты о бозоне Хиггса

Большой адронный коллайдер. Одной из основных целей проекта является экспериментальное доказательство существования бозона Хиггса и его исследование

Одним из наиболее интереснейших и невероятных фактов о хиггсовском бозоне является то, что его, по сути, не существует в природе. Следовательно, эта частица, в отличие от остальных фундаментальных элементов, не находится в окружающем нас пространстве. Объясняется это тем, что бозон Хиггса исчезает практически моментально после своего рождения. Происходит такая мгновенная метаморфоза посредством распада частицы. При этом за свое наикратчайшее существование бозон даже не успевает войти во взаимодействие с чем-либо еще.

Также весьма интересными и привлекающими к себе внимание фактами можно назвать, так называемые «прозвища», которые были присвоены хиггсовскому бозону. Эпатажные названия попадали в общественное использование благодаря средствам массовой информации. Одно из них было придумано вновь открытому кванту Леоном Ледерманом, лауреатом Нобелевской премии, и звучало как «чертова частица». Однако оно не было пропущено в печатное издание труда редактором и было заменено на «частицу Бога» или «божью частицу».

Другие массовые названия бозона Хиггса

Несмотря на популярность ледермановских «прозвищ», данных им бозону Хиггса, подавляющее большинство ученых не одобряют их и чаще используют другое «простонародное» название. Оно переводится как «бозон бутылки с шампанским». Основой для появления такой терминологии в обозначении хиггсовского бозона послужило некое сходство его комплексного поля с дном стеклянной бутылки из-под шампанского. Не меньшее значение для ученых «озорников» имеет и аллегоричное сравнение, намекающее на обилие выпитого шампанского по поводу открытия важной частицы.

Стоит обратить внимание и на то, что имеют место быть, так называемые, бесхиггсовые физические модели, разработанные еще до открытия бозона. Они предполагают своеобразное расширение стандартности.

Современная наука не стоит на месте, а непрерывно и неуклонно развивается. Накопленные в сегодняшней физике и смежных с ней областях знания, позволили не только предсказать, но и, собственно говоря, совершить открытие бозона Хиггса. Но изучение его свойств и обозначение сфер применения добытых сведений находится лишь в начальной стадии. Поэтому современным физикам и астрономам еще предстоит много работы и экспериментов, связанных с исследованием этой основополагающей для Вселенной частицы.

Бозон Хиггса простым языком можно сравнить со сплетней, которую запустили на одном конце большого зала, а все, кто в нем находился, начали передавать ее по цепочке. Бозон Хиггса нашли в CERN (том самом, что упоминается в «Коде да Винчи»). Уже сейчас физики всего мира считают, что открытие бозона Хиггса – это величайшее открытие в мире элементарных частиц.

Бозон Хиггса: что это такое?

Бозон Хиггса простыми словами пытались объяснить давно. В 1993 году министр науки Великобритании Вильям Волдгрэйв объявил конкурс на самое простое объяснение бозона Хиггса. Самой распространенной версией стала версия с вечеринкой. Чтобы понять, что такое бозон Хиггса, следует представить большую комнату, в которой проходит вечеринка.

Бозон Хиггса нашли

В определенный момент в комнату входит человек (например, рок-звезда), с которым все хотят пообщаться. Когда человек перемещается, за ним идет несколько гостей вечеринки – может показаться, что за ним идут скопления людей. При этом скорость движения рок-звезды ниже, чем у других гостей. Гости вечеринки сами могут объединяться в группки – если в толпе начнут обсуждать сплетню, то люди начнут передавать слух друг другу, образуя небольшие уплотнения.