Бозон Хиггса: объяснение «частицы Бога»
Приветствую вас, друзья и любители космоса!
В этом посте я бы хотел рассказать вам что такое бозон Хиггса.
Бозон Хиггса (Higgs boson) — это фундаментальная частица поля Хиггса, несущая силу, которая отвечает за передачу массы другим частицам.
Это поле было впервые предложено в середине шестидесятых Питером Хиггсом (Peter Higgs), в честь которого названа частица, и его коллегами.
Частица была наконец обнаружена 4 июля 2012 года исследователями Большого Адронного Коллайдера (БАК) — самого мощного ускорителя частиц в мире, расположенного в европейской лаборатории физики элементарных частиц в Церне, Швейцария.
БАК подтвердил существование поля Хиггса и механизма, порождающего массу, и, таким образом, завершил стандартную модель физики элементарных частиц — лучшее описание субатомного мира, которое у нас есть.
По мере того как ученые приближались к концу 20-го века, достижения в физике элементарных частиц дали ответы на многие вопросы, связанные с фундаментальными строительными блоками природы.
Тем не менее, по мере того, как физики постоянно заселяли зоопарк частиц электронами, протонами, бозонами и всеми видами кварков, некоторые насущные вопросы упорно оставались без ответа.
Среди них, почему некоторые частицы имеют массу?
История бозона Хиггса мотивирована этим вопросом.
Что такое бозон Хиггса?
Бозон Хиггса имеет массу 125 миллиардов электрон-вольт — это означает, что он в 130 раз массивнее протона, согласно по данным в Церне.
Он также не имеет заряда и имеет нулевой спин — квантово-механический эквивалент углового момента.
Бозон Хиггса — единственная элементарная частица, не имеющая спина.
Бозон — это частица-носитель силы, которая вступает в игру, когда частицы взаимодействуют друг с другом, при этом бозон обменивается во время этого взаимодействия.
Например, когда два электрона взаимодействуют, они обмениваются фотоном — частицей-переносчиком электромагнитных полей.
Художественная иллюстрация бозона Хиггса, создаваемого двумя сталкивающимися протонами.
Поскольку квантовая теория поля описывает микроскопический мир и квантовые поля, наполняющие Вселенную, с помощью волновой механики, бозон можно также описать как волну в поле.
Таким образом, фотон — это частица и волна, возникающая из возбужденного электромагнитного поля, а бозон Хиггса — это частица или «квантованное проявление», возникающее из поля Хиггса при возбуждении.
Это поле генерирует массу за счет взаимодействия с другими частицами и механизмами, переносимого бозоном Хиггса, называемого механизмом Браута-Энглерта-Хиггса (Brout-Englert-Higgs).
Почему бозон Хиггса называют «Частицей Бога»?
Детектор ATLAS (Тороидальный аппарат БАК) является одним из детекторов общего назначения БАК. ATLAS вместе с детектором CMS впервые обнаружил бозон Хиггса.
Прозвище бозона Хиггса «Частица Бога» закрепилось после его открытия, а именно благодаря популярным средствам массовой информации.
Происхождение этого часто связано с тем, что физик Леон Ледерман (Leon Lederman), лауреат Нобелевской премии, называл бозон Хиггса «проклятой частицей» в разочаровании по поводу того, насколько сложно его было обнаружить.
Business Insider сообщает, что, когда Ледерман написал книгу о бозоне Хиггса в 1990-х годах, название должно было быть «Чертова частица», но издатели изменили его на «Частица Бога», и была выявлена неприятная связь с религией, которая беспокоит физиков по сей день.
Тем не менее, трудно переоценить значение бозона Хиггса и поля Хиггса в целом, поскольку без этого аспекта природы ни одна частица не имела бы массы.
Это означает отсутствие звезд, планет и нас — что-то, что может помочь оправдать его гиперболическое прозвище.
Почему бозон Хиггса важен?
В 1964 году исследователи начали использовать квантовую теорию поля для изучения слабого ядерного взаимодействия — который определяет атомный распад элементов путем преобразования протонов в нейтроны — и его силы переносят бозоны W и Z.
Носители слабой силы должны быть безмассовыми, и если бы это было не так, это рисковало бы нарушить принцип природы, называемый симметрией, который — точно так же, как симметрия формы гарантирует, что она выглядит одинаково, если ее повернуть или перевернуть — гарантирует, что законы природы одинаковы, как бы они ни рассматривались.
Произвольное распределение массы на частицы также приводило к тому, что некоторые предсказания стремились к бесконечности.
Тем не менее, исследователи знали, что, поскольку слабое взаимодействие настолько сильно при взаимодействиях на коротких расстояниях — гораздо более мощное, чем гравитация, но очень слабое при более длительных взаимодействиях, его бозоны должны обладать массой.
Решение, предложенное Питером Хиггсом, Франсуа Энглертом и Робертом Брутом в 1964 году, было новой областью и способом «обмануть» природу, заставив ее спонтанно нарушать симметрию.
Статья из Церна сравнивает это с карандашом, стоящим на кончике — симметричная система — внезапно наклоняющимся в предпочтительном направлении, нарушая его симметрию.
Хиггс и его коллега-физик предположили, что при рождении Вселенная была заполнена полем Хиггса в симметричном, но нестабильном состоянии — подобно ненадежно сбалансированному карандашу.
Поле быстро, всего за доли секунды, находит устойчивую конфигурацию, но при этом нарушает его симметрию.
Это порождает механизм Браута-Энглерта-Хиггса, который придает массу бозонам W и Z.
Позднее было обнаружено, что поле Хиггса не только придает массу W- и Z-бозонам, но и дает массу многим другим фундаментальным частицам.
Без поля Хиггса и механизма Браута-Энглерта-Хиггса все элементарные частицы мчались бы по Вселенной со скоростью света.
Эта теория не только объясняет, почему частицы имеют массу, но и то, почему они имеют разные массы.
Частицы, которые сильнее взаимодействуют — или «сцепляются» — с полем Хиггса, получают большие массы.
Даже сам бозон Хиггса получает свою массу от собственного взаимодействия с полем Хиггса.
Это было подтверждено наблюдением за распадом частиц бозона Хиггса.
Одна частица, которой поле Хиггса не придало массы — это основная частица света — фотон.
Это связано с тем, что для фотонов не происходит спонтанного нарушения симметрии, как это происходит с другими частицами, переносящими взаимодействие, W- и Z-бозонами.
Это явление предоставления массы также применимо только к фундаментальным частицам, таким как электроны и кварки.
Такие частицы, как протоны, состоящие из кварков, получают большую часть своей массы за счет энергии связи, которая удерживает их составляющие вместе.
Хотя все это хорошо согласуется с теорией, следующим шагом было обнаружение свидетельств существования поля Хиггса путем обнаружения его частицы, переносящей взаимодействие.
Сделать это было бы непростой задачей, на самом деле для этого потребовался бы самый большой эксперимент и самая сложная машина в истории человечества.
Таким образом, поиск самого бозона Хиггса довел до предела как ускоритель частиц, так и технологию детекторов — окончательным выражением этого стал Большой Адронный Коллайдер (БАК).
Открытие бозона Хиггса и стандартная модель
Стандартная модель физики элементарных частиц и обитателей зоопарка частиц дополнена бозоном Хиггса, который придает большинству из них массу.
Обнаружение бозона Хиггса — это не просто установка детектора и ожидание его появления.
Эти частицы существовали только в высокоэнергетических условиях ранней Вселенной.
Это означает, что перед обнаружением этой частицы необходимо воспроизвести эти высокоэнергетические условия и создать бозоны Хиггса.
БАК делает это, разгоняя протоны до околосветовой скорости и сталкивая их друг с другом.
Это создает каскад частиц, которые быстро распадаются на более легкие частицы.
Бозон Хиггса распадается слишком быстро, чтобы его можно было обнаружить, и вместо этого он был идентифицирован путем обнаружения распадов частиц, которые указывали на частицу без спина и соответствовали теоретическим предсказаниям для этого отсутствующего бозона.
Частица была обнаружена как детектором БАК ATLAS, так и детектором Compact Muon Solenoid (CMS).
Объявление об обнаружении бозона Хиггса было сделано в Церне в Женеве 4 июля 2012 года.
Только в марте следующего года было подтверждено, что обнаруженная частица действительно была бозоном Хиггса.
Обнаружение этой частицы, предсказанное стандартной моделью, открытие бозона Хиггса завершило эту картину субатомного мира.
За пределами этой теории все еще остаются загадки, такие как природа темной материи, которую бозон Хиггса — благодаря своим уникальным свойствам — может помочь решить.
Бозон Хиггса после 2012 года
Через год после открытия бозона Хиггса Питер Хиггс и Франсуа Энглер (François Englert) были удостоены Нобелевской премии по физике 2013 года за свою теорию поля Хиггса.
Нобелевский комитет написал о награде: «За теоретическое открытие механизма, который способствует нашему пониманию происхождения массы субатомных частиц, и который недавно был подтвержден открытием предсказанной фундаментальной частицы, экспериментами ATLAS и CMS на Большом Адронном Коллайдере в Церне.»
Открытие бозона Хиггса, возможно, завершило стандартную модель, но это не было концом исследования этой неуловимой частицы.
Одно из главных открытий, сделанных с 2012 года, связано с подтверждением распада бозона Хиггса.
И исследование этой неуловимой частицы будет углубляться во время третьего запуска БАК, особенно когда в 2029 году будет завершена модернизация ускорителя частиц с высокой светимостью.
Это позволит БАК проводить больше столкновений, предоставляя исследователям больше возможностей обнаружить экзотическую физику, включая явления, выходящие за рамки стандартной модели.
По оценкам Церн, каждый год после модернизации ускоритель будет создавать 15 миллионов таких частиц.
Это сопоставимо с 3 миллионами бозонов Хиггса, созданными БАК в 2017 году.
Это может быть ключом к обнаружению других «ароматов» бозона Хиггса.
Теории, выходящие за рамки стандартной модели физики элементарных частиц, также предсказывают целых пять различных типов бозонов Хиггса, которые могут рождаться реже, чем первичный бозон Хиггса.
Еще до модернизации ученые предоставили нам дразнящие доказательства существования «магнитного бозона Хиггса».
Если у вас остались вопросы или вы хотите оставить комментарий по этой статье - напишите его в разделе комментариев ниже.
До скорых встреч! Заходите!
