Что такое бозон хиггса. Долгожданное открытие: бозон Хиггса
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:
- Гравитационное.
- Сильное.
- Слабое.
- 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:
- Со школьной скамьи Питер увлекался математикой и физикой, читал лекции и работы популярных научных деятелей.
- После школы он поступил в Королевский колледж в Лондоне и благополучно его закончил, защитив диссертацию по физике.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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:
- Кварк-антикварк.
- W-бозоны.
- Лептоны.
- Тау-частицы.
- Фермионы.
- 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:
В физике по сей день остается немало понятий и явлений, которые являются непостижимыми для обычного человеческого восприятия. Одним из таких оригинальных понятий можно по праву назвать бозон Хиггса. Стоит более детально рассмотреть, что мы о нем знаем и насколько это явление может быть раскрыто для простых обывателей.
Бозоном Хиггса называют элементарную частицу, которая имеет свойство возникать в процессе хиггсовского механизма спонтанного нарушения электрослабой симметрии в стандартной модели физики элементарных частиц.
Долгие поиски элементарной частицы
Частицу постулировал британский физик Питер Хиггс в вышедших в 1964 году фундаментальных статьях. И лишь через несколько десятилетий предсказанное теоретически понятие было закреплено конкретными результатами поисков. В 2012 году была обнаружена новая частица, которая и стала наиболее явным кандидатом на эту роль. А уже в марте 2013 информация подтвердилась отдельными исследователями CERN , и найденную частицу признали бозоном Хиггса.
Для такого рода серьезных исследований был , на котором много лет продолжаются испытания и разработки. Но даже выявленные результаты специалисты не спешат открыто обнародовать, предпочитая более тщательно все перепроверить и доказать.
Бозон Хиггса является последней найденной частицей Стандартной модели. При этом в средствах массой информации официальный физический термин называют «проклятой частицей» – по предложенному Леоном Ледерманом варианту. Хотя в заглавии своей книги нобелевский лауреат употребил выражение «частица бога», впоследствии не прижившееся.
Хиггсовский бозон на доступном языке
Что такое бозон Хиггса многие ученые пытались объяснить наиболее доступно для среднестатистического мышления. Министром науки Великобритании в 1993 году даже был объявлен конкурс на самое простое объяснение данного физического понятия. Более доступной при этом признали сравнительный вариант с вечеринкой. Выглядит вариант следующим образом:
- в большую комнату, в которой начинается вечеринка, в определенный момент заходит известная личность;
- за известной личностью движутся гости, которые хотят пообщаться с человеком, при этом данная личность передвигается с меньшей скоростью, чем все остальные;
- затем в общей массе начинают собираться отдельные группки (скопления людей), обсуждающие какую-то новость, сплетню;
- люди передают новость от группы к группе, вследствие чего образуются небольшие уплотнения среди народа;
- в итоге создается впечатление, что группы людей обсуждают сплетню, тесно окружив известную личность, но без ее участия.
В сравнительном соотношении выходит, что общее количество людей в комнате – это и есть поле Хиггса, группы людей являются возмущением поля, а сама известная личность – частица, которая в этом поле движется.
Неоспоримая важность бозона Хиггса
Важность элементарной частицы, как бы она в итоге ни называлась, остается неоспоримой. В первую очередь она является необходимой во время осуществления расчетов, проводимых в теоретической физике для изучения строения Вселенной.
Физиками-теоретиками было предположено, что бозонами Хиггса заполнено все пространство, которое нас окружает. И при взаимодействии с другими видами частиц бозоны сообщают им свою массу. Получается, что если есть возможность для вычисления массы элементарных частиц, то и вычисление самого бозона Хиггса можно считать делом решенным.
7 июня 2018 года в культурно-просветительском центре «Архэ» состоялась лекция академика РАН Валерия Рубакова о хиггсовском бозоне и проходящих сейчас на БАКе исследованиях. С любезного согласия «Архэ» публикуем авторизованное В. А. Рубаковым изложение этой лекции, подготовленное Борисом Штерном .
Об открытии бозона Хиггса было сообщено 4 июля 2012 года на семинаре в ЦЕРНе. Было сказано довольно осторожно: открыта новая частица и ее свойства согласуются с предсказанными свойствами бозона Хиггса. И на протяжении последующих лет мы постепенно всё больше убеждались, что свойства точно такие, как предсказывали теоретики, причем в самой наивной модели. Самое главное, что это, как говорят теоретики, не просто новая частица, а представитель нового сектора элементарных частиц - хиггсовского сектора.
Давайте я напомню вам основные положения Стандартной модели. Весь «зоопарк» ее частиц умещается на один слайд. Протоны, нейтроны, π-мезоны - всё это составные частицы. Элементарных частиц не так много. Это семейство лептонов, семейство кварков, составляющие сектор фермионов. Второй сектор - частицы, ответственные за их взаимодействия: фотоны, W- и Z-бозоны, глюоны и гравитоны. Бозоны взаимодействуют не только с фермионами, но и между собой. Самая известная из перечисленных частиц - фотон.
Самые интересные по своим проявлениям - глюоны, именно они связывают кварки в протоне так, что невозможно растащить. W- и Z-бозоны по своей роли похожи на фотон, но они массивны и отвечают за слабые взаимодействия, которые родственны электромагнитным, хотя и выглядят по-другому. Еще должна быть частица гравитон. Ведь гравитационные волны уже открыты, а там, где есть волны, должны быть и частицы. Другое дело, что мы никогда, видимо, не сможем получать и регистрировать гравитоны поодиночке.
И наконец, бозон Хиггса, который представляет собой отдельный сектор на нашем слайде. Это еще одна частица, которая стоит особняком во всем «зоопарке», состоящем из небольшого количества разных видов.
Что такое бозон Хиггса?
Для начала: что же такое бозон? Каждая частица, как волчок, имеет как бы внутренний момент вращения, или спин (это квантовомеханическое явление). Бывает целый и полуцелый спин в единицах постоянной Планка. Частицы со спином 1/2 или 3/2 (любой полуцелый спин) называются фермионами. У бозонов спин целый, что приводит к фундаментальным отличиям в свойствах этих частиц (бозоны любят накапливаться в одном квантово-механическом состоянии, как фотоны в радиоволнах; фермионы, наоборот, этого избегают, из-за чего электроны заселяют разные атомные оболочки. - Ред. ). Так вот, у бозона Хиггса спин равен 0 (а это тоже целое число).
Бозон Хиггса - тяжелая частица. Его масса - 125 ГэВ (для сравнения: масса протона - порядка 1 ГэВ, масса самой тяжелой частицы, t-кварка, - 172 ГэВ). Бозон Хиггса электрически нейтрален.
Новые частицы открывают на ускорителях, они рождаются в столкновениях частиц, в данном случае - в столкновениях протонов. После чего регистрируют продукты распада искомой частицы. Бозон Хиггса распадается в среднем за 10 -22 с. Для тяжелой частицы это не столь маленький срок - топ-кварк, например, живет в 500 раз меньше.
И у бозона Хиггса много разных способов распасться. Один из «золотых каналов» распада - распад на два фотона - довольно редкий: так хиггсовский бозон распадается в двух случаях из тысячи. Но этот путь замечателен тем, что оба фотона высокоэнергичны. В системе покоя хиггсовского бозона каждый фотон имеет энергию 62,5 ГэВ, это большая энергия. Эти фотоны хорошо видны, можно измерить направления их движения, энергию. Еще более чистый канал распада - распад на четыре лептона: на две пары e + и e - , на e + , e - и µ + , µ - или на четыре мюона. Получаются четыре высокоэнергичные заряженные частицы, которые тоже хорошо видны, у них можно измерить энергию и направление вылета.
Как узнать, что мы видим именно распад бозона Хиггса? Допустим, мы зарегистрировали два фотона. При этом есть много других процессов, приводящих к рождению двух фотонов. Но если фотоны произошли от распада некой частицы, то по ним можно определить ее массу. Для этого надо вычислить энергию двух фотонов в системе отсчета, где они летят в противоположных направлениях с одинаковой энергией - в системе центра масс. В нашей системе отсчета это вполне определенная комбинация энергий фотонов и угла разлета между ними. Она называется инвариантной массой системы частиц. Если фотоны - продукты распада бозона Хиггса, их инвариантная масса должна равняться массе бозона с точностью до ошибок измерения. То же самое, если бозон распался на четыре частицы.
На рис. 2 показано распределение событий по инвариантной массе двух фотонов. Последняя отложена по горизонтальной оси, а по вертикальной отложено число событий. Есть непрерывный фон, и есть «нашлепка» в районе инвариантной массы 125 ГэВ. Возможно, вы будете смеяться, но эта «нашлепка» и есть бозон Хиггса. Подобный пик вырисовывается и в инвариантной массе четырех лептонов (e + , e - , µ + , µ -), на которые он тоже распадается. Только это происходит в одном из десяти тысяч распадов. То есть надо породить миллион бозонов Хиггса, чтобы накопить сто распадов на две лептонные пары. И это было сделано.
Измерить энергию и направление вылета (стало быть, импульс) заряженного электрона или мюона можно с гораздо более высокой точностью, чем в случае фотона. Именно для этого детектор обладает сильным магнитным полем: искривление траектории заряженной частицы в магнитном поле позволяет определить ее импульс (а также знак заряда). Кроме того, изолированных лептонов высоких энергий рождается мало, а уж тем более невелико число четверок изолированных лептонов (изолированных, т. е. вне адронной струи). Поэтому фон для распада на четыре лептона мал.
Наконец, исследователями на БАКе отбирались события, в которых инвариантная масса одной пары лептонов противоположного знака равна массе Z-бозона (хиггс распадается на реальный Z и виртуальный Z), что еще сильнее давит фон. Но распад на четыре лептона на самом деле не лучше распада на два фотона, поскольку вероятность распада на два фотона гораздо выше, погрешности в его измерении компенсируются большей статистикой.
Почему бозон Хиггса открыли лишь недавно
Тут два обстоятельства. Во-первых, искомая частица тяжелая. Значит, нужен ускоритель на большую энергию. Во-вторых, надо иметь большую интенсивность пучков, чтобы число столкновений было достаточным. Физики используют слово «светимость», отражающее количество столкновений в единицу времени. У вас должно быть очень много столкновений.
С энергией вроде бы всё было нормально, ведь до Большого адронного коллайдера работал Тэватрон - коллайдер в США. Полная энергия у него была 2 ТэВ. Вроде неплохо, ведь бозон Хиггса - 125 ГэВ. В принципе, по энергии Тэватрон мог рождать бозоны Хиггса. Но у него была недостаточная светимость. Ему не хватило рожденных бозонов Хиггса.
Несколько слов про БАК
Большой адронный коллайдер - сооружение, примечательное во всех отношениях. Это сверхпроводящий ускоритель-накопитель, находящийся под землей. Длина его кольца - 27 км, и всё это кольцо состоит из магнитов, которые удерживают протоны в этом кольце, сверхпроводящих магнитов. На тот момент, когда БАК строился, это было последнее технологическое достижение. Сейчас есть довольно успешные попытки получать более мощное магнитное поле в магнитах. Но в то время это было самое-самое. Вообще, всё, что там делается, - это пик современных технологий, на самом краю человеческих возможностей.
Сначала БАК ускорял протоны до суммарной энергии 7 ТэВ, потом - 8 ТэВ. Каждый протон, сталкиваясь, имел энергию 4 ТэВ. Начав стабильно работать в 2010 году на энергии в 7 ТэВ, в 2011 году БАК перешел на энергию 8 ТэВ, а проектная энергия у него - 14 ТэВ. Сейчас по хитрым техническим причинам до 14 ТэВ до сих пор не добрались; с 2015 года ускоритель работает на суммарной энергии 13 ТэВ. Светимость у него очень высокая по всем меркам, специалисты в ЦЕРНе, конечно, большие мастера. А собственно столкновения частиц происходят в четырех местах, нас интересуют два из них, где стоят детекторы ATLAS и CMS. Примерно вот так выглядит CMS - компактный мюонный соленоид (рис. 4).
Самая крайняя - мюонная камера, позволяющая регистрировать и измерять параметры мюонов, которые летят через весь детектор, прошивая его насквозь. Всё это заключено в магнитное поле, с тем чтобы по искривлению движения частицы измерить ее импульс.
АTLAS - еще больше. Это такой многоэтажный дом, целиком забитый аппаратурой.
Эти детекторы измеряют энергии, импульсы, направления движения частиц, определяют, что это было - электрон, фотон, мюон или сильно взаимодействующая частица типа протона или нейтрона, - все они имеют свои сигнатуры.
Отдельная интересная история связана с тем, как устроены группы физиков - коллаборации, которые занимаются этим делом. Понятно, чтобы такую гигантскую машину разработать, создать и обслуживать, снимать и обрабатывать данные, следить за тем, чтобы ничего не портилось, искать разнообразные события и интересные явления, нужны большие команды. Они собираются по всему миру. Характерная цифра - 3,5 тыс. физиков в каждой коллаборации, в ATLAS и CMS. Эти группы международные: помимо европейских там специалисты из Америки, Японии, Китая, России и т. д. Общее количество институтов - порядка 200; 150–200 в каждой из коллабораций. Замечательно, что это самоорганизующаяся система. Это система, которая организовалась «снизу», там были свои «отцы-основатели», потихоньку обраставшие в 1990-е годы заинтересованными физиками. Собралось большое количество народу, но никаких начальников, кроме выборных, там нет, все разбиты на группы, подгруппы, отвечающие каждая за свое, так это всё устроено. Несмотря на то что это люди самых разных культур, всё это работает. Не переругались, не перегрызлись между собой.
Надо сказать, что Россия может гордиться и гордится тем, что мы участвуем в этой всей деятельности. В ЦЕРНе и вокруг него все прекрасно понимают и подчеркивают: вклад России вполне весомый и серьезный. Заметная часть ускорителя делалась в Новосибирске. Значительная часть элементов детекторов тоже делалась у нас. И наших участников много, из разных городов, разных институтов. Приблизительно по деньгам, ресурсам и людям на Россию приходится 5–7% от церновских детекторов (зависит от конкретного детектора). Что вполне нормально для нашей страны.
Зачем нужен бозон Хиггса
Перейдем к теоретической части, может быть, немного занудной и муторной, но мне кажется, что полезно понять и объяснить, хотя бы качественно, почему это Энглер, Браут и Хиггс вдруг решили, что должна быть новая частица. Точнее, Хиггс решил, что должна быть новая частица, а Энглер и Браут придумали поле бозона.
Прежде всего надо вспомнить, что всякая частица связана с полем. Частица - это всегда квант некоего поля. Существуют электромагнитное поле, электромагнитные волны, и с ними связан фотон - квант электромагнитного поля. Также и здесь: бозон Хиггса - это квант некоего поля. Можно спросить: зачем нужно новое поле? Энглер и Браут сообразили это первыми.
Тут надо уйти немного в сторону. Миром правят всевозможные симметрии. Например, пространственно-временные, связанные со сдвигами во времени и в пространстве: физика завтра такая же, как вчера, физика здесь такая же, как в Китае. С этими симметриями связаны законы сохранения энергии и импульса. Есть и менее очевидные, с точки зрения нашего повседневного опыта, симметрии - внутренние. Например, в электродинамике есть симметрия, которая приводит к закону сохранения электрического заряда. Ее не видно, кроме как на формулах, но она есть. Вместе с законом сохранения энергии эта симметрия запрещает электрону распадаться. Замечательно, что та же симметрия запрещает фотону иметь массу, и он ее действительно не имеет. Глюоны тоже безмассовые по той же причине - им запрещает иметь массу симметрия, связанная с «цветом». «Цветом» заряжены кварки, и глюоны привязаны к «цвету», как фотоны к заряду.
А вот частицы, которые отвечают за слабые взаимодействия, - W- и Z-бозоны - массивные. Неприятность заключается в том, что они очень похожи на фотоны: электрон может рассеяться на электроне, обменявшись фотоном, а может - Z-бозоном. Процессы очень похожи, хочется приписать слабым взаимодействиям симметрию того же типа, что имеют электромагнитные (она называется калибровочной симметрией), но масса W и Z - переносчиков слабого взаимодействия - не позволяет этого сделать, она нарушает калибровочную симметрию.
Почему же эта красивая симметрия оказалась нарушенной? Оказывается, это довольно универсальное явление в природе: многие симметрии существуют в первичных законах природы, но оказались нарушенными в реальной Вселенной. Это явление называется «спонтанным нарушением симметрии».
Представим себе, что мы с вами - маленькие человечки, которые живут в постоянном магните, в намагниченном куске железа. Проводим эксперимент с электронами: получаем электрон-позитронные пары (у нас там есть маленький ускоритель, излучаем электроны). Так вот, эти электроны летят в магните не по прямой. Из-за того что есть магнитное поле, они на него «навиваются» и летят по спирали. Мы с вами измеряем их и говорим: ребята, у нас есть выделенное направление, у нас мир не изотропен, у нас есть выделенная ось, на которую наматываются электроны.
Но если мы с вами умные теоретики, то догадаемся, что дело не в том, что пространство имеет выделенное направление, а в том, что в этом пространстве есть магнитное поле. Мы поймем: если бы нам удалось убрать это магнитное поле, то в пространстве все направления были бы равноправными. Мы решим, что симметрия по отношению к вращению есть, но она нарушена тем, что в пространстве есть магнитное поле. А если бы мы были еще более умными теоретиками, то, поняв, что есть такое новое поле, обеспечивающее нарушение симметрии, сказали, что должен быть и его квант. И предсказали бы фотон. И правильно бы предсказали! Симметрия может быть нарушена, если есть разлитое в пространстве поле, которое эту симметрию нарушает.
И вот в физике микромира ровно это и происходит. С некоторыми отличиями. Отличия в том, что симметрия не пространственная, не относительно пространственных вращений, как в магните, а внутренняя. И никакого железа тут у нас нет, эта симметрия нарушена прямо в вакууме. Наконец, в отличие от магнитного поля, здесь нужно новое поле. Это и есть поле Энглера, Браута и Хиггса, которое обеспечивает это нарушение. И тонкость еще в том, что магнитное поле - это вектор, у него есть направление, а вот это поле должно быть скаляром, чтобы не нарушить симметрию относительно пространственных вращений. Оно не должно быть никуда направлено. Частица этого поля должна иметь спин, равный нулю.
Такая картинка была предложена и облечена в формулы Энглером и Браутом, затем Хиггсом. Но Энглер и Браут как-то не обратили внимания на то, что их теория предсказывает новую частицу. А Хиггс, который опубликовал свою работу немного позже, на это внимание обратил, причем с подачи рецензента, который спросил, есть ли у Хиггса в статье какие-то новые вещи, про которые Энглер и Браут не сказали. Хиггс подумал-подумал и заявил, что должна быть новая частица. Поэтому ее и назвали «бозоном Хиггса».
Что дальше?
Пока что всё было «во здравие». Но остаются вопросы. С одной стороны, картина с бозоном Хиггса непротиворечива. Формально всё можно посчитать, всё можно вычислить, имея известные параметры этой теории - константы связи, массы. Но окончательного удовлетворения эта картина не приносит. И одно из самых главных мест, не дающих спокойно спать физикам, - это то, что в природе есть очень разные энергетические масштабы взаимодействий.
У сильных взаимодействий между кварками и глюонами свой характерный масштаб. Это, грубо говоря, масса протона - 1 ГэВ. Есть масштаб слабых взаимодействий, 100 ГэВ (массы W, Z, хиггсовского бозона). И этот масштаб как раз и есть масштаб хиггсовского поля - примерно 100 ГэВ. И это бы еще ничего, но есть еще масса Планка - гравитационный масштаб. Который аж 10 19 ГэВ. И, конечно, уже странно: что за история такая, почему эти масштабы такие все разные?
С масштабами сильных взаимодействий такой проблемы нет: есть механизм, позволяющий понять отличие этого масштаба от гравитационного (ну, по крайней мере, замести наше недоумение под ковер). А вот с масштабом бозона Хиггса дело плохо. Почему? Потому что, вообще-то, в природе есть вакуум - состояние без частиц. И это вовсе не абсолютная пустота - в том смысле, что в вакууме всё время протекают виртуальные процессы: рождение-уничтожение пар частиц и флуктуации полей. Всё время там идет жизнь. Однако поскольку это вакуум и в нем нет никаких частиц, нам этого напрямую не видно. А косвенно - очень даже видно. Например, процессы рождения виртуальных пар влияют на свойства атомов, меняют их энергетические уровни. Это давно известный лэмбовский сдвиг, вычисленный в 1930-х и измеренный в 1940-х. Влияют, как правило, не очень сильно. Вот этот лэмбовский сдвиг атомных уровней - всего лишь доли процента.
Но есть одно место, где вакуум «стреляет» на 100%. Это как раз масса бозона Хиггса. Выясняется, что если вы начнете учитывать рождение и уничтожение виртуальных частиц и наивно попытаетесь провести вычисление - сколько же эти процессы вкладывают в массу бозона Хиггса, - то убедитесь, что эти явления стремятся подтянуть массу бозона Хиггса к планковской массе. Они не дают бозону Хиггса быть легким.
И это, действительно, страшное дело. Очень хочется понять, почему реально в природе электрослабый масштаб такой маленький по сравнению с гравитационным масштабом 10 19 ГэВ. Это объясняется, может быть, тем, что мы плохо знаем физику при не очень высоких энергиях, при энергиях масштаба 1 ТэВ. Дело в том, что если физика меняется на масштабе тераэлектронвольт, то, может быть, там и происходят чудеса: влияние вакуума почему-то оказывается маленьким, несущественным. Такая идея. Возможно, БАК еще не всё открыл, и должны быть новые явления, которые ему доступны. Его энергия, напоминаю, - 14 ТэВ. Правда, это столкновения протона с протоном. Кварк с кварком имеют энергию столкновения примерно в шесть раз меньше. Поэтому реальный масштаб энергии, который изучается БАКом, - это 2–3 ТэВ. Но все-таки это тот самый масштаб, на котором (как нам хотелось бы) может появиться новая физика, совершенно новые физические явления.
И я вам должен сказать, что на самом деле сейчас ситуация очень стремная. Потому что БАК уже поработал почти на своей проектной энергии - 13 ТэВ, он отлично на ней отработал 2017 год, и сейчас эта работа продолжается. И нет пока никаких - никаких! - указаний на эту новую физику, на которую мы всё надеемся. Все эти соображения, про которые я вам говорю, не подтверждаются. То ли еще светимости не хватило, столкновений маловато, статистики маловато. То ли что-то тут совсем не то, и все эти достаточно убедительные, но не стопроцентно железные аргументы, может быть, неправильны.
Какая может быть новая физика? Очень большие надежды были на суперсимметрию. Она замечательна тем, что это теория, в которой есть дополнительная симметрия по сравнению со всеми известными. Которая связывает частицы с целым и полуцелым спином - бозоны и фермионы. Кстати сказать, эта симметрия была предложена теоретиками здесь в Москве, в ФИАНе, в 1970-х годах.
В контексте физики элементарных частиц это значит следующее: если у вас есть кварк со спином 1/2, то у него должен быть партнер, которого недолго думая назвали скалярный кварк, - «скварк» со спином 0. У электрона должен быть партнер - скалярный электрон, у фотона партнером должно быть фотино со спином 1/2, у глюона - глюино, у гравитона - гравитино.
Кроме гравитино, все эти частицы, если они легкие, должны рождаться на Большом адронном коллайдере. Вообще, горячие головы говорили так: включится БАК - и первым делом найдут отнюдь не бозон Хиггса, а суперсимметрию. И это мнение разделялось не только многими теоретиками, но и бедными экспериментаторами, которым теоретики запудрили мозги. Однако суперсимметрия до сих пор не открыта, только есть ограничения на массы вышеперечисленных частиц. Вообще, уже не похоже, что суперсимметрия есть в природе при не очень высоких энергиях.
Почему суперсимметрия хороша? Оказывается, вклады виртуальных частиц в массу бозона Хиггса имеют разные знаки для разных спинов. При суперсимметрии бозонный и фермионный вклады сокращаются до нуля, и если у вас есть фотоны и фотино или W-бозоны и ви́но, то их вклады тоже сокращаются до нуля. Если массы частиц и их суперпартнеров разные - а это так и есть, нет скалярного электрона с такой же массой, как у электрона, это мы точно знаем, - то это сокращение происходит не до нуля. Но если массы суперпартнеров - в районе тераэлектронвольт, то как раз получается, что эти вклады имеют масштаб сотни гигаэлектронвольт, и тогда всё хорошо. Но это уже не работает. Уже сейчас ограничения на эти массы такие сильные, что данный механизм сокращения полностью не работает, 100 ГэВ не получить. Если наивно вычислять, то должно получиться что-то вроде 500–700 ГэВ для массы бозона Хиггса. Так что сейчас ситуация с поиском суперсимметрии очень напряженная.
Есть еще сценарии: например, бозон Хиггса может быть составным, не обязательно элементарным. И вообще, в физике конденсированных сред известны аналоги механизма Хиггса, и там аналог бозона Хиггса или хиггсовского поля не элементарный, а составной. Самый известный пример - это сверхпроводимость. В сверхпроводнике фотон как бы имеет массу, это так называемый эффект Мейснера. Теория Энглера - Браута - Хиггса - это почти один в один теория Гинзбурга - Ландау, которая была предложена лет за десять до Энглера - Браута - Хиггса.
Если бозон Хиггса - составной, тогда всё меняется, и огромные вклады от взаимодействия с вакуумом исчезают, появляется размер составной системы, как у протона. Если этот размер составляет 10 -18 см, то соответствующая энергия системы оказывается разумной, при этом внутренняя структура пока остается неразличимой. У таких моделей есть свои предсказания, но опять-таки до сих пор ничего похожего на ускорителе не видно.
Может быть, мы чего-то сильно не понимаем, теоретики чего-то сильно не додумали, не открыли в своих головах. Конечно, на Большом адронном коллайдере есть программа поиска новых явлений, не опирающаяся на теоретические предсказания. Будем искать, где можем, «где есть фонари» - под ними и будем искать. И будем пытаться найти отличия от Стандартной модели везде, где только это можно сделать. До сих пор ничего этого нет, и Стандартная модель прекрасно работает.
В заключение скажу: сейчас мы находимся на очень интересном этапе развития физики элементарных частиц. С одной стороны, есть уверенность, что Стандартная модель - это еще не вся история. Есть еще пришедшие из космологии жесткие, однозначные свидетельства того, что Стандартная модель неполна, - в первую очередь это темная материя: во Вселенной есть массивные частицы, которые составляют темную материю, их по массе примерно в пять раз больше, чем обычного вещества.
Сейчас такая ситуация, что физика элементарных частиц снова стала экспериментальной наукой. В 1950–1960-е годы эта область физики была экспериментальной наукой, когда шли эксперименты, их результаты осмысливались и создавались теории. Однако на протяжении всей моей сознательной жизни всё было наоборот: теоретики делали предсказания, а экспериментаторы их подтверждали. Сейчас мы опять пришли к ситуации, когда мы полностью завязаны на эксперимент, не зная, что он нам покажет. Ждем, держим пальцы крестиком, но пока ничего интересного БАК нам не говорит. Кроме того, что есть бозон Хиггса...
Какая новая физика появится в конце концов, мы тоже не знаем. Так что ситуация интересная, важное открытие сделано, но каким будет следующее открытие, никто сегодня сказать не может. Может быть, это и хорошо, это заставляет нас напрягаться и думать, а экспериментаторов - искать новые явления. Надеюсь, что эти поиски завершатся успехом.
Говоря простым языком, бозон Хиггса - это самая дорогая частица за все время. Если для например, было достаточно вакуумной трубки и пары гениальных умов, поиск бозона Хиггса потребовал создания экспериментальной энергии, которую редко встретишь на Земле. Большой адронный коллайдер в представлении не нуждается, будучи одним из самых известных и успешных научных экспериментов, но его профильная частица, как и раньше, окутана тайной для большей части населения. Она была названа частицей Бога, однако, благодаря усилиям буквально тысяч ученых, мы больше не должны принимать ее существование на веру.
Последняя неизвестная
Что такое и в чем важность его открытия? Почему он стал предметом столь большой шумихи, финансирования и дезинформации? По двум причинам. Во-первых, он был последней неоткрытой частицей, необходимой для подтверждения Стандартной модели физики. Ее открытие означало, что целое поколение научных публикаций не было напрасным. Во-вторых, этот бозон дает другим частицам их массу, что придает ему особое значение и некоторое «волшебство». Мы склонны думать о массе как о внутреннем свойстве вещей, но физики считают иначе. Говоря простым языком, бозон Хиггса - это частица, без которой массы принципиально не существует.
Еще одно поле
Причина кроется в так называемом поле Хиггса. Оно было описано еще до бозона Хиггса, поскольку физики его рассчитали для нужд своих собственных теорий и наблюдений, требовавших наличия нового поля, действие которого распространялось бы на всю Вселенную. Подкрепление гипотез путем изобретения новых составляющих Вселенной опасно. В прошлом, например, это привело к созданию теории эфира. Но чем больше производилось математических расчетов, тем больше физики понимали, что поле Хиггса должно существовать в реальности. Единственной проблемой было отсутствие практических возможностей его наблюдения.
В Стандартной модели физики получают массу посредством механизма, основанного на существовании поля Хиггса, пронизывающего все пространство. Он создает бозоны Хиггса, для чего требуется большое количество энергии, и это является главной причиной того, почему ученые нуждаются в современных ускорителях частиц для проведения высокоэнергетических экспериментов.
Откуда берется масса?
Сила слабых ядерных взаимодействий с ростом расстояния быстро падает. Согласно квантовой теории поля, это означает, что частицы, которые участвуют в ее создании - W- и Z-бозоны, - должны обладать массой, в отличие от глюонов и фотонов, у которых массы нет.
Проблема заключается в том, что калибровочные теории оперируют только безмассовыми элементами. Если калибровочные бозоны имеют массу, то такая гипотеза не может быть разумно определена. Механизм Хиггса позволяет избежать этой проблемы путем введения нового поля, называемого полем Хиггса. При высоких энергиях калибровочные бозоны массой не обладают, и гипотеза работает, как ожидалось. При низких энергиях поле вызывает нарушение симметрии, которое позволяет элементам иметь массу.
Что такое бозон Хиггса?
Поле Хиггса порождает частицы, называемые бозонами Хиггса. Теорией их масса не оговаривается, но в результате эксперимента было определено, что она равна 125 ГэВ. Говоря простым языком, бозон Хиггса своим существованием окончательно подтвердил Стандартную модель.
Механизм, поле и бозон носят имя шотландского ученого Питера Хиггса. Хотя он и не был первым, кто предложил эти понятия, а, как это часто случается в физике, просто оказался тем, в честь кого они были названы.
Нарушение симметрии
Считалось, что поле Хиггса несет ответственность за то, что частицы, которые иметь массу не должны, ею обладали. Это универсальная среда, наделяющая частицы без массы различными массами. Такое нарушение симметрии объясняют по аналогии со светом - все длины волн движутся в вакууме с одинаковой скоростью, в призме же каждая длина волны может быть выделена. Это, конечно, некорректная аналогия, так как белый свет содержит все длины волн, но пример показывает, как представляется создание полем Хиггса массы благодаря нарушению симметрии. Призма ломает симметрию скорости различных длин волн света, разделяя их, и поле Хиггса, как полагают, ломает симметрию масс некоторых частиц, которые в противном случае симметрично безмассовы.
Как объяснить простым языком бозон Хиггса? Только недавно физики поняли, что если поле Хиггса действительно существует, его действие потребует наличия соответствующего носителя со свойствами, благодаря которым его можно наблюдать. Предполагалось, что эта частица относилась к бозонам. Бозон Хиггса простым языком - это так называемая сила-носитель, такая же, как фотоны, которые являются носителями электромагнитного поля Вселенной. Фотоны, в некотором смысле, являются его локальными возбуждениями так же, как бозон Хиггса является локальным возбуждением его поля. Доказательство существование частицы с ожидаемыми физиками свойствами было фактически равнозначно непосредственному доказательству существования поля.
Эксперимент
Многие годы планирования позволили Большому адронному коллайдеру (LHC) стать опытом, достаточным для потенциального опровержения теории бозона Хиггса. 27-км кольцо сверхмощных электромагнитов может ускорить заряженные частицы до значительных долей вызывая столкновения достаточной силы, чтобы разделить их на составляющие, а также деформировать пространство вокруг точки удара. Согласно расчетам, при энергии столкновения достаточно высокого уровня можно зарядить бозон так, что он распадется и это можно будет наблюдать. Эта энергия была настолько большой, что некоторые даже запаниковали и предрекали конец света,а фантазия других разошлась настолько, что обнаружение бозона Хиггса описывалось как возможность заглянуть в альтернативное измерение.
Окончательное подтверждение
Первоначальные наблюдения, казалось, на самом деле опровергали предсказания, и никаких признаков частицы обнаружить не удалось. Некоторые исследователи, участвовавшие в кампании за расходование миллиардов долларов, даже появились на телевидении и кротко констатировали факт, что опровержение научной теории столь же важно, как и его подтверждение. Через некоторое время, однако, измерения стали складываться в общую картину, и 14 марта 2013 г. CERN официально объявил о подтверждении существования частицы. Есть основания предполагать существование множественных бозонов, но эта идея нуждается в дальнейшем изучении.
Через два года после того как CERN объявил об открытии частицы, ученые, работающие на Большом адронном коллайдере, смогли это подтвердить. С одной стороны, это стало огромной победой науки, а с другой много ученых было разочаровано. Если кто-то надеялся, что бозон Хиггса окажется частицей, которая приведет к странным и удивительным областям за пределами Стандартной модели - суперсимметрии, темной материи, темной энергии, - то, к сожалению, это оказалось не так.
Исследование, опубликованное в Nature Physics, подтвердило распад на фермионы. предсказывает, что, говоря простым языком, бозон Хиггса является частицей, которая дает фермионам их массу. Детектор CMS коллайдера, наконец, подтвердил их распад на фермионы - нижние кварки и тау-лептоны.
Бозон Хиггса простым языком: что это такое?
Данное исследование окончательно подтвердило, что это бозон Хиггса, предсказанный Стандартной моделью физики элементарных частиц. Он расположен в области массы-энергий 125 ГэВ, не имеет спина, и может распадаться на множество более легких элементов - пар фотонов, фермионов и т. д. Благодаря этому можно уверенно говорить о том, что бозон Хиггса, простым языком говоря, является частицей, дающей массу всему.
Разочаровало стандартное поведение новооткрытого элемента. Если бы его распад хоть немного отличался, он был бы связан с фермионами иначе, и возникли бы новые направления исследований. С другой стороны, это означает, что мы ни на шаг не продвинулись за пределы Стандартной модели, которая не учитывает гравитацию, темную энергию, темную материю и другие причудливые явления реальности.
Сейчас можно только догадываться о том, чем они вызваны. Наиболее популярна теория суперсимметрии, которая утверждает, что каждая частица Стандартной модели имеет невероятно тяжелого суперпартнера (таким образом, составляя 23 % Вселенной - темной материи). Обновление коллайдера с удвоением его энергии столкновений до 13 ТэВ, вероятно, позволит обнаружить эти суперчастицы. В противном случае суперсимметрии придется подождать постройки более мощного преемника LHC.
Дальнейшие перспективы
Так какова будет физика после бозона Хиггса? LHC совсем недавно возобновил свою работу с существенными улучшениями и способен увидеть все - от антивещества до темной энергии. Считается, что взаимодействует с обычной исключительно посредством гравитации и через создание массы, и значение бозона Хиггса является ключевым для понимания того, как именно это происходит. Основной недостаток Стандартной модели состоит в том, что она не может объяснить действие силы тяжести - такую модель можно было бы назвать Великой единой теорией, - и некоторые полагают, что частица и поле Хиггса могут стать тем мостом, который физики так отчаянно пытаются найти.
Существование бозона Хиггса подтвердилось, но до полного его понимания еще очень далеко. Опровергнут ли будущие опыты суперсимметрию и идею о ее разложении на саму темную материю? Или они подтвердят все, до мельчайших подробностей, предсказания стандартной модели о свойствах бозона Хиггса и с данной областью исследований будет покончено навсегда?
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 .
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.
