Простою мовою: бозон Хіггса - що це?

Говорячи простою мовою, бозон Хіггса – це найдорожча частка за весь час. Якщо для відкриття електрона, наприклад, було достатньо вакуумної трубки і пари геніальних умів, пошук бозона Хіггса зажадав створення експериментальної енергії, яку рідко зустрінеш на Землі. Великий адронний колайдер в поданні не потребує, будучи одним з найбільш відомих і успішних наукових експериментів, але його профільна частка, як і раніше, оповита таємницею для більшої частини населення. Вона була названа частинкою Бога, однак, завдяки зусиллям буквально тисяч вчених, ми більше не повинні приймати її існування на віру.

Остання невідома

Що таке бозон Хіггса і в чому важливість його відкриття? Чому він став предметом настільки великий галас, фінансування та дезінформації? З двох причин. По-перше, він був останньою невідкритою частинкою, необхідної для підтвердження Стандартної моделі фізики. Її відкриття означало, що ціле покоління наукових публікацій не було марним. По-друге, цей бозон надає іншим частинкам масу, що надає йому особливого значення і деякий «чари». Ми схильні думати про масу як про внутрішнє властивості речей, але вважають фізики інакше. Говорячи простою мовою, бозон Хіггса – це частинка, без якої маси принципово не існує.

Ще одне поле

Причина криється в так званому поле Хіггса. Воно було описано ще до бозона Хіггса, оскільки фізики розрахували для потреб своїх власних теорій і спостережень, які вимагали наявності нового поля, дія якого поширювалася б на весь Всесвіт. Підкріплення гіпотез шляхом винаходу нових складових Всесвіту небезпечно. У минулому, наприклад, це призвело до створення теорії ефіру. Але чим більше вироблялося математичних розрахунків, тим більше фізики розуміли, що поле Хіггса має існувати в реальності. Єдиною проблемою була відсутність практичних можливостей його спостереження.
У Стандартній моделі фізики елементарні частинки отримують масу допомогою механізму, заснованого на існування поля Хіггса, що пронизує весь простір. Він створює бозони Хіггса, для чого потрібна велика кількість енергії, і це є головною причиною того, чому вчені потребують сучасних прискорювачах частинок для проведення високоенергетичних експериментів.

Звідки береться маса?

Сила слабких ядерних взаємодій зі зростанням відстані швидко падає. Згідно квантової теорії поля, це означає, що частинки, які беруть участь в її створенні – W - і Z-бозони, – повинні володіти масою, на відміну від глюонов і фотонів, у яких маси немає. Проблема полягає в тому, що калібрувальні теорії оперують тільки безмассовыми елементами. Якщо калібрувальні бозони мають масу, то така гіпотеза не може бути обґрунтовано визначена. Механізм Хіггса дозволяє уникнути цієї проблеми шляхом запровадження нового поля, що зветься полем Хіггса. При високих енергіях калібрувальні бозони масою не володіють, і гіпотеза працює, як очікувалося. При низьких енергіях поле викликає порушення симетрії, яке дозволяє елементам мати масу.

Що таке бозон Хіггса?

Поле Хіггса породжує частинки, що називаються бозонами Хіггса. Теорією їх маса не обмовляється, але в результаті експерименту було визначено, що вона дорівнює 125 Гев. Говорячи простою мовою, бозон Хіггса своїм існуванням остаточно підтвердив Стандартну модель. Механізм, поле і бозон носять ім'я шотландського вченого Пітера Хіггса. Хоча він і не був першим, хто запропонував ці поняття, а, як це часто трапляється у фізиці, просто виявився тим, в честь кого вони були названі.

Порушення симетрії

Вважалося, що поле Хіггса несе відповідальність за те, що частинки, які мати масу не повинні, нею володіли. Це універсальне середовище, яка надає частинки без маси різними масами. Таке порушення симетрії пояснюють по аналогії зі світлом – всі довжини хвиль рухаються у вакуумі з однаковою швидкістю, в призмі ж кожна довжина хвилі може бути виділена. Це, звичайно, хибна аналогія, так як біле світло містить всі довжини хвиль, але приклад показує, як уявляється створення полем Хіггса маси завдяки порушенню симетрії. Призма ламає симетрію швидкості різних довжин хвиль світла, розділяючи їх, і поле Хіггса, як вважають, ламає симетрію мас деяких частинок, які в іншому випадку симетрично безмассовы. Як пояснити простою мовою бозон Хіггса? Тільки нещодавно фізики зрозуміли, що якщо поле Хіггса дійсно існує, його дія потребує наявності відповідного носія з властивостями, завдяки яким його можна спостерігати. Передбачалося, що ця частка ставилася до бозонам. Бозон Хіггса простою мовою – це так звана сила-носій, така ж, як фотони, які є носіями електромагнітного поля Всесвіту. Фотони, в деякому розумінні, є його локальними порушеннями так само, як бозон Хіггса є локальним порушенням його поля. Доказ існування частинки з очікуваними фізиками властивостями було фактично рівнозначно безпосереднього доказу існування поля.

Експеримент

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

Остаточне підтвердження

Початкові спостереження, здавалося, насправді спростовували передбачення, і ніяких ознак частинки виявити не вдалося. Деякі дослідники, які брали участь в кампанії за витрачання мільярдів доларів, навіть з'явилися на телебаченні і лагідно констатували факт, що спростування наукової теорії настільки ж важливо, як і його підтвердження. Через деякий час, однак, вимірювання стали складатися в загальну картину, і 14 березня 2013 р. CERN офіційно оголосив про підтвердження існування частинки. Є підстави припускати існування множинних бозонів, але ця ідея потребує подальшого вивчення. Через два роки після того як CERN оголосив про відкриття частинки, вчені, що працюють на Великому адронному колайдері, змогли це підтвердити. З одного боку, це стало величезною перемогою науки, а з іншого багато вчених було розчароване. Якщо хтось сподівався, що бозон Хіггса виявиться частинкою, яка призведе до дивним областях за межами Стандартної моделі – суперсиметрії, темної матерії, темної енергії, – то, на жаль, це виявилося не так. Дослідження, опубліковане в Nature Physics, підтвердило розпад на ферміони. Стандартна модель передбачає, що, говорячи простою мовою, бозон Хіггса є частинкою, яка дає фермионам їх масу. Детектор CMS коллайдера, нарешті, підтвердив їх розпад на ферміони – нижні кварки і тау-лептони.

Бозон Хіггса простою мовою: що це таке?

Дане дослідження остаточно підтвердило, що це бозон Хіггса, передбачений Стандартною моделлю фізики елементарних частинок. Він розташований в області маси-енергій 125 Гев, не має спина, і може розпадатися на безліч більш легких елементів – пар фотонів, фермионов і т. д. Завдяки цьому можна впевнено говорити про те, що бозон Хіггса, простою мовою кажучи, є частинкою, що дає масу всього. Розчарувало поведінку нововідкритого елемента. Якщо б його розпад хоч трохи відрізнявся, він був би пов'язаний з фермионами інакше, і виникли нові напрями досліджень. З іншого боку, це означає, що ми ні на крок не просунулися за межі Стандартної моделі, яка не враховує гравітацію, темну енергію, темну матерію і інші химерні явища реальності. Зараз можна тільки здогадуватися про те, чим вони викликані. Найбільш популярна теорія суперсиметрії, яка стверджує, що кожна частка Стандартної моделі має неймовірно важкого суперпартнера (таким чином, складаючи 23 % Всесвіту – темної матерії). Оновлення коллайдера з подвоєнням його енергії зіткнень до 13 Тев, ймовірно, дозволить виявити ці суперчастицы. В іншому випадку суперсиметрії доведеться почекати побудови більш потужного наступника LHC.

Подальші перспективи

Так яка буде фізика після бозона Хіггса? LHC зовсім нещодавно відновив свою роботу з істотними поліпшеннями і здатний побачити все - від антиречовини до темної енергії. Вважається, що темна матерія взаємодіє зі звичайною виключно за допомогою гравітації і через створення маси, і значення бозона Хіггса є ключовим для розуміння того, як саме це відбувається. Основний недолік Стандартної моделі полягає в тому, що вона не може пояснити дію сили тяжіння – таку модель можна було б назвати Великою єдиною теорією, і деякі вважають, що частка і поле Хіггса можуть стати тим мостом, який фізики так відчайдушно намагаються знайти. Існування бозона Хіггса підтвердилося, але до повного його розуміння ще дуже далеко. Спростовано майбутні досліди суперсиметрію і ідею про її розкладанні на саму темну матерію? Або вони підтвердять все, до найдрібніших подробиць, передбачення стандартної моделі властивостей бозона Хіггса і з даною областю досліджень буде покінчено назавжди?