Що таке бозон Хіггса, і чому його так шукали?

Бозон Хіггса фізики являє собою елементарну частинку, яка, на думку вчених, грає фундаментальну роль в утворенні маси у Всесвіті. Підтвердження або спростування існування цієї частки було однією з основних цілей використання Великого Адронного Коллайдера (БАК) - найпотужнішого прискорювача частинок у світі, який знаходиться в Європейській лабораторії фізики елементарних частинок (CERN) недалеко від Женеви.

Чому так було важливо знайти бозон Хіггса

В сучасній фізиці елементарних частинок існує певна стандартна модель. Єдиною часткою, яку передбачає ця модель, яку вчені намагалися довго виявити, є названий бозон. Стандартна модель частинок (згідно з експериментальними даними) описує всі взаємодії і перетворення між елементарними частинками. Однак залишалося єдине "біла пляма" у цій моделі - відсутність відповіді на питання про походження маси. Важливість маси не викликає сумніву, адже без неї Всесвіт була б зовсім іншою. Якби у держави не було маси, то не існували б атоми і сама матерія, не було б біології і хімії, не було б, зрештою, людини. Щоб пояснити концепцію існування маси, кілька фізиків, серед яких був британець Пітер Хіггс, ще в 60-х роках минулого століття висунули гіпотезу про існування так званого поля Хіггса. За аналогією з фотоном, який є часткою електромагнітного поля, поле Хіггса також вимагає існування його частинки-носія. Таким чином, бозони Хіггса простими словами – це частинки, з безлічі яких утворюється поле Хіггса.

Частинка Хіггса і поле, яке вона створює

Всі елементарні частинки можна розділити на два типу:

Ферміони.

Бозони.

Ферміони - це ті частинки, які утворюють відому нам матерію, наприклад, протони, електрони і нейтрони. Бозони є елементарними частинками, які обумовлюють існування різного типу взаємодії між фермионами. Наприклад, бозонами є фотон - носій електромагнітного взаємодії, глюон - носій сильного або ядерної взаємодії, бозони Z і W, які відповідають за слабка взаємодія, тобто за перетворення між елементарними частинками. Якщо говорити простою мовою про бозон Хіггса і про сенс гіпотези, яка пояснює появу маси, то слід уявити, що ці бозони розподілені в просторі Всесвіту і утворюють безперервне поле Хіггса. Коли яке-небудь тіло, атом або елементарна частинка відчувають "тертя" про це поле, тобто взаємодіють з ним, то це взаємодія проявляється як існування маси цього тіла або частинки. Чим сильніше тіло "треться" частинка про поле Хіггса, тим більша його маса.

Як можна виявити, і де копати бозон Хіггса

Прямим способом цей бозон виявити не вдається, оскільки (згідно з теоретичними даними) після його появи він миттєво розпадається на інші більш стійкі елементарні частинки. А ось що з'явилися після розпаду бозона Хіггса частинки вже можна виявити. Саме вони є "слідами", свідчать про існування цієї важливої частки. Вчені, щоб виявити частку бозон Хіггса, зіштовхували високоенергетичні пучки протонів. Величезна енергія протонів при зіткненні здатна перейти в масу, згідно відомому рівнянню Альберта Ейнштейна E = mc 2 . У зоні зіткнення протонів у колайдері розташовано безліч детекторів, які дозволяють реєструвати поява і розпад будь-яких частинок.
Маса бозона Хіггса теоретично не була встановлена, а був визначений лише можливий набір її значень. Для виявлення частинки потрібні потужні прискорювачі. Великий Адронний Коллайдер (БАК) є самим потужним на даний момент прискорювачем на планеті Земля. З його допомогою вдавалося зіштовхувати протони з енергією, близькою до 14 тетраэлектронвольтам (Тев). В даний час він працює з енергіями близько 8 Тев. Але навіть цих енергій виявилося достатньо для виявлення бозона Хіггса або частинки Бога, як її ще називають багато.

Випадкові і реальні події

У фізиці елементарних частинок існування того чи іншого події оцінюється з певною ймовірністю "сигма", яка визначає випадковість чи реальність цієї події, отриманого в експерименті. Щоб збільшити ймовірність будь-якої події, необхідно проаналізувати велику кількість даних. Пошуки і відкриття бозона Хіггса ставляться до подібного роду ймовірних подій. Для виявлення цієї частки в БАК генерувалося близько 300 млн зіткнень за одну секунду, таким чином кількість даних, яке потрібно було проаналізувати, було величезним. Можна говорити про реальний спостереженні конкретної події з упевненістю, якщо його "сигма" буде дорівнює 5 і більше. Це еквівалентно події з монетою (якщо її підкинути, і вона 20 разів поспіль впаде решкою). Такий результат відповідає ймовірності менш 000006%.

Як тільки виявлено це "нове" реальна подія, необхідно детально його вивчити, відповівши на питання, чи точно ця подія відповідає частці Хіггса або це якась інша частка. Для цього необхідно ретельно вивчати властивості продуктів розпаду цієї нової частинки і порівнювати їх з результатами теоретичних передбачень.

Експерименти БАК і відкриття частинки маси

Пошуки частинки маси, які виконувалися на колайдерах БАК в Женеві і Теватрон в лабораторії Фермі в США, встановили, що частинка Бога повинна володіти масою більшою, ніж 114 гігаелектронвольт (Гев), якщо її висловлювати в енергетичному еквіваленті. Для прикладу скажемо, що маса одного протона приблизно відповідає 1 Гев. Інші експерименти, які були спрямовані на пошук даної частки, з'ясували, що її маса не може перевищувати 158 Гев. Перші результати пошуку бозона Хіггса в БАК були представлені ще в 2011 році, завдяки аналізу даних, які збиралися в колайдері протягом одного року. За цей час було проведено два основних експерименту із зазначеної проблеми - ATLAS і CMS. Згідно з цим експериментам, бозон має масу між 116 і 130 Гев або між 115 і 127 Гев. Цікаво відзначити, що в обох названих експериментах в БАК за багатьма ознаками маса бозона знаходиться в вузькій області між 124 і 126 Гев. Пітер Хіггс разом зі своїм колегою Франком Энглертом 8 жовтня 2013 року отримали Нобелівську премію за відкриття теоретичного розуміння механізму існування маси елементарних частинок, який було підтверджено в експериментах ATLAS і CMS на БАК CERN (Женева), коли був виявлений експериментально передбачений бозон.

Важливість відкриття частинки Хіггса для фізики

Пояснюючи про відкриття бозона Хіггса просто, можна сказати, що воно поклало початок новому етапу у фізиці елементарних частинок, оскільки ця подія надала нові шляхи для подальшого дослідження феноменів Всесвіту. Наприклад, вивчення природи і особливостей чорної матерії, яка за загальними оцінками становить близько 23% всієї відомої Всесвіту, але властивості якої залишаються таємницею до теперішнього часу. Відкриття частинки Бога дозволило продумати і поставити нові експерименти в БАК, які допоможуть прояснити дане питання.

Властивості бозона

Багато властивості частинки Бога, які описуються в стандартної моделі елементарних частинок, в даний час повністю встановлені. Цей бозон має нульовий спін, у нього немає електричного заряду і кольору, тому він не взаємодіє з іншими частинками, такими як фотон і глюон. Однак він взаємодіє з усіма частинками, які володіють масою: кварками, лептонами і бозонами слабких взаємодій Z і W. Чим більше маса частинки, тим сильніше вона взаємодіє з бозоном Хіггса. Крім того, цей бозон є античастинкою для самого себе. Маса частинки, її середній час життя і взаємодія між частинками не передбачає теорія. Ці величини можуть бути виміряні тільки експериментальним шляхом. Результати експериментів на ВАК CERN (Женева) встановили, що маса цієї частки лежить в межах 125-126 Гев, а час її життя становить приблизно 10 -22 секунди.

Відкритий бозон і космічний апокаліпсис

Відкриття цієї частинки вважається одним з найважливіших за всю історію людства. Експерименти з цим бозоном тривають, а вчені отримують нові результати. Одним з них став той факт, що бозон може призвести Всесвіт до загибелі. Причому цей процес вже розпочався (згідно думку вчених). Суть проблеми полягає в наступному: бозон Хіггса може сколлапсировать самостійно якій-небудь частині Всесвіту. Це створить енергетичний міхур, який поступово пошириться, поглинаючи все на своєму шляху. На питання, чи буде кінець світу, кожен учений відповідає позитивно. Справа в тому, що існує теорія, яка називається "Зоряна модель". В ній постулюється очевидне твердження: все має свій початок і свій кінець. Згідно сучасним уявленням, кінець Всесвіту буде виглядати наступним чином: прискорене розширення Всесвіту призводить до розпорошення матерії у просторі. Цей процес буде тривати, поки не згасне остання зірка, після цього Всесвіт зануриться у вічний морок. Через скільки це станеться, ніхто не знає. З відкриттям бозона Хіггса з'явилася ще одна теорія кінця світу. Справа в тому, що деякі фізики вважають, що отримана маса бозона є однією з можливих тимчасових мас, існують інші її значення. Ці значення маси також можуть реалізуватися, оскільки (кажучи простою мовою) бозон Хіггса - це елементарна частинка, яка може проявляти хвильові властивості. Тобто існує ймовірність його переходу в більш стійкий стан, відповідне більшій масі. Якщо такий перехід відбудеться, то всі, відомі людині природні закони, набуде іншого вигляду, тому настане кінець відомої нам Всесвіту. Крім того, даний процес уже міг статися в будь-якій частині Всесвіту. Людству залишається не так багато часу для свого існування.

Користь БАК та інших прискорювачів елементарних частинок для суспільства

Технології, які розробляються для прискорювачів частинок, є корисними і для медицини, інформатики, індустрії, навколишнього середовища. Наприклад, магніти коллайдера, виготовлені з суперпроводящих матеріалів, з допомогою яких розганяються елементарні частинки, які можуть застосовуватися для медичного технологій діагностики. Сучасні детектори різних частинок, що утворюються в колайдері, можуть використовуватися в позитронної томографії (позитрон - це античастинка до електрона). Крім того, технології формування пучків з елементарних частинок в БАК можуть використовуватися для терапії різних захворювань, наприклад, ракових пухлин. Що стосується користі досліджень з допомогою БАК CERN (Женева) для інформаційних технологій, то слід сказати, що глобальна комп'ютерна мережа GRID, а також сам інтернет зобов'язані своїм розвитком багато в чому експериментів з прискорювачами елементарних частинок, які виготовляли величезну кількість даних. Необхідність в обміні цими даними між вченими всього світу привела до створення в ЦЕРН Тімом Бернелсом-Чи мови World Wide Web (WWW), на якому заснований Інтернет. Пучки частинок, які формувалися і формуються в різного роду прискорювачах, в даний час широко використовуються в індустрії дослідження властивостей нових матеріалів, структури біологічних об'єктів і продуктів хімічної промисловості. Досягнення фізики елементарних частинок застосовуються для конструювання сонячних енергетичних панелей, для переробки радіоактивних відходів і так далі.

Вплив відкриття частинки Хіггса на літературу, кіно і музику

Такі факти свідчать про сенсаційності новини відкриття частинки маси у фізиці:

Після виявлення цієї частки було опубліковано науково-популярна книга "Частинка Бога: якщо Всесвіт - це відповідь, то який же питання?" Льва Лидермана. Фізики вважають, що називати бозон Хіггса частинкою Бога є перебільшенням.

У фільмі "Ангели і демони", який заснований на однойменній книзі, використовується також назва бозона "частинка Бога".

У фантастичному фільмі "Соляріс", в якому головними героями є Джордж Клуні і Наташа Макэлхоун, висувається теорія, де згадується поле Хіггса, і його важлива роль у стабілізації субатомних частинок.

У науково-фантастичній книзі "Флешфорвард", написаної Робертом Савьером (Robert Sawyer) у 1999 році, два вчених стають причиною катастрофи, коли ставлять експерименти з виявлення бозона Хіггса.

Іспанський серіал "Ковчег" оповідає про світову катастрофу, за якої всі континенти опинилися затопленими в результаті експериментів на Великому Адронному Колайдері, а вижили тільки люди на кораблі "Полярна Зірка".

Музична група з Мадрида "Aviador Dro" у своєму альбомі "Голос науки" присвятило пісню знайденому бозону маси.

Австралійський співак Нік Кейв у своєму альбомі "Push the Sky Away" одну з пісень назвав "Синій бозон Хіггса".