Просто о сложном: бозон Хиггса или «Частица Бога»

Предисловие

То, что происходит в микромире, весьма трудно воспринимается человеческим разумом. Вы же знаете, что такое электроны? Большинство из вас еще со школьной скамьи представляет их себе, как маленькие шарики, что вращаются вокруг ядра. Протоны и нейтроны? Это тоже шарики, да?

Те, кто когда-то пытался немного разобраться с квантовой механикой, представляет себе элементарные частицы, как облачка. Когда кто-то видит текст «любая элементарная частица одновременно является волной», то в голове тут же возникает образ волны на море или на глади озера, куда был брошен камень.

Если человеку сказать, что частица — это событие в пределах некоторого поля, то тут же представляется какой-то промежуток из воспоминания или будущее событие, а в голове «гудит поле», как трансформаторная будка.

Дело в том, что такие слова, как частица, волна и поле на микроуровне не совсем корректно отражают реальность и представить их себе, сравнивая с обычными природными явлениями — некорректно. Поэтому попытайтесь отсеивать любые визуальные образы, так как они будут неверными и помешают пониманию.

Нужно принимать тот факт, что частицы в принципе не являются чем-то, что можно «пощупать», но так как мы люди и тактильное познание мира нам свойственно, то придется бороться с собственными инстинктами для понимания вопроса.

Электроны, фотоны или бозон Хиггса не являются одновременно частицей и волной. Они вообще нечто промежуточное и для этого нет подходящего слова (оно и не нужно). Человечество знает, как с ними работать, мы умеем проводить расчеты, но подобрать слово, которое бы описало мысленный образ… это проблематично. Дело в том, что эти штуки, которые являются элементарными частицами, в привычном мире невозможно сравнить хоть с чем-то. Это совершенно иной мир. Микромир.

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.

Неуловимая частица

Первые серьезные попытки отловить бозон Хиггса были предприняты на рубеже ХХ и ХХI веков на Большом электронно-позитронном коллайдере (Large Electron-Positron Collider, LEP) в ЦЕРНе. Эти эксперименты стали воистину лебединой песней замечательной установки, на которой с беспрецедентной точностью были определены массы и времена жизни тяжелых векторных бозонов.

0

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

0

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Стандартная модель позволяет предсказать каналы рождений и распадов хиггсовского бозона, но не дает возможности вычислить его массу (которая, к слову, возникает из его способности к самодействию). По самым общим оценкам, она не должна быть меньше 8−10 ГэВ и больше 1000 ГэВ. К началу сеансов на LEP большинство физиков полагало, что скорее всего диапазон составляет 100−250 ГэВ. Эксперименты LEP подняли нижний порог до 114,4 ГэВ. Многие специалисты считали и считают, что если бы этот ускоритель проработал дольше и процентов на десять увеличил энергию сталкивающихся пучков (что было технически возможно), бозон Хиггса удалось бы зарегистрировать. Однако руководство ЦЕРН не захотело отсрочить запуск Большого адронного коллайдера, который предстояло соорудить в этом же туннеле, и в конце 2000 года LEP был закрыт.

0

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Следующие циклы поисков проводили на «Тэватроне» (на детекторах CDF и DZero) и на БАК. Как рассказал «ПМ» Дмитрий Денисов, один из руководителей коллаборации DZero, «Тэватрон» начал набирать статистику по хиггсам в 2007 году: «Хоть энергии и хватало, трудностей было немало. Столкновение электронов и позитронов — самый «чистый» способ отловить хиггс, ведь эти частицы не обладают внутренней структурой. Например, при аннигиляции высокоэнергетичной электронно-позитронной пары рождается Z0-бозон, который излучает хиггс без всякого фона (правда, в этом случае возможны реакции и погрязнее). Мы же сталкивали протоны и антипротоны, рыхлые частицы, состоящие из кварков и глюонов. Так что главная задача — выделить рождение хиггса на фоне множества похожих реакций. Аналогичная проблема существует и у команд БАК».

0

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

0

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

«В декабре 2011 года с БАК пришли новые сообщения, — продолжает Дмитрий Денисов. — Там искали распады хиггса либо на top-кварк и его антикварк, которые аннигилируют и превращаются в пару гамма-квантов, либо на два Z0-бозона, каждый из которых распадается на электрон и позитрон или мюон и антимюон. Полученные данные позволяют предположить, что бозон Хиггса тянет примерно на 124−126 ГэВ, но для окончательных выводов этого недостаточно. Сейчас и наши коллаборации, и физики в ЦЕРН продолжают анализировать результаты экспериментов. Не исключено, что мы и они скоро придем к новым выводам, которые 4 марта будут представлены на международной конференции в Итальянских Альпах, и я предчувствую, что скучать там не придется».

0

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Божественная заминка

Спустя несколько месяцев после объявления об открытии физики сообщили о неожиданной находке. Бозон, который они наблюдали в ЦЕРН, похоже, распадался двумя разными способами. В одном из сценариев частица массой 126,6 ГэВ распадалась на два фотона. В другом случае частица массой 123,5 ГэВ распадалась на четыре лептона. Некоторые посчитали, что это две разные частицы Хиггса. Другие же решили, что это статистическое совпадение, так как разница между частицами слишком незначительна.

Событие, зарегистрированное в 2012 году Компактным мюонным соленоидом (CMS) на Большом адронном коллайдере в протон-протонных столкновениях на 8 ТэВ энергии центра масс. В этом событии образовалась пара Z-бозонов, один из которых распался на пару электронов (зеленые линии и зеленые башенки), тогда как второй Z-бозон распался на пару мюонов (красные линии). Совместная масса двух электронов и двух мюонов была близка к 126 ГэВ. Это означает, что была получена частица массой 126 ГэВ, распавшаяся на два Z-бозона в точности с ожиданиями в случае, если наблюдаемая частица является бозоном Хиггса / © 2012 CERN

На сцену выходит симметрия

Общим признаком практически всякой физической концепции, будь то классическая механика или специальная теория относительности, является связь каждой симметрии системы с присущими ей законами сохранения. И наоборот, любой закон сохранения связан с симметрией. Впервые это было продемонстрировано немецким математиком Эмми Нётер в её знаменитой теореме.

Например, симметрии касательно однородности времени, постулирующей, что законы физики одинаковы и неизменны в каждый временной период, соответствует закон сохранения энергии; симметрии однородности пространства (и на Меркурии, и на Плутоне действует идентичная физика) — закон сохранения импульса; а симметрии относительно его изотропии (поворотов в нём) — закон сохранения углового момента, и т. д. И если бы не существовало всех этих законов, то в макромире наступил бы полнейший хаос, ибо законы сохранения одновременно являются запретами.

Но тут присутствует очень интересный момент: помимо «наглядных» пространственно-временных симметрий, с которыми мы имеем дело в повседневной жизни, существуют ещё и так называемые «внутренние» симметрии. К ним относится закон сохранения электрического заряда, который запрещает элементарным частицам иметь массы, включая электрон. Но в действительности частиц с нулевой массой всего три штуки: фотон, глюоны и нейтрино. А это значит, что если бы данный запрет действовал в полной мере, то Вселенная просто не смогла бы «жить».

Этот странный парадокс можно обойти, предположив, что в пространстве есть поле, которое обеспечивает спонтанное нарушение внутренней симметрии и придаёт массу всем элементарным частицам, кроме трёх вышеназванных. То есть внутренняя симметрия присутствует, как и предписано законом, но она нарушена неким скалярным полем.

Всё сразу становится на свои места! Выходит, и волки сыты, и овцы целы, а пастух стоит и довольно улыбается. Этим талантливым «пастухом» от науки оказался английский физик Питер Хиггс. Именно он первым опубликовал научную статью, в которой сформулировал и описал механизм, впоследствии названный его именем. Правда, независимо от Хиггса и даже немножко раньше, к аналогичному теоретическому обоснованию пришли его бельгийские коллеги — Роберт Браут и Франсуа Энглер.

Известные свойства бозона Хиггса

• Бозон Хиггса, как впрочем и другие элементарные частицы подвержен воздействию гравитации.
• 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 нейтрино.

Что такое бозоны и элементарные частицы?

Бозоны — это частицы, которые переносят взаимодействие между другими частицами, таким образом, любое притяжение или отталкивание между частицами происходит за счёт того, что они обмениваются бозонами.

Бозон Хиггса был последней частицей открытой в Стандартной Модели. Это критический компонент теории. Его открытие помогло подтвердить механизм того, как фундаментальные частицы приобретают массу. Эти фундаментальные частицы в Стандартной Модели являются кварками, лептонами и частицами-переносчиками силы.

Существует несколько разновидностей бозонов. Так к примеру широко известный фотон является переносчиком электромагнитного взаимодействия, глюон — сильного взаимодействия, а W- и Z-бозоны — слабого взаимодействия.

Согласно современным представлениям бозоны не должны иметь инертной массы, однако, W- и Z-бозоны ею обладают. Для объяснения этого явления британский физик Питер Хиггс постулировал существование некоего поля, получившего впоследствии его имя, из-за взаимодействия с которым W- и Z-бозоны приобретают инертную массу.

Это можно сравнить с пенопластовыми шариками, рассыпанными на поверхности стола, достаточно лёгкого дуновения ветра и их сметёт, а вот если рассыпать их на поверхность воды, то их движение будет замедленно, для W- и Z-бозонов роль воды выполняет поле Хиггса.

Квантами этого поля являются бозоны Хиггса, причём их может быть несколько видов и именно через них происходит взаимодействие поля с W- и Z- бозонами. На основе этого предположения были разработаны различные модели, описывающий этот бозон, но ни одна из них не могла предсказать его энергию.

В связи с этим поиски бозона Хиггса очень затянулись, учёным пришлось буквально перебирать все возможные варианты. Параллельно развивались модели без бозона Хиггса и между сторонниками двух подходов шли жаркие споры. Наконец в 2012 году на Большом Адронном Коллайдере был обнаружен первый кандидат в бозоны Хиггса с энергией 126 ГэВ, а в 2013 появились сообщения подтверждающие, что это действительно бозон Хиггса.

В 2015 году было заявлено о свидетельствах существования ещё двух видов бозона Хиггса с энергиями в 700 ГэВ и в районе 250-450 ГэВ. Американский физик Леон Макс Ледерман в своей книге назвал бозон Хиггса «goddamn particle» — проклятая или чёртова частица, но редактору это название не понравилось и в окончательной версии книги бозон Хиггса назвали «частицей Бога», и это название закрепилось за ним в массовом сознании.

Теория 1964-го года

В 1964 году шестеро физиков-теоретиков выдвинули гипотезу существования нового поля (подобно электромагнитному), которым заполнено все пространство и решает критическую проблему в нашем понимании вселенной.

Независимо от этого другие физики построили теорию фундаментальных частиц, названную в итоге «Стандартной Моделью», которая обеспечивала феноменальную точность (экспериментальная точность некоторых частей Стандартной Модели достигает 1 к 10 миллиардам. Это равнозначно предсказанию расстояния между Нью-Йорком и Сан-Франциско с точностью около 0.4 мм). Эти усилия оказались тесно взаимосвязаны.

Стандартная Модель нуждалась в механизме приобретения частицами массы. Полевую теорию разработали Питер Хиггс, Роберт Браут, Франсуа Энглер, Джералд Гуралник, Карл Хаген и Томас Киббл.

Какова масса бозона?

К несчастью, теория, предсказывающая бозон, не уточняла его массу. Прошли годы, пока не стало ясно, что бозон Хиггса должен быть экстремально тяжелым и, скорее всего, за пределами досягаемости для установок, построенных до Большого Адронного Коллайдера (БАК).

Помните, что согласно E=mc2, чем больше масса частицы, тем больше энергии надо для ее создания.

В то время, когда БАК начал сбор данных в 2010, эксперименты на других ускорителях показали, что масса бозона Хиггса должна быть больше, чем 115 ГэВ/с2. В ходе опытов на БАК планировалось искать доказательства бозона в интервале масс 115-600 ГэВ/с2 или даже выше, чем 1000 ГэВ/с2.

Каждый год экспериментально удавалось исключать бозоны с бОльшими массами. В 1990 было известно, что искомая масса должна быть больше 25 ГэВ/с2, а в 2003 выяснилось, что больше 115 ГэВ/с2.

Что искали и нашли на Большом адронном коллайдере (БАК)?

Есть общепринятая теория того, как устроен мир на мельчайших масштабах и она называется — Стандартная Модель. Согласно этой модели, в нашем мире есть несколько совершенно разных типов вещества, которые регулярно взаимодействуют между собой.

© sciencemag.org

Рассуждая о взаимодействиях, весьма удобно применять такие параметры, как масса, скорость и ускорение, что позволяет называть элементарные частицы чем-то вроде «частиц-переносчиков». Всего выделяют в данной модели 12 таких разновидностей. 11 из 12 частиц Стандартной модели наблюдались ранее. 12-ая частица — бозон, соответствующий полю Хиггса, придает многим остальным частицам массу, ограничивая их скорости движения. С некоторыми же частицами поле Хиггса не взаимодействует вовсе. Например, не оказывает влияния на фотоны и их масса равна нулю.

Теоретически бозон Хиггса предсказали в далеком 1964 году, но вот доказать его существование экспериментально смогли лишь в 2012 году. Все эти годы бозон искали не покладая рук!

До того, как заработал БАК, в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) был электрон-позитронный коллайдер, в Иллинойсе был Теватрон, но этих мощностей было недостаточно, чтобы провести необходимые эксперименты. Хотя, эксперименты все же давали определенные результаты.

Бозон Хиггса — тяжелая частица и обнаружить его крайне непросто. Суть эксперимента очень проста, но вот реализация с последующей интерпретацией результатов — настоящая проблема.

Итак, берут два протона и разгоняются до околосветовой скорости. В какой-то момент времени их сталкивают «лоб в лоб». Протоны «в шоке» от такого удара начинают рассыпаться на вторичные частицы. В ходе этого процесса и пытались зафиксировать бозон Хиггса.

Усложняет эксперимент тот факт, что существование бозона можно подтвердить лишь косвенно. Период существования бозон Хиггса критически мал, как и расстояние между точками возникновения и исчезновения. Измерить этот промежуток времени и расстояние — невозможно, но! Бозон Хиггса не исчезает бесследно и его кратковременное пребывание доказывается за счет «продуктов распада».

Это все равно, что искать иглу в стоге сена. Нет, в огромном стоге сена. Нет, в тысячах огромных стогов сена! Дело в том, что бозон Хиггса распадается с разной вероятностью на разные комбинации частиц. Например, это могут быть кварк-антикварк, W-бозоны или вообще тау-частицы.

В некоторых случаях распад трудно отличить от распада других частиц, в других случаях вообще не успевают фиксировать происходящее. Как стало известно, детекторы лучше всего фиксируют превращение бозона Хиггса в 4 лептона (фундаментальные частицы), но вероятность такого события составляет лишь 0,013%.

В дело вступили детекторы ATLAS и CMS

Полгода экспериментов на БАК и миллионы столкновений за одну секунду дали необходимый результат. Ученые зафиксировали те самые 4 лептона (целых пять раз).

© phys.org

Зафиксировать это позволили гигантские детекторы ATLAS и CMS , которые выявили частицу с энергией 125ГэВ (единица измерения в квантовой физике). Именно этот показатель соответствовал теоретическому предсказанию бозона Хиггса.

Вакуум нестабилен

Итак, почему масса частицы имеет значение? Оказывается, передача такой большой массы бозоном Хиггса указывает на то, что вакуум Вселенной может быть нестабилен по своей природе, существуя в постоянном «метастабильном» состоянии. Многие физики обсуждали вероятность того, что Вселенная долгое время колеблется на грани стабильности. В частности, физики Фрэнк Вильчек и Майкл Тернер, опубликовавшие в 1982 году статью в журнале Nature, предположили неутешительный сценарий: где-нибудь во Вселенной без какого-либо предупреждения может зародиться пузырь истинного вакуума, который будет передвигаться через пространство на скорости света, но прежде чем мы осознаем, что происходит, наши фотоны распадутся. 

Как бы то ни было, открытие бозона Хиггса положило начало новым исследованиям и иному пониманию реальности. Ученые надеются, что это открытие приведет к разработке симметричной или даже суперсимметричной теории, которая расширит Стандартную модель и закроет присутствующие в ней дыры. Это, в свою очередь, поможет выяснить, что же такое темная материя — поле, которое, похоже, более неуловимо, чем поле Хиггса.

Фейнмановская диаграмма, описывающая один из важнейших способов произведения бозона Хиггса и его последующего распада в Большом адронном колайдере. Два сталкивающисхся протона испускают по W-бозону. Затем, W-бозоны сталкиваются и производят бозон Хиггса, который далее распадается на два Z-бозона, которые в свою очередь распадаются на электрон и позитрон либо на мюон и антимюон / © Encyclopædia Britannica, Inc.

Электрослабое двуединство

Следующий шаг к бозону Хиггса был сделан в 1957 году. К тому времени теоретики (тот же Янг и Ли Дзундао) предположили, а экспериментаторы доказали, что при бета-распадах не сохраняется четность (иначе говоря, нарушается зеркальная симметрия). Этот неожиданный результат заинтересовал многих физиков, среди которых был и Джулиан Швингер, один из создателей квантовой электродинамики. Он выдвинул гипотезу, что слабые взаимодействия между лептонами (до кварков тогда наука еще не дошла!) переносятся тремя векторными бозонами — фотоном и парой заряженных частиц, аналогичных B-бозонам. Отсюда следовало, что эти взаимодействия состоят в партнерстве с электромагнитными силами. Швингер этой проблемой больше не занимался, однако предложил ее своему аспиранту Шелдону Глэшоу.

0

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

0

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Работа растянулась на четыре года. После ряда неудачных попыток Глэшоу построил модель слабого и электромагнитного взаимодействий, основанную на объединении калибровочных симметрий электромагнитного поля и полей Янга и Миллса. Помимо фотона в ней фигурировали еще три векторных бозона — два заряженных и один нейтральный. Однако эти частицы опять-таки имели нулевую массу, что создавало проблему. У слабого взаимодействия радиус на два порядка меньше, чем у сильного, и ему тем более требуются очень массивные посредники. К тому же наличие нейтрального переносчика требовало допустить возможность бета-переходов, не меняющих электрического заряда, а в то время такие не были известны. Из-за этого после публикации своей модели в конце 1961 года Глэшоу потерял интерес к объединению слабого и электромагнитного взаимодействий и переключился на другие темы.

0

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Гипотеза Швингера заинтересовала и пакистанского теоретика Абдуса Салама, который вместе с Джоном Уордом построил модель, похожую на модель Глэшоу. Он тоже столкнулся с безмассовостью калибровочных бозонов и даже придумал способ ее устранения. Салам знал, что их массы нельзя ввести «от руки», поскольку теория становилась ненормируемой, но рассчитывал обойти это затруднение с помощью спонтанного нарушения симметрии, так чтобы решения уравнений движения бозонов не обладали калибровочной симметрией, присущей самим уравнениям. Этой задачей он заинтересовал американца Стивена Вайнберга.

Многочисленные эксперименты один за другим исключали возможные диапазоны масс бозона Хиггса. На ускорителе LEP был установлен нижний порог — 114,4 ГэВ. На «Тэватроне» исключили массы, превышающие 150 ГэВ. Позднее диапазоны масс были уточнены до интервала 115-135 ГэВ, а в ЦЕРН на Большом адронном коллайдере сдвинули верхнюю границу до 130 ГэВ. Так что бозон Хиггса Стандартной Модели, если он существует, замкнут в довольно узкие границы масс.
0

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

0

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Но в 1961 году английский физик Джефри Голдстоун показал, что в релятивистских квантовых теориях поля спонтанное нарушение симметрии вроде бы неизбежно порождает безмассовые частицы. Салам и Вайнберг попытались опровергнуть теорему Голдстоуна, но лишь усилили ее в собственной работе. Загадка выглядела неразрешимой, и они занялись другими областями физики.

Частица, которая объяснит почти все

Бозон Хиггса мог бы помочь объяснить, каким образом эти частицы получают свою массу. В 1960-х Питер Хиггс — тот самый физик, в честь которого назвали неуловимую частицу, и который в 2013 году был удостоен Нобелевской премии по физике — разработал теорию, объясняющую, как частицы, переносящие электромагнитное или слабое взаимодействие, могли получить разные массы в процессе постепенного остывания Вселенной.

Его предположение заключалось в том, что частицы вроде протонов, нейтронов и кварков получают массу через взаимодействие с невидимым электромагнитным полем, известным как поле Хиггса (или хиггсовское поле). Некоторые частицы способны проходить через это поле, не получая массы, в то время как другие «вязнут» в нем и накапливают ее. Если это так, то «невидимое» поле должно иметь связанную с ним частицу — бозон Хиггса, — которая контролирует взаимодействия с другими частицами и хиггсовским полем, изменяя при помощи него виртуальные частицы Хиггса.

Питер Хиггс / © Claudia Marcelloni/CERN

Так как бозон Хиггса быстро распадается на более стабильные частицы, его сложнее наблюдать, чем другие субатомные частицы, производимые в процессе столкновений в ускорителях. Считается, что до распада он существует всего одну септиллионную секунды, что серьезно осложняет работу по его обнаружению среди триллионов столкновений.

Когда в 2012 году ученые объявили об обнаружении бозона Хиггса, они сообщили, что наблюдали новый бозон массой 125,3 ГэВ +/- 0,6 на 4,9 сигмы («золотой стандарт» научных открытий). Это означало, что бозон Хиггса был подтвержден с точностью до 99,99997% в диапазоне масс 125 ГэВ. Однако крайне редко что-либо связанное с физикой бывает настолько ясным и точным.

Опасность

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.

Как обнаружили бозон Хиггса

Поисками бозона Хиггса занимались разные лаборатории по всему миру. Одна из самых известных — Европейская организация ядерных исследований в Швейцарии или по-другому ЦЕРН.

Бозон Хиггса нельзя увидеть в микроскоп. Поэтому ученые ЦЕРНа построили для поисков самый крупный ускоритель частиц в мире — Большой адронный коллайдер или БАК. Основная цель построения БАК — уточнение или опровержение Стандартной модели.

Индустрия 4.0

Как устроен Большой адронный коллайдер и зачем он нужен

Коллайдер разгоняет протоны почти до скорости света и сталкивает их друг с другом. В результате они распадаются на более мелкие элементы. В местах пересечения протонов находятся детекторы, которые делают десятки миллионов снимков в секунду. Среди этих снимков ученые ищут следы бозона Хиггса с помощью искусственного интеллекта. Из огромного потока снимков отбираются только те, которые с почти стопроцентной вероятностью свидетельствуют о существовании бозона Хиггса.

Физик Тимур Уткузов поясняет, почему поиски неуловимого бозона только на БАК заняли около двух лет. Дело в том, что подтвердить существование бозона можно лишь косвенно, и только хорошо зная его свойства, так как ко всему прочему у него ничтожно малое время жизни. Несмотря на то, что БАК — один из самых точных и мощных измерительных приборов в мире, он все-таки не может измерить все. И за период экспериментов удалось зафиксировать лишь несколько случаев, где по продуктам распада можно было обнаружить бозон Хиггса. При этом за это же время в коллайдере происходили сотни триллионов столкновений частиц, в которых пытались отыскать его следы. В некоторых случаях было трудно определить, действительно ли распад имеет отношение к бозону Хиггса, в других — его распад было невозможно зафиксировать детекторами.

Физик Питер Хиггс рядом с одной из частей БАК — детектором ATLAS, в апреле 2008 года

(Фото: CERN / SCIENCE PHOTO LIBRARY)

Об открытии бозона Хиггса ЦЕРН осторожно сообщил 4 июля 2012 года. Исследователи заявили, что открыли новую частицу, свойства которой согласуются с ожидаемыми свойствами бозона Хиггса.

Джо Инкандела, представитель одной из лабораторий, искавшей неуловимый бозон [3]:

«Предварительные результаты с полным набором данных 2012 года великолепны, и для меня очевидно, что мы имеем дело с бозоном Хиггса. Но нам еще предстоит пройти долгий путь, чтобы узнать, что это за бозон Хиггса».

В марте 2013 года отдельные представители ЦЕРНа сообщили, что найденная полугодом ранее частица действительно является бозоном Хиггса. В том же году Нобелевская премия по физике была присуждена физикам Питеру Хиггсу и Франсуа Энглеру «за теоретическое открытие механизма, который способствует нашему пониманию происхождения массы субатомных частиц и который недавно был подтвержден открытием предсказанной фундаментальной частицы на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе» [4].

5 вещей, которые учёные всё ещё хотят выяснить.

Можем ли мы сделать измерения бозона Хиггса более точными?

На данный момент свойства «частицы бога» соответствуют предсказанным Стандартной моделью, но погрешность измерений составляет около 10%.

Это как если бы мы узнали, что «рост» человека составляет 150 см плюс-минус 15 см. То есть он может быть ростом как 165 см, так и ростом 135 см и всё, что посередине. Довольно ощутимый разброс, не правда ли?

В общем, имеющихся данных, несмотря на все впечатляющие возможности самой большой в мире экспериментальной установки (каковой является БАК), недостаточно. Они не позволяют выявить тонкие различия, предсказанные новыми физическими теориями, которые лишь немногим отличаются от Стандартной модели.

Что может помочь снизить эту погрешность? Новые данные, собранные в ходе новых столкновений. Как те, которые ещё обрабатываются, так и те, что будут получены лишь в будущем.

На данный момент детекторы БАК собрали только одну двадцатую от общего объёма информации, которую он призван собрать. И учёным все эти данные ещё довольно долго придётся обрабатывать.

Увидеть намёки на Новую физику, то есть те теории, которые позволят объяснить то, что не объясняет Стандартная модель, можно будет в новых более точных исследованиях.

Взаимодействует ли бозон Хиггса с более лёгкими частицами?

До сих пор взаимодействия бозона Хиггса с другими частицами, казалось, соответствовали Стандартной модели. Однако физики видели, как он распадается только на самые тяжёлые частицы.

Теперь физики хотят проверить, взаимодействует ли он таким же образом с частицами из более лёгких семейств.

В 2020 году детекторы CMS и ATLAS наблюдали одно такое взаимодействие — редкий распад бозона Хиггса на двоюродного брата второго поколения электрона, называемого мюоном.

​Бозон Хиггса может распадаться на частицы тёмной материи читайте также

Хотя это свидетельствует о том, что связь между массой и силой взаимодействия с полем Хиггса сохраняется и для более лёгких частиц, физикам нужно больше данных, чтобы подтвердить это.

Взаимодействует ли бозон Хиггса сам с собой?

Бозон Хиггса имеет массу, поэтому он должен взаимодействовать сам с собой. А вот нейтрино в этом смысле куда более неуловимо.

Однако такие взаимодействия — например, распад энергичного бозона Хиггса на два менее энергичных — происходят крайне редко, потому что все вовлечённые в этот процесс частицы очень тяжёлые.

Учёные надеются найти намёки на подобное взаимодействие после запланированной модернизации БАК в 2026 году. Впрочем, для убедительных доказательств этому физикам, вероятно, потребуется построить даже более мощный коллайдер.

​Физики планируют построить Очень большой адронный коллайдер читайте также

Скорость этого взаимодействия с самим собой имеет решающее значение для понимания Вселенной, говорит Маккалоу.

Вероятность такого взаимодействия связана с изменением потенциальной энергии поля Хиггса вблизи своего минимума, который описывает условия сразу после Большого взрыва. Таким образом, знания об этом процессе может помочь учёным понять динамику ранней Вселенной.

Грёбер отмечает, что многие теории, которые пытаются объяснить, как материя во Вселенной каким-то образом стала более распространённой, чем антиматерия, требуют взаимодействия бозонов Хиггса между собой.

Однако в этом они расходятся с предсказанием Стандартной модели на целых 30%.

«Я даже не могу передать, насколько важны [эти измерения]», ‒ говорит Маккалоу.

Каково время жизни бозона Хиггса?

Физики хотят знать время жизни бозона Хиггса — сколько в среднем он существует, прежде чем распасться на другие частицы. И дело не в самой цифре, как таковой, а в том, что любое отклонение от предсказаний может указывать на взаимодействие с неизвестными частицами, такими как те, которые составляют тёмную материю. Однако его время жизни слишком мало, чтобы его можно было измерить напрямую.

Чтобы измерить его косвенно, физики смотрят на разброс энергии частицы по нескольким измерениям (квантовая физика предполагает, что неопределённость в энергии частицы должна быть обратно пропорциональна времени её жизни).

В 2021 году физики, работающие с данными детектора CMS, произвели первое грубое измерение времени жизни бозона Хиггса: получилось 2,1×10–22 секунды.

Этот результат показывает, что время жизни соответствует Стандартной модели.

Насколько верны и верны ли экзотические прогнозы?

Некоторые теории, расширяющие Стандартную модель, предсказывают, что бозон Хиггса не является фундаментальной частицей. То есть он, подобно, например, протону, состоит из других составляющих элементов (кварков).

Другие предполагают, что бозонов Хиггса несколько, просто мы пока ещё не в состоянии их различить, так как ведут они себя одинаково. Однако они отличаются, к примеру, зарядом или спином.

Новые эксперименты на БАК, о которых мы подробно расскажем в ближайшее время, позволят понять, действительно ли бозон Хиггса является частицей Стандартной модели. Также новые опыты по столкновению частиц позволят выявить свойства, предсказанные другими теориями. Так, физики будут искать в данных распады на запрещённые комбинации частиц.

Получается, непаханое поле Хиггса ждёт ещё немало испытаний и новых исследователей.

Питер Хиггс стоял у истоков создания БАК. На этом снимке он стоит возле детектора CMS, который на тот момент был на техобслуживании. Фото Maximilien Brice/CERN.

Большое открытие на большом ускорителе

Ещё не успела утихнуть первая волна ликования, вызванная статьёй Хиггса, как исследователи начали подумывать об экспериментальной проверке его смелого предположения. Известно, что большинство элементарных частиц могут распадаться, превращаться друг в друга, «реагировать» между собой — это совершенно обычное для них явление. Чтобы узнать, как они устроены, нужно столкнуть их лоб в лоб на скорости, близкой к скорости света, и посмотреть на продукты соударений.

Для решения этой научной задачи требовалось построить мощный ускоритель. Идея проекта с грандиозным названием «Большой адронный коллайдер» появилась ещё в далёком 1984 году, но его строительство началось семнадцать лет спустя. Коллайдер, и правда, очень большой: длина его 27-километрового кольца располагается в глубоком тоннеле под территорией двух государств — Швейцарии и Франции.

В этом кольце производится столкновение протонов, которые по Стандартной модели являются вовсе не фундаментальными частицами, а составными, так как внутри них находятся три кварка, скреплённые друг с другом глюонным «раствором». Соударение на высоких энергиях разрушают «раствор», и кварки с глюонами уходят в свободный полёт, также сталкиваясь и взаимодействуя между собой.

Рождение бозона Хиггса имеет четыре основных канала: слияние двух глюонов, слияние WW и ZZ бозонов, появление вместе с W и Z бозоном или рождение одновременно с t-кварками. На Большом адронном коллайдере есть четыре детектора, два из которых — ATLAS и CMS — предназначены для изучения распада частиц на высоких энергиях. С помощью этих детекторов и был обнаружен бозон Хиггса. Оказалось, что его масса составляет 125 ГэВ (гигаэлектронвольт).

Что даст обнаружение частицы Бога

Немного абсурдный пример. Какое-нибудь насекомое живет под землей и никогда не вылезает на поверхность, но догадывается, что небо синее (вот такое умное насекомое). Потом оно видит синий цвет и понимает, какое на самом деле небо, и что оно было право. Вот только изменит ли это что-то с точки зрения самого неба? Конечно, нет. Оно как было синим, так и осталось, а насекомое, как жило под землей, так и продолжило там жить.

Почему наша Вселенная такая странная и существуют ли законы физики?

Примерно так же дела обстоят и с бозоном Хиггса. Он не позволит начать нам путешествовать во времени, не поспособствует созданию вечного двигателя и не станет основной лекарства от всех болезней. По сути его обнаружение просто подтвердило предполагаемые принципы взаимодействия частиц и свело воедино все утверждения Стандартной теории. Возможно, из-за его появления вопросов в других областях физики, наоборот, станет только больше.

Визуализаций поиска бозона Хиггса очень много.

Польза

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.

Часть чего-то большего

Вдруг ошибка? Да, таким вопросом исследователи задались тоже. Поэтому, чтобы подтвердить открытие, было проведено много и очень много повторных экспериментов.

Ученые, после того, как открыли бозон Хиггса, начали сходиться на мнении, что Стандартная Модель может являться лишь частью более совершенной теории, которую лишь предстоит открыть. Вероятно, что это в корне изменит наше представление о мире и приведет к серьезным техническим прорывам. Возможно.

Источники

• https://thespaceway.info/physics/7883-prosto-o-slozhnom-bozon-higgsa-ili-chastica-boga.html
• https://www.poznavayka.org/fizika/bozon-higgsa-chastitsa-boga-ili-nauchnaya-mistifikatsiya/
• https://www.techinsider.ru/science/12444-imennaya-chastitsa-fizika-kontsa-sveta/
• https://naked-science.ru/article/nakedscience/bozon-higgsa-odno-iz-samyh
• https://www.shkolazhizni.ru/world/articles/69391/
• https://Mining-CryptoCurrency.ru/higgs-boson/
• https://Trends.RBC.ru/trends/education/630f7f859a79476e6333eecb
• https://www.vesti.ru/nauka/article/2842510
• https://Hi-News.ru/research-development/chto-takoe-bozon-xiggsa-i-pochemu-uchenye-xoteli-ego-otkryt.html