Как найти мне базон хикса

• Что такое бозон Хиггса
• Как обнаружили бозон Хиггса
• Почему бозон Хиггса так важен
• Продолжение исследований бозона Хиггса

Что такое бозон Хиггса

Бозон Хиггса — в современной теории элементарных частиц это неделимая частица, которая отвечает за механизм появления масс у некоторых других элементарных частиц.

Из курса физики известно, что атом (от греч. atomon — «то, что нельзя разделить»), когда-то считавшийся неделимой частицей, на самом деле состоит из еще более мелких частиц. Ученые, исследуя атом, продолжали поиски частиц, которые действительно оказались бы неделимыми. Они изучили ядро атома и обнаружили в нем протоны и нейтроны. Но и их можно было разделить на еще более мелкие элементы: протоны и нейтроны состоят из кварков, которые сегодня считаются неделимыми частицами — вместе с электронами и другими частицами.

Для описания физики микромира ученые разработали теорию, которую назвали Стандартной моделью. Тимур Уткузов, физик и старший методист физико-математического направления школы «ИнтернетУрок» объясняет, что Стандартная модель считается сегодня основной моделью описания микромира. В рамках модели классифицируются почти все известные в мире элементарные частицы и фундаментальные взаимодействия, кроме гравитационного, а именно: сильное, слабое и электромагнитное.

В Стандартную модель входят:

• фермионы, которые называют «строительными кирпичиками Вселенной» — к ним относятся кварки и лептоны;
• бозоны — частицы-переносчики взаимодействия;
• и бозон Хиггса — последняя частица в ряду частиц-переносчиков, которую часто изображают стоящей особняком [1].

Именно с помощью бозонов происходит взаимодействие между фермионами. Например, при сильном взаимодействии кварки обмениваются друг с другом особым бозоном — глюоном.

Ученые разрабатывали Стандартную модель с 1970-х годов. В последующие 20 лет благодаря опытам на мощных ускорителях были открыты многие элементарные частицы. Модель прекрасно «предсказывала» их появление, а потом эти «предсказания» подтверждались с помощью экспериментов.

В 1964 году британский физик Питер Хиггс вместе с другими учеными предположил, что существует особое поле, при взаимодействии с которым частицы приобретают массу. Позже его назвали полем Хиггса, а процесс обретения массы — хиггсовским механизмом. Изучить, как работает этот процесс, можно только через измерения свойств хиггсовского бозона. Без обнаружения бозона изучить это поле не удавалось. Поэтому открытие бозона и понимание его свойств представлялось ученым важнейшей задачей.

В СМИ бозон Хиггса часто называют «частицей Бога». И хотя это ироничное название не одобряют множество ученых, бозон Хиггса — это важнейшая элементарная частица, открытие которой завершает формирование Стандартной модели.

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.

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.

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.

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].

Почему бозон Хиггса так важен

Открытие по-настоящему нового типа материи

Бозон Хиггса — это не просто еще одно рядовое открытие новой частицы, которых в последнее время было предостаточно. До него физики имели дело лишь с частицами вещества (электроны, протоны и так далее), либо с частицами-переносчиками взаимодействия, квантами силовых полей (фотоны, глюоны и другие), объясняет физик-теоретик, специалист в области элементарных частиц, популяризатор науки Игорь Иванов [5]. Но хиггсовский бозон не является ни тем, ни другим — это «кусочек» хиггсовского поля, который занимает совсем иное место в устройстве нашего мира. Это не просто новая частица, а представитель нового сектора элементарных частиц — хиггсовского сектора.

Ключевой элемент Стандартной модели

Бозон Хиггса оставался единственным элементом Стандартной модели, который ученые долго не могли обнаружить. В рамках модели есть еще много нерешенных вопросов, но считается, что открытие бозона Хиггса завершило современную теорию элементарных частиц.

Приближение к пониманию хиггсовского механизма обретения массы

Открыв бозон Хиггса, ученые подтвердили свою догадку о том, что некоторые элементарные частицы приобретают массу за счет взаимодействия с полем Хиггса.

«Кирпичик» мироздания

Открытие бозона Хиггса — это еще один шаг к пониманию того, как устроен наш мир. Эту частицу иногда называют «кирпичиком» мироздания. Ученые полагают, что до Большого взрыва — события, которого привело к созданию всего, все частицы не имели массы [6]. В момент Большого взрыва и через 10–12 секунд после него частицы вступили во взаимодействие с полем Хиггса, что придало им массу. Если бы этого не случилось, они просто бы разлетелись по космическому пространству, так и не соединившись в атомы и молекулы и в конечном итоге никогда бы не образовали все то, что существует сейчас.

Продолжение исследований бозона Хиггса

Важность изучения бозона Хиггса можно сравнить со значением открытия и исследования атома. Физик Нью-Йоркского университета Кайл Кранмер объясняет, что таким же образом ученые начала XX века пытались понять атом и на основе этого разработали квантовую механику.

Кранмер говорит, что вся квантовая механика — это в каком-то смысле эзотерика, то есть знание, недоступное для непосвященных [7]. Но при этом квантовая механика привела к изобретению транзистора, ключевого ингредиента для всей современной электроники, лазера и других медицинских технологий. Кранмер отмечает, что никто из тех, кто стоял у истоков квантовой механики, не мог предвидеть такого ее практического применения. По аналогии с квантовой механикой, такие открытия как бозон Хиггса повлияют не только на науку, но и в будущем найдут применение в повседневной жизни.

ЦЕРН на своей официальной странице в 2022 году подвел итоги изучения бозона Хиггса — спустя десять лет с его открытия [8]. Организация отмечает, что за это время физики сделали огромный шаг вперед в понимании Вселенной: например, они получили данные, что поле Хиггса было установлено во всей Вселенной через десятую долю миллиардной доли секунды после Большого взрыва.

С начала работы БАК в 2010 году было открыто более 60 составных частиц, предсказанных Стандартной моделью: некоторые из них — экзотические «тетракварки» и «пентакварки». Эксперименты также указали на отклонения от Стандартной модели, которые требуют дальнейшего изучения. Кроме того, эксперименты, выполняемые на БАК, дают возможность найти неизвестные частицы, выходящие за рамки Стандартной модели — например, обнаружить частицы, составляющие загадочную темную материю. Сам бозон Хиггса может указывать на явления, которые, возможно, ответственны за темную материю во Вселенной.

Ученые также ищут ответы на вопросы, придает ли поле Хиггса массу легким фермионам или тут действует другой механизм, является ли бозон Хиггса элементарной или составной частицей, может ли он взаимодействовать с темной материей и раскрыть ее природу, есть ли у бозона Хиггса «близнецы» или «родственники»? Поиск ответов на эти и другие интригующие вопросы не только углубит наше понимание Вселенной, но и поможет раскрыть некоторые из самых больших ее тайн — почему она возникла такой, какая есть, и какова ее конечная судьба.

Бозон ХиггсаБозон Хиггса

Бозон Хиггса – элементарная частица, природу которой очень сложно постичь без предварительной подготовки и понимания основных физических и астрономических законов Вселенной.

Свойства хиггсовского бозона

Бозон Хиггса имеет множество уникальных свойств, позволившим получить ему еще одно название – частица Бога. Открытый квант обладает цветным и электрическими зарядами, а его спин по факту равняется нулю. Это означает, что он не имеет квантового вращения.  К тому же, бозон полноценно участвует в гравитационных реакциях и склонен к распаду на пары из b-кварка и b-антикварка, фотонов, электронов и позитронов в сочетании с нейтрино. Однако параметры этих процессов по ширине не превышают 17 мегаэлектроновольт (МэВ). Помимо вышеперечисленных характеристик частица Хиггса способна распадаться на лептоны и W-бозоны. Но, к сожалению, они видны недостаточно хорошо, что значительно осложняет изучение, контроль и анализ явления. Однако в те редкие моменты, когда их все же получалось фиксировать, удалось установить, что они вполне соответствуют типичным для таких случаев физическим моделям элементарных частиц.

Предсказание и история открытия бозона Хиггса

В 2013 году англичанин Питер Хиггс и подданный Бельгии Франсуа Энглер получили Нобелевскую премию по физике за открытие и обоснование существования механизма, позволяющего понять, как и из чего происходят массы элементарных частиц. Однако задолго до этого уже проводились различные эксперименты и попытки открыть бозон Хиггса. Еще в 1993 году в Западной Европе начались подобные исследования с использованием мощностей Большого электронно-позитронного коллайдера. Но в итоге они не смогли в полном объеме принести результатов, ожидаемых организаторами данного проекта. К изучению вопроса подключалась и российская наука. Так в 2008-2009 гг. небольшой командой ученых ОИЯИ был произведен уточненный расчет массы хиггсовского бозона. Совсем недавно, весной 2015 года, коллаборации, известные всему научному миру, ATLAS и CMS, вновь провели корректировку массы хиггсовского бозона, которая по этим сведениям приблизительно равна 125,09±0,24 гигаэлектронвольтов (ГэВ).

Эксперименты по поиску и оценке параметров бозона Хиггса

Как уже упоминалось выше, первоначальные поисковые и оценочные эксперименты по определению массы бозона были начаты еще в 1993 году. Комплексные исследования, проводимые на Большом электронно-позитронном коллайдере, финишировали в 2001 году. Полученные благодаря этому эксперименту результаты были дополнительно откорректированы в 2004 году. По уточненным расчетам верхняя грань его массы равнялась 251 гигаэлектроновольт (ГэВ). В 2010 году была выявлена разница, равная 1%, в количестве появляющихся в ходе распада b-мезона, мюонов и антимюонов.

Несмотря на статистические недочеты, получаемые с 2011 года данные с Большого андронного коллайдера, поступали по-прежнему регулярно. Это давало надежду на исправление неточных сведений. Выявленная спустя год новая элементарная частица, которая имела идентичную четность и способность распадаться, как и хиггсовский бозон, была подвергнута серьезной критике и сомнению в 2013 году. Однако уже к концу сезона обработка всех накопленных данных привела к однозначным выводам: новая открытая частица, несомненно, является искомым бозоном Хиггса и принадлежит к Стандартной физической модели.

Интересные факты о бозоне Хиггса

Одним из наиболее интереснейших и невероятных фактов о хиггсовском бозоне является то, что его, по сути, не существует в природе. Следовательно, эта частица, в отличие от остальных фундаментальных элементов, не находится в окружающем нас пространстве. Объясняется это тем, что бозон Хиггса исчезает практически моментально после своего рождения. Происходит такая мгновенная метаморфоза посредством распада частицы. При этом за свое наикратчайшее существование бозон даже не успевает войти во взаимодействие с чем-либо еще.

Также весьма интересными и привлекающими к себе внимание фактами можно назвать, так называемые «прозвища», которые были присвоены хиггсовскому бозону. Эпатажные названия попадали в общественное использование благодаря средствам массовой информации. Одно из них было придумано вновь открытому кванту Леоном Ледерманом, лауреатом Нобелевской премии, и звучало как «чертова частица». Однако оно не было пропущено в печатное издание труда редактором и было заменено на «частицу Бога» или «божью частицу».

Другие массовые названия бозона Хиггса

Несмотря на популярность ледермановских «прозвищ», данных им бозону Хиггса, подавляющее большинство ученых не одобряют их и чаще используют другое «простонародное» название. Оно переводится как «бозон бутылки с шампанским». Основой для появления такой терминологии в обозначении хиггсовского бозона послужило некое сходство его комплексного поля с дном стеклянной бутылки из-под шампанского. Не меньшее значение для ученых «озорников» имеет и аллегоричное сравнение, намекающее на обилие выпитого шампанского по поводу открытия важной частицы.

Стоит обратить внимание и на то, что имеют место быть, так называемые, бесхиггсовые физические модели, разработанные еще до открытия бозона. Они предполагают своеобразное расширение стандартности.

Современная наука не стоит на месте, а непрерывно и неуклонно развивается. Накопленные в сегодняшней физике и смежных с ней областях знания, позволили не только предсказать, но и, собственно говоря, совершить открытие бозона Хиггса. Но изучение его свойств и обозначение сфер применения добытых сведений находится лишь в начальной стадии. Поэтому современным физикам и астрономам еще предстоит много работы и экспериментов, связанных с исследованием этой основополагающей для Вселенной частицы.

Многие что-то где-то слышали про бозон Хиггса, а некоторые даже пробовали разобраться в вопросе того, что это такое. В итоге, объяснение данного процесса такое сложное, что понять все это не так легко. Мы просто знаем, что это важно, и все. Хотя иногда даже складывается ощущение, что ученые от нас что-то скрывают, и на самом деле аппаратура на миллиарды долларов, включая Большой адронный коллайдер, просто не нужна. Конечно, это не так, и физики сделали большое открытие (и продолжают делать новые), вот только надо понимать, даст ли это что-то нам с вами. Я имею в виду простых людей, которым интересно прочитать и удивиться, сколько денег потратили на новую лабораторию, но куда интереснее получить от этого какие-то преимущества. Давайте попробуем понять, светит ли нам мир во всем мире и будет в наших домах теплей от обнаружения бозона Хиггса. Да и вообще, что это такое.

Что такое бозон Хиггса

Прежде, чем рассказывать, чем является одно из самых важных открытий современной физики, надо дать этому определение. Желательно сделать это простым языком, а не так, чтобы его поняли только дипломированные физики. Этим и займемся.

Сделать это совсем просто — не просто. Еще в начале девяностых годов прошлого века в разных научных сообществах даже учреждались премии, которые должны были стимулировать ученых придумывать простые объяснения главной частицы всех теорий. Получалось так себе, но версии были очень разные.

Физики отчаянно хотят, чтобы бозон Хиггса был ошибкой

Например, одна из версий абстрактно сравнивала ситуацию с вечеринкой. Приводилась в пример группа людей, которая присутствует на каком-либо мероприятии, куда в какой-то момент заходит известный человек. Для наглядности можно даже сказать знаменитый. В итоге, некоторые люди в помещении начинают перемещаться в его сторону и идут за ним, так как хотят с ним пообщаться.

Во время такого следования толпа может разбиваться на небольшие группы, которые, допустим, будут обсуждать какие-то новости или сплетни. Постепенно они начнут передавать сплетню друг другу и начнут образовывать уплотнения.

Физики наконец-то увидели, на что распадается бозон Хиггса

В этом объяснении помещение является полем Хиггса, знаменитость является частицей, движущейся в поле, а группы людей будут представлять из себя возмущения этого поля. Ничего не понятно? Согласен! Но ведь это одно из самых простых объяснений. Если вы можете более просто объяснить, что такое бозон Хиггса, расскажите об этом в нашем Telegram-чате. Может у вас получится.

Существует ли бозон Хиггса

Бозон Хиггса является фундаментальной частицей Стандартной модели. До недавнего времени найти ее было невозможно. При этом существование такой частицы физики предсказывали еще в шестидесятые годы прошлого века. У них не было оборудования, которое позволяло бы доказать существование таких частиц, и им нужен был инструмент, который создали только существенно позже. Произошло это в 2008 году, когда в ЦЕРНе (Европейский совет ядерных исследований) появился Большой адронный коллайдер.

Стандартная модель является теоретической конструкцией, применяемой в физике элементарных частиц. Она описывает электромагнитное взаимодействие всех элементарных частиц (слабое и сильное). Стандартная модель не описывает некоторые стороны физики, например, темную материю. Именно поэтому ее нельзя называть теорией всего. Картинка стандартной модели ”полностью сложилась”, когда открыли бозон Хиггса.

Почему бозон Хиггса называют ”частицей Бога”

С 2008 год ученые подкованы поисках ”Частицы Бога” (одно из названий бозона Хиггса). Так ее называют по предложению Леона Ледермана, который был нобелевским лауреатом и выпустил книгу с заголовком, начинающимся с этих слов. Хотя самому ученому больше по душе было название ”Проклятая частица”, но оно как-то не прижилось.

Как говорится, ”хоть чертом лысым назови”, но частицу в итоге нашли и произошло это в 2012 году. Помог в обнаружении как раз тот самый Большой адронный коллайдер. При этом после обнаружения ученые сообщили об этом, но не торопились делать поспешных выводов и выступали очень осторожно. В первые дни после эксперимента ученые говорили, что они только нашли элементарную частицу, похожую на бозон Хиггса.

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.

Где можно применить бозон Хиггса

На практике применение бозона Хиггса пока невозможно, да и не понятно, где его применять. Зато он важен для фундаментальной физики. Ну, хотя бы он не привел к концу света, о котором говорили многие скептики. Были даже теории о том, что столкновение частиц в Большом адронном коллайдера может породить черную дыру, которая поглотит всю нашу Солнечную систему. А Дэн Браун в своей известной книге ”Ангелы и демоны” сделал основной сюжета охоту за антивеществом, которое злоумышленники похитили в ЦЕРН.

Бозон Хиггса: портал в «темный мир»?

В итоге у нас (у человечества) есть бозон Хиггса и Большой адронный коллайдер в центре Европы, стоимость строительства которого превысила 10 миллиардов долларов. Практической пользы для простых людей чуть меньше, чем нет совсем, но звучит вся эта история интересно. Ну, хоть физики довольны — может найдут применение своей находке.

Бозон Хиггса – это элементарная частица, которая была предсказана теоретически еще в 1964 году. Элементарный бозон, возникающий вследствие механизма спонтанного нарушения электрослабой симметрии.

Разберемся подробнее и постарается ответить простыми словами, что же представляет собой бозон Хиггса и что такое Поле Хиггса? Почему бозон Хиггса называют «частицей Бога» и почему это открытие так важно для науки?

«Стандартная модель» устройства вселенной

Для того, чтобы понять, что такое бозон Хиггса, нам придется обратиться к одной из самых известных теорий, описывающих то, как работает космос: Стандартной модели.

Эта модель пришла к нам в виде физических частиц, полей, которое физики постепенно заполняли строительными блоками по мере исследования Вселенной. Это происходило на протяжении веков и люди достигли существенного прогресса. Сначала мы обнаружили атомы, потом протоны, нейтроны и электроны, и наконец — кварки и лептоны (о них подробнее позже).

Да, можно смести все эти фигуры с доски и сдаться квантовой механике, но физики упорно держатся за Стандартную модель, многие из них ее уже ненавидят и хотят опровержения, которое позволит найти более удобную и красивую теорию о том, как построен мир элементарных частиц. Но пока безуспешно, и открытие бозона Хиггса еще более оттянуло тщательный пересмотр СМ.

Как говорится, ежики плакали и кололись, но продолжали есть кактус. В конце концов, Стандартная модель дает нам глубокое представление о типах материи и сил, более глубокое, чем любая другая физическая теория.

Стандартная модель была разработана в 1970-х годах. Вот вся суть СМ в нескольких предложениях: наша вселенная состоит из 12 различных частиц материи и четырех сил. Среди этих 12 частиц есть шесть кварков и шесть лептонов. Кварки образуют протоны и нейтроны, а члены семьи лептонов включают электрон и электронное нейтрино — его нейтрально заряженный антагонист.

Ученые полагают, что лептоны и кварки являются неделимыми: их нельзя разбить на более мелкие частицы. Наряду с этими частицами, Стандартная модель описывает четыре фундаментальных силы: гравитацию, электромагнитое, сильное и слабое взаимодействие.

Как теория, Стандартная модель работает хорошо, несмотря на ее неспособность вписаться в гравитацию. Благодаря этому, физики предсказали существование определенных частиц до того, как те были обнаружены экспериментально. И вот, на горизонте появился бозон Хиггса. Давайте выясним, как эта частица вписывается в Стандартную модель и Вселенную в целом.

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.

Открытие бозона Хиггса в 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.

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%.

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

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.

Вселенная колеблется на грани стабильности?

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.

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.

Польза которую несет открытие 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.

Угроза эксперементов с бозоном Хиггса (рекомендуем ознакомиться!)

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 теоретически, для того, чтобы произошло нечто подобно необходимо построить коллайдер размером со всю нашу планету.

Рекомендуем посмотреть это видео о работе Большого Адронного Коллайдера в ЦЕРНе:

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.

Исследования продолжаются

Открытие бозона Хиггса можно смело назвать одним из самых важных открытий в нашей недолгой истории. Когда-то давно любознательность наших предков вывела их из Африки и побудила исследовать мир. Сегодня мы знаем о четырех фундаментальных взаимодействиях природы, которые помогают нам понять, как устроен мир в тончайших деталях. 

Исследования продолжаются, и ученые, работающие на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе и других ускорителях частиц, достигают все больших энергий — и даже добились создания капель кварк-глюонной плазмы (сегодня она считается первичным веществом, которым было заполнено все пространство сразу после Большого взрыва).

К 2030 году в Китае планируют построить самый большой и мощный ускоритель частиц, который поможет проводить новые эксперименты на более высоких энергиях. Будем надеяться, что он поможет заглянуть глубже в саму структуру реальности. А пока нам остается только ждать и следить за результатами экспериментов.

Вы уже наверное в курсе, что ученые Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН) обнаружили признаки существования так называемой «божественной частицы» — бозона Хиггса. Давайте посмотрим как это было.

4 июля 2012 учеными из европейского центра ядерных исследований ЦЕРН в Швейцарии обнаружили бозон Хиггса — субатомную частицу, называемую «частицей бога». Поиски «божественной» частицей велись почти 50 лет. Обнаружить бозон Хиггса удалось во время экспериментов на Большом адронном коллайдере, основные кольца ускорителя которого находятся в 27-километровом подземном тоннеле.

Бозон Хиггса является важнейшим элементом Стандартной модели — физической теории, описывающей взаимодействие всех элементарных частиц: он объясняет наличие такого явления как масса.

Познакомимся поближе с фантастической машиной, стоимостью до 6 млрд долларов, которая обнаружила бозон Хиггса. Добро пожаловать в мир субатомных частиц!

 На фотографии: Английский физик-теоретик, член Королевского Общества Эдинбурга Питер В. Хиггс. Это он в 60-е годы предсказал существование бозона Хиггса, который отвечает за массу всех элементарных частиц.

В своих выступлениях Питер заявлял, что если бозон не будет обнаружен, это будет означать, что он и многие другие физики больше не понимают как взаимодействуют элементарные частицы.   Частица Хиггса настолько важна, что американский физик, нобелевский лауреат Леон Ледерман назвал ее «частицей бога».

 

 Итак, как уже говорилось, бозон Хиггса был обнаружен во время экспериментов на Большом адронном коллайдере. Он был построен в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований (ЦЕРН) недалеко от Женевы, на границе Швейцарии и Франции. (Фото Anja Niedringhaus | AP):

 Большой адронный коллайдер является самой крупной экспериментальной установкой в мире. Это гигантский ускоритель заряженных частиц, предназначенный для разгона протонов и тяжелых ионов. Посмотрим, как он создавался. На фотографии: идет прокладка туннеля под землёй на территории Франции и Швейцарии с длиной окружности почти 27 км, 2000-й год. Глубина нахождения туннеля — от 50 до 175 метров. (Фото Laurent Guiraud | © 2012 CERN):

 В строительстве и исследованиях участвовали и участвуют более 10 000 учёных и инженеров из более чем 100 стран, в том числе и из России. На фотографии: идет монтаж торцевого адронного калориметра детектора ATLAS, который как раз и  предназначен для поиска бозона Хиггса и «нестандартной физики», в частности темной материи. Всего на Большом адронном коллайдере работают 4 основных и 3 вспомогательных детектора. 12 августа 2003 года. (Фото Maximilien Brice | © 2012 CERN):

 

 Большим коллайдер назван из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 метров. Объезжать 27-километровый подземный тоннель, предназначенный для размещения кольцевого ускорителя, лучше всего на транспорте, 24 октября 2005 год. (Фото Laurent Guiraud | © 2012 CERN):

 

 Электромагнитный калориметр — прибор, который измеряет энергию частиц. В собранном виде представляет собой стену высотой более 6 метров и 7 метров в ширину. Состоит из 3 300 блоков. (Фото Maximilien Brice | © 2012 CERN):

 Идея строительство Большого адронного коллайдера родилась в 1984 году и была официально одобрена десятью годами позже. Его строительство началось в 2001 году. На фотографии: кольцевой ускоритель Большого адронного коллайдера, находящейся в подземном тоннеле прямо под Международным женевским аэропортом, 31 мая 2007 года. (Фото Keystone, Martial Trezzini | AP):

 Коллайдер называется адронным из-за того, что он ускоряет адроны, то есть тяжелые частицы, состоящие из кварков. 19 октября 2006 года. (Фото Maximilien Brice | © 2012 CERN):

Доставка на место торцевого магнита детектора ATLAS, 29 мая 2007 года. (Фото Claudia Marcelloni | © 2012 CERN):

 Основной целью строительства Большого адронного коллайдера было уточнение или опровержение Стандартной модели — теоретической конструкции в физике, формирование которой было завершено в 1960—1970-х годах, описывающей элементарные частицы и три из четырех фундаментальных взаимодействий (кроме гравитационного): сильное, слабое и электромагнитное. Главной задачей Большого адронного коллайдера было экспериментально доказать существование бозона Хиггса. Он был обнаружен 4 июля 2012.

 Это составная часть ALICE — одной из шести экспериментальных установок, сооруженных на Большом адронном коллайдере. 3 584 кристаллов вольфрамата свинца. ALICE оптимизирована для изучения столкновений тяжелых ионов. (Фото Maximilien Brice | © 2012 CERN):

  

 Экспериментальная установка ALICE, 2007 год. (Фото Maximilien Brice | © 2012 CERN):

 Официальный запуск коллайдера был произведен 10 сентября 2008 года. Данные, поступающие с Большого адронного коллайдера, обрабатываются в 140 дата-центрах, расположенных в 33 странах по всему миру. Ежегодно приходится обрабатывать 15 миллионов гигабайт данных! На фотографии: дата-центр в Женеве, 3 октября 2008 года. (Фото Valentin Flauraud | Reuters):

 Детектор ATLAS во время сборки 11 ноября 2005 года. Общие размеры детектора ATLAS: длина — 46 метров, диаметр — 25 метров, общий вес — около 7 000 тонн. На этом детекторе проводят одноименный эксперимент, предназначенный для поиска сверхтяжелых элементарных частиц, в том числе и только что обнаруженного бозона Хиггса. (Фото Maximilien Brice | © 2012 CERN):

 Детектор ATLAS, 22 февраля 2006 года. (Фото Maximilien Brice | © 2012 CERN):

 Компактный мюонный соленоид — один из двух больших универсальных детекторов элементарных частиц, созданных в Европейском центре ядерных исследований и предназначенный для исследования свойств микромира. Он расположен в подземной пещере внушительных размеров: 53 метров в длину, 27 метров в ширину и 24 метров в высоту. (Фото Maximilien Brice | © 2012 CERN):

 

 Английский физик Питер Хиггс, чьим именем назвали бозон. Рядом с детектором ATLAS, апрель 2008 года. (Фото Claudia Marcelloni | © 2012 CERN):

 Наблюдения за бозонами Хиггса не только позволят разобраться в происхождении массы, но и помогут разгадать загадку темной материи. (Фото Michael Hoch | © 2012 CERN):

 Сборка Большого адронного коллайдера, 16 июня 2008 года. (Фото Maximilien Brice | © 2012 CERN):

27-километровый подземный тоннель содержит две трубы, которые идут параллельно и пересекаются лишь в местах расположения детекторов.

 На фотографии: линейный ускоритель низкоэнергетических частиц Linac2, расположенный подземном тоннеле. Всего Большой адронный коллайдер имеет шесть главных ускорителей. (Фото Keystone, Martial Trezzin | AP):

 Внутренний детектор ATLAS, 23 августа 2006 года. Детектор производит огромное количество информации — около 1 Пбайт = 1 024 Тбайт «сырых» данных в секунду! (Фото Claudia Marcelloni | © 2012 CERN):

 В эксперименте ATLAS участвовали около 2 000 ученых и инженеров из 165 лабораторий и университетов из 35 стран, в том числе и из России. (Фото Claudia Marcelloni | © 2012 CERN):

Фантастическая машина — Большой адронный коллайдер. На фотографии: универсальный детектор элементарных частиц — компактный мюонный соленоид. (Фото Maximilien Brice | © 2012 CERN):

В 2009 году стоимость Большого адронного коллайдера оценивалась от 3.2 до 6.4 млрд евро, что делало его самым дорогим научным экспериментом в истории человечества.

На фотографии: один из торцевых калориметров детектора ATLAS, 16 февраля 2007 года. Невероятно большая и сложная конструкция. (Фото Claudia Marcelloni | © 2012 CERN):

Еще одна фотография детектора элементарных частиц — компактного мюонного соленоида, 2007 год.(Фото Maximilien Brice | © 2012 CERN):

Вокруг Большого адронного коллайдера ходило много слухов. Например, что он представляет огромную опасность для человечества, и его запуск может привести к концу света. Поводом стали заявления ученых о том, что в результате столкновений частиц в коллайдере могут якобы образоваться микроскопические черные дыры: после этого появились мнения, что в них может «засосать» всю нашу Землю.

Также, высказывались опасения, что обнаружение бозона Хиггса вызовет бесконтрольный рост массы во Вселенной. Появился даже анекдот: «У физиков есть традиция — один раз в 14 миллиардов лет собираться и запускать адронный коллайдер». Причина слухов оказалась банальной: слова ученых были искажены и неверно интерпретированы журналистами. (Фото Michael Hoch | © 2012 CERN):

Монтаж кольцевого ускорителя в подземном тоннеле, 1 ноября 2007 года. (Фото Maximilien Brice | © 2012 CERN):

Работы внутри пещеры по размещению калориметра (прибора, который измеряет энергию частиц) на детекторе ATLAS, январь 2011 года. (Фото Claudia Marcelloni | © 2012 CERN)

(Фото Claudia Marcelloni/© 2012 CERN):

Еще больше. После окончания сеанса работы в 2012 году коллайдер будет закрыт на долговременный ремонт. Ремонт предположительно будет длиться не менее полутора лет и займёт весь 2013 года. Некоторые ученые из США и Японии предлагают после окончания работы над Большим адронным коллайдером начать работу над новым Очень большим адронным коллайдером.

На фотографии: восемь труб – это магниты, окружающие калориметра. Вся эта огромная конструкция является частью одного из детекторов частиц Большого адронного коллайдера. (Фото Maximilien Brice | © 2012 CERN):

По мнению учёных, обнаруженный бозон Хиггса может пролить свет на происхождение Вселенной и понять, что представляла из себя Вселенная в первые мгновения после Большого Взрыва. (Фото CERN | AP):

Это был рассказ о Большом адронном коллайдере — фантастической машине, стоимостью под 6 млрд. долларов. (Фото Maximilien Brice | © 2012 CERN):