Бозон Хиггса

В 2013 году произошло важнейшее событие для всего научного сообщества — ученые ЦЕРН (Европейского центра ядерных исследований) объявили об обнаружении бозона Хиггса. С момента теоретического предсказания существования до фактического открытия этой «неуловимой» элементарной частицы прошло почти 50 лет.

Благодаря этому достижению была завершена Стандартная модель физики и человечество сделало важный шаг к пониманию устройства Вселенной. В этой статье мы постараемся понять, что представляет собой «частица бога» и каково ее значение в современной науке. Кроме того, порассуждаем, какие новые открытия смогут сделать ученые благодаря обнаружению бозона Хиггса.

Что такое бозон Хиггса?

Чтобы ответить на этот вопрос, сначала разберемся, что представляет собой Стандартная модель физики. Это научная теория, которая описывает все известные элементарные частицы и возникающие между ними взаимодействия. Их называют фундаментальными, так как принято считать, что описываемые Стандартной моделью явления нельзя разложить на составляющие. С помощью СМ можно объяснить 3 из 4 фундаментальных взаимодействий (все, за исключением гравитации).

• Электромагнетизм — взаимодействие между частицами с положительными и отрицательными зарядами в электромагнитном поле. Противоположные заряды притягиваются друг к другу, а одинаковые отталкиваются.
• Слабое взаимодействие — механизм, описывающий процесс бета-распада субатомных частиц. При бета-распаде одни элементарные частицы меняют свой заряд и преобразуются в другие (например, нейтроны — в протоны). Слабое взаимодействие участвует в расщеплении атомов и ядерном синтезе, которые сопровождаются выплеском колоссальной энергии.
• Сильное взаимодействие — отвечает за целостность структуры адронов (составных элементарных частиц). Благодаря сильному взаимодействию сохраняют свою целостность ядра атомов, состоящих из нейтронов и протонов. По своей силе это взаимодействие в 10³⁸ раз превосходит гравитацию, поэтому окружающая нас материя не распадается на мельчайшие составляющие.

Своеобразным «строительным материалом» нашей Вселенной являются фермионы (лептоны и кварки). Именно они, встречаясь друг с другом, формируют материю. Характер взаимодействия фермионов (электромагнитного, сильного или слабого) определяется бозонами. У всех бозонов есть спин — собственный момент импульса или, если упростить, характер вращательного движения элементарной частицы. Долгое время было подтверждено существование лишь 4 векторных бозонов (у которых значение спина равно единице):

• фотоны — частицы света, которые отвечают за электромагнитное взаимодействие;
• глюоны — безмассовые элементарные частицы, которые отвечают за сильное взаимодействие между кварками;
• W- и Z-бозоны — частицы с очень коротким временем существования, которые участвуют в слабом взаимодействии.

В 1960-х была обнаружена проблема — расчеты показывали, что при наличии одних лишь векторных бозонов без введения дополнительных переменных массивные элементарные частицы не имели бы массы. Для объяснения противоречия английский физик Питер Хиггс в 1964 году разработал концепцию квантового поля, в котором образуются скалярные бозоны с нулевым спином. В процессе колебаний поле Хиггса взаимодействует с фермионами, W- и Z-бозонами, в результате чего эти частицы приобретают массу. Таким образом, бозон Хиггса — это частица энергетического поля, которая отвечает за характер его взаимодействия с другими полями, то есть приобретение массы другими частицами.

Ключевые свойства бозона Хиггса

Чтобы обнаружить бозон Хиггса, ученым было необходимо точно определить его свойства. Мы уже упомянули о нулевом спине — он нужен для того, чтобы поле Хиггса не имело определенного направления (было скалярным). Кроме того, нулевыми должны быть и другие значения:

• электрический заряд — бозон Хиггса не является источником электромагнитного поля и не может принимать участия в электромагнитном взаимодействии;
• цветовой заряд — квантовые числа, которые в физике называют цветами, определяют характер сильного взаимодействия, в котором бозон Хиггса также не участвует.

Важно уточнить, что при столь малых значениях массу элементарных частиц измеряют не в граммах, а в гигаэлектронвольтах на секунду в квадрате, выводя их из формулы Эйнштейна: E = mc². Первоначально ученым удалось установить диапазон массы, которую может иметь бозон Хиггса, — от 115 до 180 ГэВ/с². Позднее, уже после открытия частицы на Большом адроном коллайдере, значение уточнили до 125 ГэВ/с². Среднее время существования бозона Хиггса составляет от 1,2 до 4,6 * 10^-22 секунды, что также согласуется с теоретическими предсказаниями.

Как искали бозон Хиггса: эксперименты и технологии

Согласно теоретической модели, для искусственного образования бозона Хиггса необходимо провести череду столкновений заряженных частиц. Для этих целей физики используют специальные ускорители (коллайдеры и синхротроны), которые запускают частицы на околосветовых скоростях в противоположных направлениях.

Из-за очень короткого времени существования бозонов Хиггса оборудование также должно быть оснащено высокоточными детекторами, которые смогли бы зафиксировать их возникновение и распад. Недостаточное развитие технологий в момент теоретического описания механизма Хиггса существенно осложняло процесс поиска. Кроме того, далеко не все ученые были уверены в существовании подобной частицы, поэтому первые эксперименты начали проводить лишь в начале 1990-х. Сейчас мы кратко рассмотрим предысторию экспериментального открытия бозона Хиггса.

• Большой электрон-позитронный коллайдер. Первый крупный ускоритель ЦЕРН работал с 1990 по 2000 год. По результатам первых экспериментов, начавшихся в 1993 году, бозон Хиггса не был найден, однако специалистам удалось установить нижний предел его массы — 114,4 ГэВ/с².
• Тэватрон. Кольцевой циклический ускоритель (синхротрон) Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми функционировал с 1983 по 2011 годы. В 1995 году с его помощью был открыт верхний (истинный) кварк, самый массивный среди всех фермионов. Предполагалось, что после модернизации оборудование Тэватрона сможет зафиксировать и бозон Хиггса, однако ученым удалось лишь исключить некоторые диапазоны масс.

Когда Тэватрон достиг предела своей мощности, эксперименты по поиску бозона Хиггса начали проводить исключительно на Большом адроном коллайдере, введенном в эксплуатацию в 2008 году. Этот крупнейший в истории ускоритель (диаметр основного ускоряющего кольца равен примерно 27 километрам) был спроектирован и построен ЦЕРН. По результатам экспериментов с использованием детекторов ATLAS и CMS диапазон возможной массы бозона Хиггса был сужен до 115–127 ГэВ/с².

В июле 2012 года было объявлено, что оба крупнейших детектора БАК зафиксировали аномальные данные при значении 125 ГэВ/с², которые, по предварительным выводам, могли свидетельствовать об обнаружении нового бозона. Чтобы исключить неточность измерений или статистическую погрешность, группы учёных, работавших на детекторах ATLAS и CMS, были полностью изолированы друг от друга. Последующие эксперименты и анализ данных подтвердили, что была открыта новая частица с нулевым спином. 14 марта 2013 года ЦЕРН официально объявил о том, что бозон Хиггса был найден.

Роль бозона Хиггса в Стандартной модели физики

С открытием бозона Хиггса Стандартная модель физики была подтверждена — сначала теоретически, а затем и экспериментально. Был решен один из важнейших научных вопросов, который повлиял на наше понимание массы на фундаментальном уровне. Благодаря полю и бозону Хиггса ученые поняли, как именно W- и Z- бозоны, а также фермионы приобретают массу. Чем сильнее взаимодействие с полем Хиггса, тем большую массу приобретают элементарные частицы. Единственными известными исключениями являются фотоны и глюоны — они совсем не взаимодействуют с полем Хиггса, не получают массу, а потому, в соответствии со специальной теорией относительности, могут двигаться со скоростью света.

Значение открытия бозона Хиггса для науки

Завершение Стандартной модели создало основу для выведения гипотетической теории всего. В начале статьи мы писали о том, что СМ описывает только 3 фундаментальных взаимодействия, но никак не касается гравитации. Именно эту проблему должна разрешить единая теория поля, разработкой которой уже много лет заняты ведущие физики мира. По одной из гипотез, во Вселенной существует еще одна элементарная частица — гравитон. По аналогии с другими бозонами, определяющими характер электромагнитного, сильного и слабого взаимодействия, гравитоны могут отвечать за гравитационное взаимодействие. Пока что каких-либо экспериментальных подтверждений этой теории нет, однако модернизация Большого адронного коллайдера и создание еще более мощных ускорителей частиц могут поспособствовать объединению всех фундаментальных взаимодействий.

Будущее исследований бозона Хиггса

После открытия бозона Хиггса ученые продолжили его исследования. Из-за невозможности заранее предсказать, на какие составляющие распадается бозон, возникает вопрос, является ли он отдельной частицей или целой группой частиц с похожими свойствами. Кроме того, изучая условия возникновения бозона Хиггса, ученые пытаются понять, отвечает ли он исключительно за придание массы или проявляет себя в каких-то других аспектах. Нынешние и будущие исследования, план которых расписан до 2040-х годов, могут дать ответы на следующие нерешенные вопросы физики.

• Почему одни частицы имеют массу, а другие нет (нарушается электрослабая симметрия)?
• Есть ли взаимосвязь между бозонами Хиггса и темной материей — гипотетическим видом материи, который объясняет наблюдаемое гравитационное взаимодействие в масштабах галактик?
• Связан ли бозон Хиггса с загадочной темной энергией, которая используется для объяснения ускоряющегося расширения Вселенной?
• Является ли в действительности бозон Хиггса элементарной частицей или у него есть составляющие элементы?

Бозон Хиггса: мифы и реальность

Средства массовой информации зачастую неправильно интерпретируют заявления ученых о бозоне Хиггса. Сейчас мы рассмотрим 4 наиболее распространенных мифа об этой элементарной частице и представим их корректную интерпретацию:

1. Бозон Хиггса определяет массу других частиц.

Уточнение:

массу частиц определяет их взаимодействие с полем Хиггса, а бозоны возникают вследствие колебания этого поля.

2. Поле Хиггса определяет массу всей материи.

Уточнение:

взаимодействуя с полем Хиггса, массу приобретают фермионы, которые определяют лишь незначительную часть массы формируемых ими протонов и нейтронов. Большая часть массы образуется благодаря энергии, связывающей элементарные частицы.

3. Бозоны Хиггса образуют поле Хиггса.

Уточнение:

верно обратное утверждение. В результате взаимодействий поля Хиггса на короткое время образуются бозоны Хиггса.

4. Поле Хиггса — это современная интерпретация эфира.

Уточнение:

В прошлом ученые предполагали, что космическое пространство заполнено эфиром — вязким веществом, в котором создаются условия для распространения электромагнитного излучения. Однако поле Хиггса не является окружающей средой, а представляет собой определенный вид энергии, взаимодействующей с другими видами энергии.

***

Бозон Хиггса является одним из важнейших открытий за всю историю науки. Несмотря на ничтожное время существования бозона и экстремальные условия образования, его существование все же было подтверждено. Как мы смогли увидеть, не меньшую ценность для науки представляет доказательство существования поля Хиггса, в котором определяется масса некоторых элементарных частиц. С завершением Стандартной модели физики были открыты новые возможности для разработки теории всего, которая поможет нам лучше понять Вселенную и ответить на нерешенные вопросы мироустройства.

Вопрос-ответ

Что такое бозон Хиггса простыми словами?

Бозон Хиггса — это элементарная частица, которая образуется в процессе обретения другими элементарными частицами массы. Бозон Хиггса существует в течение очень короткого промежутка времени — от 1,2 до 4,6 * 10^-22 секунды, после чего распадается.

Почему бозон Хиггса называют «частицей бога»?

В 1993 году лауреат Нобелевской премии по физике Леон Ледерман писал о сложности открытия бозона Хиггса и назвал его «чертовой частицей» («goddamn particle»). Однако редакторы его книги сочли такой вариант неуместным и сократили его до «god particle», что переводится как «частица бога». Таким образом, у этого неофициального названия нет какой-либо смысловой основы, ведь оно появилось благодаря игре слов.

Что доказывает бозон Хиггса?

С открытием бозона Хиггса ученым удалось доказать фундаментальный механизм приобретения массы элементарными частицами, который происходил на самых ранних этапах зарождения Вселенной.

Из чего состоит бозон Хиггса?

По современным представлениям, которые выведены из Стандартной модели, бозон Хиггса является неделимой элементарной частицей, а значит, не состоит из каких-либо других элементов.

Как выглядит бозон Хиггса?

Бозон Хиггса невозможно увидеть даже с помощью самых мощных микроскопов. В своих исследованиях ученые выходят за рамки визуального восприятия элементарных частиц, стремясь понять их структуру, свойства и характер взаимодействия с другими частицами.

Изображение на обложке: CMS/CERN