Что такое бозон: Что такое бозон | С другого угла

Содержание

Бозоны

msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist>
msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist>
msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist>
msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist>
msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist>
msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist>
msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist>
msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist>
msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist> msimagelist>
Адроны
Альфа-распад
Альфа-частица
Аннигиляция
Антивещество
Антинейтрон
Антипротон
Античастицы
Атом
Атомная единица массы
Атомная электростанция
Барионное число
Барионы
Бета-распад
Бетатрон
Бета-частицы
Бозе – Эйнштейна статистика
Бозоны
Большой адронный коллайдер
Большой Взрыв
Боттом. Боттомоний
Брейта-Вигнера формула
Быстрота
Векторная доминантность
Великое объединение
Взаимодействие частиц
Вильсона камера
Виртуальные частицы
Водорода атом
Возбуждённые состояния ядер
Волновая функция
Волновое уравнение
Волны де Бройля
Встречные пучки
Гамильтониан
Гамма-излучение
Гамма-квант
Гамма-спектрометр
Гамма-спектроскопия
Гаусса распределение
Гейгера счётчик
Гигантский дипольный резонанс
Гиперядра
Глюоны
Годоскоп
Гравитационное взаимодействие
Дейтрон
Деление атомных ядер
Детекторы частиц
Дирака уравнение
Дифракция частиц
Доза излучения
Дозиметр
Доплера эффект
Единая теория поля
Зарядовое сопряжение
Зеркальные ядра
Избыток массы (дефект массы)
Изобары
Изомерия ядерная
Изоспин
Изоспиновый мультиплет
Изотопов разделение
Изотопы
Ионизирующее излучение
Искровая камера
Квантовая механика
Квантовая теория поля
Квантовые операторы
Квантовые числа
Квантовый переход
Квант света
Кварк-глюонная плазма
Кварки
Коллайдер
Комбинированная инверсия
Комптона эффект
Комптоновская длина волны
Конверсия внутренняя
Константы связи
Конфайнмент
Корпускулярно волновой дуализм
Космические лучи
Критическая масса
Лептоны
Линейные ускорители
Лоренца преобразования
Лоренца сила
Магические ядра
Магнитный дипольный момент ядра
Магнитный спектрометр
Максвелла уравнения
Масса частицы
Масс-спектрометр
Массовое число
Масштабная инвариантность
Мезоны
Мессбауэра эффект
Меченые атомы
Микротрон
Нейтрино
Нейтрон
Нейтронная звезда
Нейтронная физика
Неопределённостей соотношения
Нормы радиационной безопасности
Нуклеосинтез
Нуклид
Нуклон
Обращение времени
Орбитальный момент
Осциллятор
Отбора правила
Пар образование
Период полураспада
Планка постоянная
Планка формула
Позитрон
Поляризация
Поляризация вакуума
Потенциальная яма
Потенциальный барьер
Принцип Паули
Принцип суперпозиции
Промежуточные W-, Z-бозоны
Пропагатор
Пропорциональный счётчик
Пространственная инверсия
Пространственная четность
Протон
Пуассона распределение
Пузырьковая камера
Радиационный фон
Радиоактивность
Радиоактивные семейства
Радиометрия
Расходимости
Резерфорда опыт
Резонансы (резонансные частицы)
Реликтовое микроволновое излучение
Светимость ускорителя
Сечение эффективное
Сильное взаимодействие
Синтеза реакции
Синхротрон
Синхрофазотрон
Синхроциклотрон
Система единиц измерений
Слабое взаимодействие
Солнечные нейтрино
Сохранения законы
Спаривания эффект
Спин
Спин-орбитальное взаимодействие
Спиральность
Стандартная модель
Статистика
Странные частицы
Струи адронные
Субатомные частицы
Суперсимметрия
Сферическая система координат
Тёмная материя
Термоядерные реакции
Термоядерный реактор
Тормозное излучение
Трансурановые элементы
Трек
Туннельный эффект
Ускорители заряженных частиц
Фазотрон
Фейнмана диаграммы
Фермионы
Формфактор
Фотон
Фотоэффект
Фундаментальная длина
Хиггса бозон
Цвет
Цепные ядерные реакции
Цикл CNO
Циклические ускорители
Циклотрон
Чарм. Чармоний
Черенковский счётчик
Черенковсое излучение
Черные дыры
Шредингера уравнение
Электрический квадрупольный момент ядра
Электромагнитное взаимодействие
Электрон
Электрослабое взаимодействие
Элементарные частицы
Ядерная физика
Ядерная энергия
Ядерные модели
Ядерные реакции
Ядерный взрыв
Ядерный реактор
Ядра энергия связи
Ядро атомное
Ядерный магнитный резонанс (ЯМР)

Что такое бозон | С другого угла

Совсем недавно, в 2012 году, на Большом Адронном Коллайдере был обнаружен Бозон Хиггса. Это открытие является одним из самых выдающихся за последние годы. Журналисты довольно ярко осветили эту новость, однако что такое бозоны, и бозон Хиггса в частности, осталось для многих загадкой.

Современная экспериментально подтвержденная физика элементарных частиц умещается в теоретической выкладке, которая называется Стандартной моделью. Эта модель не является «теорией Всего», однако она с точностью способная описать огромное множество физических процессов, происходящих вокруг нас.

Если откинуть все формулы и определения, то Станартную модель можно изобразить в виде некой таблицы, в которой будут обозначены все экспериментально найденные частицы, разгруппированные определенным образом.

Стандартная модель

Стандартная модель

Все частицы стандартной модели можно разделить на две основные группы: фермионы и бозоны. Из фермернов состоит весь окружающий нас мир, поскольку ими являются кварки и лептоны. Из кварков складываются все протоны и нейтроны, которые в свою очередь складываются в атомные ядра. Одним из лептонов является электрон, который вместе с атомными ядрами образует атомы, из которых состоит все вокруг и мы с вами. Но если весь мир построен из фермионов, то какую роль в природе играют бозоны?

Помимо элементарных частиц Стандартная модель также описывает и фундаментальные взаимодействия между этими частицами. Взаимодействия между частицами, фермионами, происходит не напрямую, а при помощи частиц-переносчиков взаимодействия — бозонов. Например, кварки взаимодействуют внутри протона или нейтрона не напрямую, а при помощи обмена между собой специальными бозонами, ответственными данный вид взаимодействия, которые называются глюонами. Таким образом глюоны являются переносчиками взаимодействия между кварками, которое называется сильным (по порядку величины энергии). Это взаимодействие настолько сильное, что в обычных условиях невозможно “оторвать” один кварк от другого, поэтому в природе не наблюдается свободных кварков. Поскольку в сильном взаимодействии имеются различные дробные заряды, то для поддержания этого равновесия природе необходимо 8 разных типов глюонов.

Протон как структура из двух u-кварков и одного d-кварка

Протон как структура из двух u-кварков и одного d-кварка

Фотоны, как и глюоны, также являются бозонами, но они являются переносчиками электромагнитного взаимодействия. Именно благодаря этому взаимодействию атомы могут связываться в молекулы. Фотон рассматривается, как частица электромагнитного поля. Сегодняшняя наука рассматривает фотон, как бесструктурную и безразмерную частицу с нулевой массой и нулевым зарядом, которая, грубо говоря, является сгустком чистой энергии. Из-за того, что фотоны не имеют массы, электромагнитные силы действуют на бесконечности.

Также в природе существует и слабое взаимодействие, которое ответственно за различные ядерные распады. Эти распады, естественно, не проходят без участия собственных бозонов. В данном случае имеется три вида бозонов: плюс и минус W- и Z-бозоны. Например, при бета-распаде происходит распад нейтрона на протон электрон и антинейтрино, которое осуществляется посредством W-бозона. Бозоны слабого взаимодействия являются довольно тяжелыми частицами, сопоставимые по массе с атомом рубидия. Из-за столь большой массы бозонов радиус действия слабого взаимодействия сильно ограничен.

Диаграмма Фейнмана для бета-распада нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино посредством тяжелого W-бозона

Диаграмма Фейнмана для бета-распада нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино посредством тяжелого W-бозона

Последней найденной частицей Стандартной модели является бозон Хиггса. Этот бозон отвечает не за взаимодействие, а за инертную массу частиц. Простыми словами, если частица имеет нулевую массу, как например фотон, то бозон Хиггса не имеет к ней никакого отношения, поэтому такая частица беспрепятственно двигается с максимально возможной скоростью — скоростью света. Если же частица обладает массой, то в дело вступает Хиггсовский бозон, из-за которого частица не имеет возможности разогнаться до такой скорости.

Моделирование, показывающее появление бозона Хиггса при столкновении двух протонов

Моделирование, показывающее появление бозона Хиггса при столкновении двух протонов

Еще существует всем известное гравитационное взаимодействие, которое не описывается Стандартной моделью, по причине того, что экспериментально не найдены гравитоны — бозоны-переносчики гравитационного взаимодействия.

в чём разница между фермионами и бозонами? / Хабр


Частицы стандартной модели, с массами, указанными в левом верхнем углу. Три левых столбца занимают фермионы, два правых — бозоны

Во всей Вселенной есть только два типа фундаментальных частиц: фермионы и бозоны. Каждая частица, в дополнение к обычным, известным вам свойствам, вроде массы и электрического заряда, обладает присущим ей количеством углового момента, известного, как спин. Частицы с полуцелыми спинами (±1/2, ±3/2, ±5/2,..) известны, как фермионы. Частицы с целыми спинами (0, ±1, ±2,..) — бозоны. Других частиц, фундаментальных или составных, во Вселенной нет. Но почему это имеет значение? Наш читатель спрашивает:

Не могли бы вы объяснить разницу между фермионами и бозонами? Что меняется при переходе от целого спина к полуцелому?

На первый взгляд, разбитие частиц на категории по таким свойствам кажется случайным.




Известные частицы в Стандартной Модели. Всё это фундаментальные частицы, открытые напрямую. У гравитона, пока неоткрытого, спин будет равен 2.

В конце концов, частица и есть частица, не так ли? Конечно же между кварками (подверженными воздействию сильного взаимодействия) и лептонами (не подверженными ему) разницы больше, чем между фермионами и бозонами? Конечно же, разница между материей и антиматерией значит больше, чем спин? А наличие или отсутствие массы — это гораздо больше, чем что-то настолько тривиальное, как угловой момент?

Оказывается, что со спином связано несколько небольших, имеющих значение, отличий, но есть два серьёзных отличия, имеющих гораздо больше значения, чем это кажется большинству людей, и даже большинству физиков.


Фотоны, частицы и античастицы в ранней Вселенной. Она была заполнена бозонами и фермионами, а также всеми представимыми антифермионами

Первое — только у фермионов есть копии среди античастиц. Античастица для кварка — антикварк. Античастица электрона — позитрон, а у нейтрино есть антинейтрино. Бозоны, с другой стороны, являются античастицами других бозонов, и много бозонов является античастицей самими себе. Не существует такой вещи, как антибозон. Столкнуть фотон с другим фотоном? Z0 с другой Z0? Это то же самое, с точки зрения взаимодействия материи и антиматерии, что и аннигиляция электрона и позитрона.


Бозон — такой, например, как фотон — может быть античастицей сам себе, но фермионы и антифермионы отличаются (как электрон и позитрон)

Из фермионов можно создавать композитные частицы: два верхних кварка и один нижний дают протон (фермион), один верхний и два нижних дают нейтрон (феримон). Из-за особенностей работы спина, если взять нечётное число фермионов и связать их вместе, то новая, композитная частица будет вести себя, как фермион. Именно поэтому существуют протоны и антипротоны, и поэтому нейтрон отличается от антинейтрона. А частицы, состоящие из чётного количества фермионов, например комбинация кварк-антикварк (известная, как мезон), ведёт себя, как бозон. Нейтральный пион π0 сам себе является античастицей.

Причина проста: каждый из этих фермионов представляет собой частицу со спином ±1/2. Если сложить две частицы вместе, вы получите объект со спином -1, 0, или +1, то есть целым (а следовательно, это бозон). Если сложить три, вы получите спин -3/2, -1/2, +1/2, или +3/2, то есть, фермион. Так что разница в частицах и античастицах довольно большая. Но есть и второе различие, возможно, ещё более важное.


Энергетические уровни для наиболее низких возможных энергий в нейтральном атоме кислорода. Поскольку электроны — это фермионы, а не бозоны, все они не могут существовать на первом уровне, даже при сколь угодно низких температурах

Принцип запрета Паули применим только к фермионам, но не к бозонам. Он постулирует, что в любой квантовой системе два фермиона не могут занимать одно и то же квантовое состояние. У бозонов таких ограничений нет. Если взять ядро атома и начать добавлять к нему электроны, первый электрон перейдёт в основное состояние — состояние с самой низкой энергией. Поскольку это частица со спином 1/2, состояние его спина может быть либо +1/2, либо -1/2. Если вы добавите к атому второй электрон, его спин окажется в противоположном состоянии, и он тоже перейдёт в состояние с наименьшей энергией. Но если вы добавите ещё электронов, они не смогут перейти в основное состояние, и им нужно будет обосноваться на следующем энергетическом уровне.


Энергетические уровни и волновые функции электронов, соответствующие различным состояниям атома водорода.

Именно поэтому периодическая система элементов Менделеева устроена таким образом. Поэтому у атомов разные свойства, они связываются вместе в такие сложные комбинации, и поэтому каждый элемент таблицы уникален: конфигурация электронов в каждом атоме отличается от всех остальных. То, что два фермиона не могут находиться в одном квантовом состоянии, приводит к появлению определённых физических и химических свойств элементов, к огромному количеству молекулярных комбинаций и к фундаментальным связям, благодаря которым возможны сложные химические реакции и жизнь.


То, как атомы связываются и формируют молекулы, включая органические, возможно только благодаря принципу запрета Паули

С другой стороны, в одно и то же квантовое состояние можно привести сколько угодно бозонов! Это позволяет создавать особые бозонные состояния, известные, как конденсаты Бозе-Эйнштейна. Охлаждая бозоны так сильно, что они переходят в состояние с наименьшей энергией, вы можете разместить любое их количество в одном месте. Гелий (состоящий из чётного числа фермионов, поэтому ведущий себя, как бозон), при низких температурах превращается в супержидкость — результат конденсации Бозе-Эйнштейна. На сегодняшний день в такое состояние сумели привести газы, молекулы, квазичастицы, и даже фотоны. В этой области до сих пор ведутся активные исследования.


Атомы рубидия до (слева), во время (в середине) и после (справа) перехода в состояние конденсата Бозе-Эйнштейна. На графике показано, как атомы конденсируются из менее плотных красных, жёлтых и зелёных областей в более плотные голубые и белые

То, что электроны — это фермионы, приводит к тому, что карликовые звёзды не коллапсируют под собственным весом; то, что нейтроны — фермионы, приводит к тому, что коллапс нейтронных звёзд останавливается в какой-то момент. Принцип запрета Паули, отвечающий за атомную структуру, удерживает плотнейшие из физических объектов от превращения в чёрные дыры.


Белый карлик, нейтронная звезда и даже кварковая звезда всё равно состоят из фермионов.

Когда материя или антиматерия аннигилируют или распадаются, они разогревают систему до температур, зависящих от того, подчиняются ли частицы статистике Ферми-Дирака (для фермионов) или Бозе-Эйнштейна (для бозонов). Поэтому сегодня температура реликтового излучения равна 2,73 К, а фонового нейтринного излучения — на 0,8 К меньше: это произошло благодаря аннигиляции и этим статистикам, работавшим в ранней Вселенной.


Подгонка количества нейтрино для совпадения с данными по флуктуации реликтового излучения. Данные совпадают с нейтринным излучением, энергетически эквивалентная температура которого равна 1,95 К — много меньше, чем у фотонов реликтового излучения

То, что у фермионов спин полуцелый, а у бозонов — целый, интересен сам по себе, но гораздо более интересно то, что два этих класса частиц подчиняются различным квантовым правилам. На фундаментальном уровне эти различия делают возможным наше существование. Это неплохой результат для такой мелочи, как разница в ±1/2 во внутреннем угловом моменте. Но обширные последствия казалось бы чисто квантового правила иллюстрируют, насколько важным может быть спин, и разница между бозонами и фермионами.

Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].

Бозон Хиггса – частица, отвечающая за массу

Модель в виде физических полей строилась очень долго многими физиками, упорно изучающими Вселенную. Разработка данной модели началась в 70-х годах ХХ века. Суть её проста: без бозона Хиггса у материи не может быть массы.

Совсем недавно произошло долгожданное событие: в ЦЕРНе была обнаружена знаменитая «частица бога». Предсказание сбылось, и наука приблизилась к разрешению тайны Вселенной. Попробуем представить себе что он из себя представляет. Для этого необходимо раскрошить кусочек пенопласта на стол. Если подуть на получившиеся крошки, которые являются аналогами элементарных частиц, они легко разлетятся. Но если поверхность стола будет покрыта слоем воды, разлёт крошек станет затруднённым. В этом сравнении вода выполняет функцию поля Хиггса, как бы придающая крошкам некоторую массу. А аналогом бозонов станет рябь водной поверхности, если на неё подуть. Разница заключается только в том, что такое поле влияет не на движение частиц, а на их ускорение.

Поле Хиггса

Поле Хиггса оказывает влияние на частицы, проходящие через него. Например, фотоны могут пройти сквозь это поле абсолютно свободно, а вот другие частицы – W- и Z-бозоны – замедлятся. С полем Хиггса взаимодействует всё, что имеет массу. И поле это занимает всё пространство Вселенной. Как и всем другим полям, полю Хиггса требуется определённая частица, которая будет переносить взаимодействие, влияя на находящиеся в этом поле частицы. Этот перененосчик и есть бозон Хиггса. Он был экспериментально обнаружен на БАКе 4 июля 2012 года и обладал массой 125 – 126 ГэВ/с2. Без поля Хиггса концепция построения материи получилась бы совершенно иной. Но даже картина Вселенной, получившаяся  теперь, не может быть окончательной и не объясняет всех её свойств. Космология утверждает, что подавляющая часть вещества во Вселенной может состоять из совершенно иных форм материи. Хиггсовский бозон должен помочь в дальнейших исследованиях понимания этих форм. А некоторые, оптимистически настроенные учёные, уже пытаются использовать открытие на практике. Например, если каким-то образом убрать хиггсовское поле, то все элементарные частицы потеряют массу. Возможно, появится реальная возможность создания антигравитации. Хотя, неизвестно чем это может обернуться, и возможно ли такое вообще.

В стандартной модели допускается только одно хиггсовское поле, обуславливающее все массы элементарных частиц. Но появляются расширенные, суперсимметричные стандартные модели (ССМ). В этих моделях каждой частице соответствует суперпартнёр, имеющий тесно связанные свойства (правда, такие частицы пока не обнаружены). Для ССМ уже требуются как минимум два поля, которые, взаимодействуя с частицами, наделяют их массой. Эти же поля наделяют частью массы и суперпартнёров. Два хиггсовских поля могут порождать пять разновидностей бозонов Хиггса. Из них три имеют нейтральное значение, а два получили заряд. Нейтрино, массы которых несравненно меньше масс других частиц, могут рождаться из таких взаимодействий.

Бозон Хиггса – предвестник гибели Вселенной?

Один из многих вариантов конца света опирается именно на хиггсовский бозон. Свойства этой частицы придают нашей Вселенной неустойчивое состояние, что делает возможным поглощение её Вселенной другой, альтернативной. Через какое-то время, вследствие квантовой флуктуации, может появиться вакуумный пузырёк, который станет альтернативной Вселенной, и она уничтожит нашу. Величина массы открытого бозона делает такую катастрофу очень реальной. Но не всё так плохо: конец света будет происходить со скоростью света, поэтому мы вряд ли успеем осознать его последствия. Считается, что эта катастрофа может разразиться в любое мгновение, но, скорее всего, она развернётся очень далеко от нас. Так что, несколько миллиардов лет форы у нас имеются.

Как открыли

Для поисков этой частицы был построен Большой адронный коллайдер. Это, вероятно, самый дорогостоящий проект за всю историю человечества, вобравший в себя самые последние достижения научных и инженерных гениев. Сравниться с ним по стоимости могут только грандиозные космические проекты. В подземном кольце, протяжённостью около 27 км, при помощи электрических полей разгоняются водородные ядра – протоны. Пучки протонов запускают во встречных направлениях. Разогнанные до гигантских скоростей, чуть меньших, чем скорость света, протоны сталкиваются друг с другом. Огромная энергия, приобретаемая протонами, эквивалентна массе, поэтому результатом столкновений массивных частиц является рождение новых частиц. Они очень нестабильны и подвергаются быстрому распаду. Следы столкновений регистрируются и обрабатываются специальными детекторами. Многократно изучая следы этих столкновении и открыли бозон Хиггса.

Важность открытия бозона Хиггса для современной науки подтверждается тем, что её нарекли «частицей бога».

6.6. Что такое бозон Хиггса? . Чердак. Только физика, только хардкор!

Эта частица была предсказана более 50 лет назад, ее искали десятки лет в самых современных лабораториях планеты, были задействованы лучшие ученые всего земного шара. И, наконец, чуть больше трех лет назад они заявили: да, мы его нашли, он существует!

Но вот прошло три года, и что? Как-то ничего особо не изменилось, суперизобретений не появилось. Зарплаты ученых по-прежнему меньше, чем у футболистов… Зачем же вообще тогда нужен нам этот бозон?

Все дело в том, что существует свод законов, очень хорошо описывающих устройство нашего мира на микроуровне – его называют Стандартной моделью. Но для полной уверенности в этой модели оставалось последнее экспериментальное доказательство – нахождение бозона Хиггса. По сути – это последний кусочек пазла, вишенка на торте, недостающий носок из гардероба, последний мазок на картине. Открытие этой частицы развеяло все сомнения в правильности современной физики, а они были. Ученые очень довольны, они вздохнули с облегчением и с уверенностью принялись за дальнейшую работу. Без этого дальнейшее развитие науки наверняка шло бы намного медленней. Так что в глобальном смысле – это большое достижение. Без бозона Хиггса наука буксовала бы.

О бозоне

И сам бозон Хиггса – достаточно интересный персонаж. Он подтверждает существование поля Хиггса, благодаря которому у всех тел появляется масса. И правда, что такое масса тела и откуда она берется?

Чтобы понять важность бозона Хиггса, представим себе… ну, например, всю вселенную. Помимо звезд, планет, галактик в ней есть огромное количество различных полей – гравитационные, электромагнитные… Эти поля невидимы, неосязаемы. Но они пронизывают насквозь нас самих, все окружающие тела и могут влиять на них, на их движение (само собой, гравитация влияет на движение планет, звезд, электромагнитное поле влияет на движение зарядов). Можно сказать, что вселенная словно погружена в океан из всяких полей, мы, как рыбы, перемещаемся в них и давно уже к ним привыкли.

Но что, если существует поле, которого мы никак не замечаем, потому что воздействие его довольно необычное? И оказывается, такое незаметное поле есть – это поле Хиггса.

Вот тут нужно пофантазировать. Это поле Хиггса словно камера на дороге, словно инстинкт самосохранения для частиц, гибэдэдэшник в кустах, ограничитель скорости. Оказывается, если бы этого поля не было, то все частицы во вселенной летали бы с огромными скоростями, а точнее, с самой максимальной скоростью – скоростью света. Но если оно есть…

Некоторые частицы, например фотоны, не замечают этого поля, они вообще пофигисты, лихачи. И гоняют всегда со скоростью света в свое удовольствие. Но вот, к примеру, электроны, протоны чувствуют это поле, взаимодействуют с ним. И из-за этого как бы тормозятся, становятся тяжелыми. Тут можно провести аналогию с пенопластовыми шариками. Если их высыпать на стол, то от малейшего дуновения они разлетаются в разные стороны как пушинки. Но на поверхности воды они будут двигаться медленно, словно вода сообщает им какую-то дополнительную массу. Так же и поле Хиггса действует на частицы – как бы утяжеляет их, не дает двигаться слишком быстро.

Ну а что такое масса? Это величина, показывающая, как легко или трудно разогнать тело. Вот и получается, что, если из-за поля Хиггса разгон частиц затруднен, значит, именно из-за него у них и появляется масса.

Пока мы не сказали ни одного слова про сам бозон. Но дело в том, что поле это неощутимо, и единственное доказательство его существования – обнаружение бозона. Если представить себе поле как натянутую атласную ткань в пространстве-времени, то, если пустить по ней волну, ее можно рассматривать как движущуюся частицу (это и есть корпускулярно-волновой дуализм). Иными словами, минимальное возмущение поля – это квант этого поля. У каждого поля он свой. У электромагнитного поля это фотон, у кварк-глюонного (есть и такое!) – глюон. Бозон Хиггса – это квант поля Хиггса, и его открытие на 100 % должно доказывать существование поля Хиггса.

Как видите, бозон Хиггса проливает свет на возникновение масс у частиц и в какой-то степени завершает картину мира. Но эта картина не учитывает темной материи, темной энергии, так что в физике вопросов еще очень много.

Что такое бозон Хиггса

Праздник мировой науки. 4 июля на Большом адронном коллайдере (БАК) представлены результаты многочисленных исследований – экспериментальный поиск частиц Хиггса привел к положительному результату.  

Комментирует Директор виртуального института космомикрофизики, Максим Хлопов.

RFI : Максим Юрьевич, ученые CERN объявили миру об открытии новой частицы. Об этом впервые сказал английский физик- теоретик Питер Хиггс, это было в 60-е годы, поправьте меня если я путаю, и сегодня подтвердили то, о чем говорил Хиггс, правильно ли это?

Максим Хлопов: Это не совсем так. Действительно, Хиггс предложил объяснение природы масс всех элементарных частиц. Его механизм предполагает существование частицы, которую правильно называть «хиггсовским бозоном» или «бозоном Хиггса». Иногда в литературе называют «частицей Бога». Но скорее, это именно частица Хиггса и поиски её являлась важнейшей задачей БАК, поскольку это один единственный недостающий элемент стандартной модели, описывающий все известные частицы и частицы переносчики их взаимодействия.

Все элементы этой реконструкции сейчас экспериментально обнаружены и изучены. Только частица Хиггса пока не была изученной. В последние годы в связи с повышением интенсивности и энергии частиц, разгоняемых на коллайдере, удалось увидеть какие-то явления, которые могли бы иметь отношение к поиску частицы Хиггса.

То, что сегодня было представлено, без преувеличения является праздником всей мировой науки. Захватывающий характер этого представления подтверждает важнейший момент. Да, действительно экспериментальный поиск частиц привел Хиггса к положительному результату, однако этот положительный результат – безусловно новый шаг. Потому что до этого, БАК говорил только об ограничениях на возможные свойства новых частиц, сегодня что-то новое было реально представлено, как достоверный факт.

Говорить о том, что это – именно частица Хиггса, было бы, наверно, преждевременно. На самом деле, частица Хиггса нестабильна и распадается на разные каналы распада. То, что сегодня обнаружено – это канал распада на два фотона. Действительно, наблюдается явление подобное тому, как если бы Хиггс был рожден, но потом он распался на два фотона.

Кроме того, он должен распадаться и на другие пары. И еще одно обстоятельство: это совершенно новое положительное явление, то есть эта некая подтвержденная информация о том, что что-то есть. И надо сказать, что в истории науки многократно бывало, что искали одну частицу, а находили другую. И прогресс  физики элементарных частиц от этого только развивался и укреплялся.

RFI: Рольф Хойер, генеральный директор CERN сказал, что будь он ученым, он бы заявил: «Мы нашли его!». Но пока Хойер почему-то сдерживается. Мы говорим, что это открытие – начало нового пути. Но как простому человеку понять, в чем уникальность произошедшего в CERN? Почему сегодня Питер Хиггс сказал, что пора уже охлаждать шампанское и праздновать?

Максим Хлопов: Потому что Питер Хиггс, не будучи до конца убежден (как мы все ученые мира), что это именно частица Хиггса, увидел то, что сегодня выявлено. Но фундаментальное явление лежит как в основе представления физики в микромире, так и играет существенную роль в нашем понимании физических основ в современной вселенной.

Дело в том, что сегодня наука о вселенной – космология – рассматривает как бесспорный факт существование наряду с изученными формами вещества (атомами и их составляющими) еще и 95% неизвестных форм материи. То есть – известные формы материи составляет только 5% общего состава Вселенной, 95% относятся к тому, что называют скрытая масса или темная материя, а так же темная энергия .

И вот физические свойства вот этих 95 % составляющих Вселенной, они дают нам очень большой оптимизм в том, что мы приходим к открытию новых фундаментальных сил природы . Напомню, что мы в нашей обыденной жизни используем электромагнитные частично используем гравитационные силы, – когда яблоки падают на землю. А открытие двух фундаментальных взаимодействий ядерных сил, привело нас к ядерной энергетике.  Если есть еще какие- то силы природы , новые частицы переносчики этих сил и участвующие в этих взаимодействиях, то это открывает бесконечный простор не только для понимания фундаментальных основ, но и в перспективе, новые уникальные технологии.

RFI: Еще один вопрос (тоже, может быть, на уровне дилетанта): бозон Хиггса долгое время не могли поймать, он очень быстро распадается. В своей книге “Ангелы и демоны” Дэн Браун тоже говорит про адронный коллайдер и об опасности, которую он представляет. Действительно ли, есть какая-то угроза, о которой пишут писатели?

Михаил Хлопов: С научной точки зрения книга Дэна Брауна, конечно, забавна. Например, тем, что директор CERN в этой книге даже не знает, что на ускорителе рождаются частицы, античастицы, а также, как все эти вопросы связаны с антивеществом.

В действительности, БАК вызывал ужасную панику в связи с клипами: на нем образуется черная дыра и эта черная дыра поглотит всю Землю. Этот ролик обошел весь мир. Нет, конечно, никаких опасностей. Дело не в том, что частицу задержали, дело в том, что в этих кратковременных быстрых столкновениях, когда частица Хиггса быстро рождается и так же быстро распадается, существует уникальная система регистрации и обработки всех продуктов этого сначала столкновения, а потом так сказать, что дальше происходит.

Это тоже уникальный уровень современного физического эксперимента и вообще всей физики. Из миллиардов частиц, рождающихся в доли секунды, люди выделяют  два -три реальных события, которые они и ищут. Это не то, что было в начале ХХ века, когда ученый -одиночка изучал явления в домашних условиях. Сегодня это многотысячные коллективы, которые включают в себя ученых всего мира, специалистов в разных областях, каждый из которых отвечает за свой небольшой участок, а в сумме получаются  уникальные результаты, которые одновременно анализируются системой компьютеров, рассредоточенных по всему миру . Все это собирается в единый комплекс, позволяющий дать вполне определенные и, как мы видим сегодня, позитивные результаты.

RFI: То есть, повод для праздника действительно есть?

Максим Хлопов: Повод для праздника в том, что можно уверенно сказать, что открытие совершилось. А чтобы сказать, что открыто, нужны дальнейшие исследования. Ни у кого не должно вызывать сомнений, что такие исследования, действительно, надо продолжать. Они приведут к еще большим количествам новых явлений.  Повторяю: наука о вселенной уже сейчас учит, что таких новых явлений должно быть в 20 раз больше того, что мы пока знаем. 

Достучаться до небес Физики в CERN почти открыли “божественный” бозон Хиггса: Наука и техника: Lenta.ru

Днем 4 июля 2012 года в CERN состоялся открытый семинар, на котором ученые из коллабораций CMS и Atlas представили свежие результаты по поиску бозона Хиггса. Слухи о том, что готовится что-то большое, ходили уже достаточно давно – среди приглашенных на семинар гостей оказались Франсуа Энглерт, Карл Хаген, Джеральд Гуральник и сам Питер Хиггс (последнего встречали аплодисментами, когда он появился в аудитории, где предстояло пройти семинару) – те самые теоретики, которые придумали хиггсовский механизм нарушения симметрии электрослабого взаимодействия, основной составной частью которого является пресловутый бозон.

За день до доклада Nature News опубликовало статью, в которой говорилось следующее: новая частица найдена, однако открытие имеет недостаточную статистическую значимость – менее необходимых для всеобщего признания 5 сигм. Кроме того, говорилось, что открытие было сделано в том же диапазоне энергий, в котором в конце 2011 года был найден некий сигнал, указывающий на возможное открытие новой элементарной частицы. Важный нюанс: уверенности в том, что открыт именно бозон Хиггса, у ученых не было – они просто говорили о новой частице (этот важный нюанс, однако, в погоне за сенсациями многими СМИ был опущен или спрятан глубоко в тексте). И вот во время семинара все эти слухи подтвердились почти полностью.

Хиггсовский механизм

Прежде чем перейти к обсуждению самого открытия, необходимо вспомнить, что такое бозон Хиггса и почему он так важен. Более или менее подробно про историю вопроса и Стандартную модель “Лента.ру” уже писала. Если коротко, то после объединения электромагнитного и слабого взаимодействия в одну общую теорию в 60-х годах прошлого века встал вопрос о том, почему у фотона – переносчика первого взаимодействия, массы нет, а у Z- и W- бозонов – переносчиков слабого взаимодействия, эта самая масса имеется и причем довольно ощутимая. Вопрос возник не на пустом месте – теория предсказывала, что все частицы должны быть безмассовыми.

Как оказалось, для этого существующую теорию нужно было поправить. Как именно это сделать, предложили физики Франсуа Энглерт, Карл Хаген, Джеральд Гуральник и Питер Хиггс. Ключевую роль в этой правке играло так называемое поле Хиггса. Так как в квантовой механике принято, что все взаимодействия происходят небольшими порциями, квантами, то и этому полю должен соответствовать свой квант, который и получил название бозона Хиггса. Бозон в названии означает, что свойства этой частицы описываются так называемой статистикой Бозе-Эйнштейна (помимо этой статистики, есть еще статистика Ферми-Дирака, которая описывает фермионы – например, кварки). Из более или менее известных за пределами научных кругов частиц к бозонам относятся, например, фотоны.

The Pigs Boson

Lenta.ru

Как же работает поле Хиггса? За годы изучения этого объекта было создано множество простых, разной научной строгости, разъяснений “на пальцах”. Мы воспользуемся одним из них, придуманным в начале 90-х годов (не самым строгим, но довольно наглядным) – тогда британский министр науки Вильям Волдгрэйв объявил конкурс на сочинение небольших, длиной в полстранички, разъяснений связанного с бозоном Хиггса эффекта (среди них есть просто отличные). Итак, представим себе комнату, наполненную людьми, например, во время вечеринки. Люди стоят не слишком плотно, то есть каждый вновь прибывший вполне может передвигаться по комнате.

Представим себе теперь такого гостя, который двигается сквозь толпу. Если наш гость знаменит или просто хороший парень, то вокруг него будет наблюдаться скопление людей. Из-за этого скорость движения этого самого гостя будет заметно ниже, чем у никому неизвестного тихони. В некотором смысле наш гость взаимодействует с толпой, и это взаимодействие характеризует, насколько легко ему проходить сквозь людей. Однако сами гости тоже могут объединяться в группы – например, если пустить по толпе некий слух, то люди будут передавать его друг другу, в результате чего можно будет наблюдать перемещение по толпе некоторого уплотнения людей. При этом со стороны такая кучка обсуждающих что-то гостей будет не сильно отличаться от кучки облепивших нового гостя людей (только, правда, без самого гостя).

В этой аналогии люди в комнате – это в точности поле Хиггса, новый гость – частица, движущаяся в этом самом поле, а уплотнение, связанное с распространением слухов, – возмущения поля, порцией которого является сам бозон Хиггса. В свою очередь масса частицы в данном случае – это характеристика способности человека передвигаться по комнате (например, средняя скорость). Отсюда, например, понятно, почему бозон Хиггса имеет массу – он фактически “наделяет” себя ею сам.

Разумеется, такая аналогия, как и любая аналогия вообще, не передает множества тонких нюансов взаимодействия – например, частицы “чувствуют” хиггсовское поле только при ускоренном движении, а при равномерном они его не ощущают. Кроме того, в квантовой механике масса – вещь, лишенная привычных нам свойств, по сути некий параметр, фигурирующий в уравнениях. Она (масса) в квантовом мире не является фундаментальным объектом – вместо нее эту роль играет энергия, с которой масса связана уравнением E=mc2. Из-за этого, например, масса частиц указывается во внесистемных единицах электронвольтах (на самом деле мега- и гигаэлектронвольтах).

Как бы то ни было, но к началу XXI века бозон Хиггса был единственной (тау-нейтрино нашли в 2000 году) фундаментальной частицей Стандартной модели – теории, объединившей в себе три из четырех фундаментальных взаимодействий, который не был найден. Эта теория, разумеется, не лишена недостатков – она не включает в себя гравитационное взаимодействие, не содержит кандидатов на роль темной материи, а также имеет некоторые внутренние нерешенные проблемы (например, сильная CP-проблема). Однако, по признанию многих ученых, Стандартная модель – одна из важнейших фундаментальных теорий, когда-либо создававшихся в физике, а хиггсовский бозон в этой теории играет не последнюю роль: все-таки он несет ответственность за появление массы. Нет ничего удивительного, что внимание огромного количества исследователей было приковано к поиску пресловутого бозона.

Что же там с бозоном?

Выступление Фабиолы Джианотти. Фото (c)AFP

Lenta.ru

Главная трудность, связанная с бозоном Хиггса, состояла в том, что ученым не была известна его масса – в рамках Стандартной модели предсказать ее было невозможно. В результате появилось несколько расширенных теорий, которые предсказывали частицы с разными массами, причем в некоторых бозонов было несколько. Изначально частицу хотели найти на американском Тэватроне – ускорителе элементарных частиц, закрывшемся совсем недавно. Сделать этого не удалось, однако физики из Фермилаб (именно там располагался ускоритель) сумели получить существенные ограничения на массу частицы.

Ситуация изменилась, когда в строй был введен Большой адронный коллайдер. Высокая энергия столкновений протонов, светимость (количество столкновений за единицу времени на единицу площади), обеспечили ученых огромным количеством экспериментальных данных. Для сбора этих данных используются два детектора – CMS и Atlas. Информацию с обоих детекторов обрабатывают тысячи ученых из разных стран мира. Иногда коллаборации исследователей проверяют друг друга – их детекторы работают по-разному, что обеспечивает независимость в интерпретации результатов наблюдений, а иногда, наоборот, дополняют.

То, что исследователям удалось нащупать что-то интересное, стало понятно в декабре 2011 года. Тогда, как и сейчас, состоялся открытый семинар, на котором представители обеих коллабораций заявили, что им удалось получить несколько интересных результатов. Во-первых, Atlas показал, что за пределами промежутка от 115,5 до 131 гигаэлектронвольт ничего, скорее всего, нет. Затем CMS объявил о некотором сигнале (то есть избытке частиц с такой массой) в окрестности значения массы в 126 гигаэлектронвольт. Однако об открытии никто ничего не говорил – оно и понятно, в физике элементарных частиц господствует статистика. Ученые заявляют об открытии только после статистического анализа огромного числа данных, когда значение вероятности того, что открытие – это случайный шум, составляет доли процента.

Новые результаты

Новый доклад, опубликованный 4 июля, стал результатом того, что к старому массиву информации ученые добавили новые данные, полученные на БАК в 2012 году. За это время ученым удалось откалибровать детекторы, достигнув, по их собственным словам, уникальных результатов. Например, в CMS сумели заметно сократить время обработки каждого столкновения пучков, а Atlas гордится тем, что в некоторых случаях смог почти полностью избавиться от помех от наложения джетов частиц друг на друга (после столкновения протонов образуется лавинообразный поток частиц, называемый джетом – подробно про столкновения и их анализ “Лента.ру” также недавно писала).

Питер Хиггс. Фото (c)AFP

Lenta.ru

Кроме этого ученые использовали так называемый слепой метод анализа. Вообще, поиск редких событий в массе статистики – задача непростая. У современных физиков есть множество инструментов для такой работы. Так вот, слепой анализ – это попытка исключить из анализа человеческий фактор: применяя целый набор средств, физик ничего не знает о полученном результате. Обычно это выражается в том, что самая интересная часть графика скрыта от взора ученого – делается это для того, чтобы избежать подгонок. Ведь самому беспристрастному экспериментатору ничто человеческое не чуждо.

Первым на докладе выступал Джо Инкандела, представитель CMS. Он рассказал, что ученые из его коллаборации, куда входит 3,6 тысячи человек, анализировали данные по пяти возможным сценариям распада (ученые говорят “каналы”) гипотетического бозона Хиггса. Первым рассказывали о канале распада бозона в два гамма-фотона. По словам исследователей, это довольно “чистый” канал, дающий хороший сигнал. По результатам анализа этого сценария ученые смогли заявить о статистической значимости обнаружения в 4,1 сигмы. Затем был рассмотрен сценарий с распадом в два Z-бозона. Вместе с первым каналом результат получился больше пяти сигм. Остальные три канала (W-бозоны, кварки и электроны), однако, испортили статистику – по ним было слишком мало данных, и окончательный результат CMS составил 4,9 сигмы для массы в 125,3 гигаэлектронвольта.

За Исканделой слово взяла Фабиола Джианотти, глава коллаборации Atlas. Она представила данные, собранные только по двум каналам. Ее доклад был смазан несколькими вещами: во-первых, он был хуже структурирован, чем у Исканделы, да и сама Джианотти заметно волновалась. Во-вторых, в середине ее доклада на сайте CERN появился официальный пресс-релиз, и результаты, которые она старательно откладывала на потом, стали известны. Как бы то ни было, но Atlas сумел обнаружить на 126 гигаэлектронвольтах сигнал со статистической значимостью в 5 сигм. Впрочем, Джианноти закончила доклад очень красиво: “На энергиях 126 ГэВ мы можем изучить новую частицу очень подробно. Спасибо, Природа”.

Что теперь?

Сами физики называют свои результаты предварительными. Дело в том, что открытие частицы вовсе не означает, что открыт именно бозон Хиггса. Ученым предстоит проверить свойства частицы – например, ее спин. Также необходимо собрать статистику по каждому каналу обоих детекторов отдельно – нужно проверить, что статистический уровень сигнала там (то есть, по сути, вероятность каждого конкретного распада) соответствует предсказанному теоретически. Например, генеральный директор CERN Рольф Хойер заявил, что потребуются еще годы и годы работы. Если, например, обнаружатся расхождения с теорией, то это будет означать, что теоретики понимают мир элементарных частиц не совсем так, как надо.

Столкновения частиц глазами художника. Фото с сайта CERN
(Нажмите, чтобы увеличить)

Lenta.ru

С другой стороны, обнаружение частицы само по себе уже многое говорит физикам. Такого мнения придерживается сотрудник CERN грек Игнатиас Антониадис. По его словам, бозон оказался легче, чем многие думали. Это, например, может означать, что бозонов как минимум два. Кроме того, обнаружение такой частицы позволяет отбросить некоторые существующие теории, в частности так называемую теорию Техниколор (в этой теории тот же бозон Хиггса не является элементарной частицей). Также пострадают некоторые суперсимметричные теории. По словам Антониадиса, вне зависимости от результатов последующих экспериментов, частица “открыла новую эру в физике”.

Не останутся без дела и теоретики. Разумеется, некоторые уже успели заявить, что физика в некотором смысле закончилась – последний кирпичик Стандартной модели найден. Даже если согласиться с тем, что найденная частица является бозоном Хиггса, говорить о закрытии работ еще рано – про трудности Стандартной модели и ее недостатки уже было сказано выше. К тому же есть еще множество более частных вопросов, связанных, например, с кварками и тем же хиггсовским механизмом, которые требуют пристального (именно экспериментального!) изучения. Так что без работы Большой адронный коллайдер пока не останется.

Наконец, последнее. Благодаря именно этой частице в сферу кругозора обычных людей попала такая вещь, как Стандартная модель (величайшая фундаментальная теория, помните?). Да, разумеется, большинству пользы это не принесло – вряд ли шутки в духе: “Чего так долго искали бозон Хиггса? Надо было у самого Хиггса спросить!” – можно считать способствующими существенному расширению кругозора. Да и, как показывает практика, большинство людей впечатляет стоимость самого коллайдера (“Вот это распил!”), нежели полученные на нем уникальные результаты. Однако хочется верить, что какая-то часть тех, кто услышал про бозон, хотя бы залезут в Википедию и прочитают и про хиггсовский механизм, и про электрослабое взаимодействие, и про многое другое. И немного поумнеют. А это уже настоящая победа.

P.S. Кстати, сам Питер Хиггс атеист, но не любит, когда его частицу называют божественной – по его мнению, это оскорбляет чувства верующих. Впервые этот термин употребил физик Леон Ледерман в названии своей книги The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question?. Однако, если верить легенде, то в названии виноват издатель – изначально частица должна была называться Goddamn particle, что примерно можно перевести как “гребаная частица”.

Что такое бозон Хиггса? Доказали ли физики, что он действительно существует?

Стивен Рекрофт из группы физики элементарных частиц Северо-восточного университета дает вступительный ответ:

«За последние несколько десятилетий физики элементарных частиц разработали элегантную теоретическую модель (Стандартную модель), которая дает основу для нашего нынешнего понимания фундаментальных частиц и сил природы. Одним из основных компонентов этой модели является гипотетическое вездесущее квантовое поле. предполагается, что оно ответственно за придание частицам их масс (это поле могло бы ответить на основной вопрос, почему частицы имеют такие массы — или, более того, почему они вообще имеют какую-то массу).Это поле называется полем Хиггса. Вследствие корпускулярно-волнового дуализма все квантовые поля имеют связанную с ними фундаментальную частицу. Частица, связанная с полем Хиггса, называется бозоном Хиггса.

«Поскольку за массу отвечает поле Хиггса, сам факт того, что фундаментальные частицы имеют массу, рассматривается многими физиками как указание на существование поля Хиггса. Мы даже можем взять все наши данные по физике элементарных частиц и интерпретировать их. их через массу гипотетического бозона Хиггса.Другими словами, если мы предположим, что бозон Хиггса существует, мы можем сделать вывод о его массе, основываясь на том влиянии, которое он окажет на свойства других частиц и полей. Однако мы еще не доказали, что бозон Хиггса действительно существует. Одна из главных целей физики элементарных частиц на ближайшие пару десятилетий — доказать раз и навсегда существование или несуществование бозона Хиггса».

Другой, более развернутый ответ поступил от Говарда Хабера и Майкла Дайна, профессоров физики Института физики элементарных частиц Санта-Крус Калифорнийского университета в Санта-Круз:

«Большая часть современных исследований в области физики элементарных частиц сосредоточена на поиске частицы, называемой бозоном Хиггса.Эта частица — недостающая часть нашего нынешнего понимания законов природы, известного как Стандартная модель. Эта модель описывает три вида сил: электромагнитные взаимодействия, вызывающие все явления, связанные с электрическими и магнитными полями и спектром электромагнитного излучения; сильные взаимодействия, связывающие атомные ядра; и слабое ядерное взаимодействие, которое управляет бета-распадом — формой естественной радиоактивности — и водородным синтезом, источником солнечной энергии. (Стандартная модель не описывает четвертую силу, гравитацию.)

«В нашей повседневной жизни электромагнетизм является наиболее знакомым из этих взаимодействий. До относительно недавнего времени это было единственное, которое мы хорошо понимали. Однако с 1970-х годов ученые пришли к почти одинаковому пониманию сильных и слабых взаимодействий. За последние несколько лет в ходе высокоэнергетических экспериментов в ЦЕРН, европейской лаборатории физики элементарных частиц, недалеко от Женевы, и в Стэнфордском центре линейных ускорителей (SLAC) физики провели точные проверки Стандартной модели.Кажется, что он дает полное описание мира природы вплоть до масштабов порядка одной тысячной размера атомного ядра.

«Частица Хиггса связана со слабым взаимодействием. Электромагнетизм описывает частицы, взаимодействующие с фотонами, основными единицами электромагнитного поля. Параллельно современная теория слабых взаимодействий описывает частицы (частицы W и Z ) взаимодействуя с электронами, нейтрино, кварками и другими частицами. Во многом эти частицы подобны фотонам. Но они также разительно отличаются. Фотон, вероятно, вообще не имеет массы. Из экспериментов мы знаем, что фотон не может быть массивнее, чем тысяча миллиардов миллиардов миллиардных (10 -30 ) массы электрона, и по теоретическим причинам мы считаем, что он имеет ровно нулевую массу. Однако частицы W и Z имеют огромные массы: более чем в 80 раз больше массы протона, одного из компонентов атомного ядра.

«Огромные массы частиц W и Z представляют собой загадку. Если просто постулировать, что эти частицы взаимодействуют с известными элементарными частицами и имеют большую массу, теория несостоятельна. (Например, Стандартная модель будет предсказывают, что вероятность столкновения двух частиц с очень высокими энергиями будет больше единицы, что физически невозможно!) Чтобы решить эту проблему, должны быть дополнительные частицы.Простейшие модели, объясняющие массы W и Z имеют только одну такую ​​частицу: бозон Хиггса. Есть и другие предложения, многие из них более экзотические. Например, может быть несколько бозонов Хиггса, совершенно новые типы сильных взаимодействий и возможная новая фундаментальная физическая симметрия, называемая суперсимметрией.

«Если существует бозон Хиггса, масса которого меньше, чем у частицы Z , физики обнаружат его в течение следующих двух лет на большом ускорителе в Женеве, известном как LEP (Большой электрон-позитронный коллайдер). LEP ускоряет электроны и их близнецов из антивещества (позитронов) до очень высоких энергий, а затем позволяет им столкнуться.Если бозоны Хиггса обладают большей массой, они могут быть открыты в Национальной ускорительной лаборатории Ферми в Батавии, штат Иллинойс, на рубеже веков. В противном случае мы, скорее всего, найдем их на новом ускорителе LHC (Большом адронном коллайдере), запуск которого запланирован на 2005 год в ЦЕРН. Открытие бозона Хиггса было одной из основных задач, запланированных для сверхпроводящего суперколлайдера, который Конгресс США отменил в 1993 году.

«В целом, бозон Хиггса является критически важным компонентом для завершения нашего текущего понимания Стандартной модели, теоретического здания физики элементарных частиц.Различные типы бозонов Хиггса, если они существуют, могут привести нас к новым областям физики за пределами Стандартной модели».

И Крис Куигг, научный сотрудник отдела теоретической физики Национальной ускорительной лаборатории Ферми, представляет подробный обзор:

«Главная задача в физике элементарных частиц сегодня — понять, что отличает электромагнетизм от слабых взаимодействий, которые управляют радиоактивностью и выходом энергии Солнца. Фундаментальные взаимодействия между частицами происходят из симметрий, которые мы наблюдали в природе.

«Одним из недавних великих достижений современной физики является квантовая теория поля, в которой слабые и электромагнитные взаимодействия понимаются как возникающие из-за общей симметрии. Эта «электрослабая теория» была подробно подтверждена, особенно экспериментами на коллайдере LEP в ЦЕРНе. Хотя слабое и электромагнитное взаимодействия связаны симметрией, их проявления в обыденном мире весьма различны: влияние электромагнетизма распространяется на бесконечные расстояния, тогда как влияние слабого взаимодействия ограничивается субъядерными размерами, меньшими примерно 10 – 15 сантиметра.Это различие напрямую связано с тем, что фотон, носитель сил электромагнетизма, не имеет массы, тогда как частицы W и Z , несущие слабые взаимодействия, имеют массу примерно в 100 раз больше массы протона.

«Что скрывает симметрия между слабыми и электромагнитными взаимодействиями? Это вопрос, на который мы надеемся ответить с помощью экспериментов на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРН. Когда БАК будет запущен примерно в 2005 году, он позволит нам изучить столкновения между кварками при энергиях, приближающихся к 1 ТэВ, или триллион (10 12) электрон-вольт.Тщательное исследование шкалы энергий 1 ТэВ позволит определить механизм, с помощью которого скрывается электрослабая симметрия, и научит нас тому, что делает частицы W и Z массивными.

«Самое простое предположение восходит к теоретической работе британского физика Питера Хиггса и других в 1960-х годах. Согласно этой картине, источником массы является нейтральная частица с нулевым спином, которую мы называем бозоном Хиггса. В сегодняшней версии электрослабой теории , частицы W и Z и все фундаментальные составляющие — кварки и лептоны — получают свои массы за счет взаимодействия с бозоном Хиггса.Но бозон Хиггса остается гипотетическим; это не наблюдалось. Вот почему физики элементарных частиц часто используют поиск бозона Хиггса как сокращение для кампании по изучению агента, который скрывает электрослабую симметрию и наделяет другие частицы массой.

«Если ответ — бозон Хиггса, мы можем сказать достаточно о его свойствах, чтобы вести поиск. К сожалению, электрослабая теория не предсказывает массу бозона Хиггса, хотя аргументы непротиворечивости требуют, чтобы он имел массу менее 1 ТэВ. .Уже проведенные экспериментальные поиски говорят нам, что бозон Хиггса должен весить более 60 миллиардов электрон-вольт (ГэВ), или 0,06 ТэВ.

«Если бозон Хиггса относительно легкий, его можно вскоре увидеть в электрон-позитронных аннигиляциях на LEP, образовавшихся вместе с Z . Бозон Хиггса распался бы на кварк b и антикварк b . Через несколько лет эксперименты на Тэватроне в Фермилабе должны расширить поиск до более высоких масс, ища частицы Хиггса плюс W или Хиггса плюс Z в столкновениях между протонами и антипротонами.Если масса бозона Хиггса превысит примерно 130 ГэВ, наша большая надежда возлагается на LHC. Важную роль могут также сыграть электронно-позитронные коллайдеры более высоких энергий или даже мюонные коллайдеры.

«Наша неспособность предсказать массу бозона Хиггса — одна из причин, по которой многие из нас считают, что эта картина не может рассказать всю историю. Мы ищем расширения электрослабой теории, которые сделают ее более последовательной и предсказательной. Два из них Оба они подразумевают, что мы найдем богатый урожай новых частиц и новых явлений при высоких энергиях, которые мы только начинаем исследовать в Фермилабе и ЦЕРНе. Один подход представляет собой обобщение электрослабой теории, называемое суперсимметрией, которое связывает новые частицы со всеми известными кварками, лептонами и взаимодействующими частицами. Суперсимметрия влечет за собой несколько бозонов Хиггса, и один из них, вероятно, находится в энергетическом режиме, который начинает исследовать LEP. В другом подходе, называемом динамическим нарушением симметрии, бозон Хиггса — это не элементарная частица, а композит, свойства которого мы надеемся вычислить, как только поймем его составные части и их взаимодействия.

«В течение следующих 15 лет мы должны начать находить реальное понимание происхождения массы. Интерес заключается не только в тайнах ускорительных экспериментов, но пронизывает все в окружающем нас мире: масса — это то, что определяет диапазон сил и устанавливает масштаб всех структур, которые мы видим в природе.

«В 1993 году министр науки Великобритании Уильям Уолдегрейв призвал физиков-ядерщиков объяснить на одной странице, что такое бозон Хиггса и почему они так стремятся его найти. Он наградил бутылками шампанского авторов пяти работ-победителей на ежегодном собрании Британской ассоциации содействия развитию науки. Призовые статьи варьируются от серьезных до причудливых. Они появились в сентябрьском выпуске Physics World за 1993 г., — ежемесячном журнале Британского института физики, а также доступны в Интернете.

Чтобы узнать больше о частице Хиггса, ознакомьтесь с электронной книгой Scientific American , Бозон Хиггса: в поисках частицы Бога .

Как был открыт бозон Хиггса | Наука

Детектор ATLAS, один из двух экспериментов по обнаружению неуловимого бозона Хиггса в столкновениях частиц на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе, весит целых сто 747 струй и содержит более 1800 миль кабеля. Клаудия Марчеллони / ЦЕРН

Примечание редактора: 8 октября 2013 года Питер Хиггс и Франсуа Энглер получили Нобелевскую премию по физике за работу над бозоном Хиггса. Ниже наш научный обозреватель Брайан Грин объясняет науку, стоящую за открытием.

Известная история в анналах физики повествует о 5-летнем Альберте Эйнштейне, лежавшем в постели, получившем от отца игрушечный компас. Мальчик был одновременно озадачен и загипнотизирован работой невидимых сил, перенаправляющих стрелку компаса на север всякий раз, когда ее исходное положение нарушалось. Этот опыт, как позже скажет Эйнштейн, убедил его в том, что в природе существует глубокий скрытый порядок, и побудил его посвятить свою жизнь попыткам раскрыть его.

Хотя этой истории больше века, загадка, с которой столкнулся молодой Эйнштейн, перекликается с ключевой темой современной физики, важной для самого важного экспериментального достижения в области науки за последние 50 лет: открытия, сделанного год назад этим июля бозона Хиггса.

Поясню.

Наука вообще и физика в частности ищут закономерности. Растяните пружину в два раза и почувствуйте в два раза большее сопротивление. Шаблон. Увеличьте объем, который занимает объект, сохраняя при этом его массу фиксированной, и чем выше он будет плавать в воде.Шаблон. Внимательно наблюдая закономерности, исследователи открывают физические законы, которые можно выразить на языке математических уравнений.

В случае с компасом также очевидна четкая закономерность: переместите его, и стрелка снова укажет на север. Я могу представить себе молодого Эйнштейна, который думает, что должен существовать общий закон, согласно которому подвешенные металлические иглы толкаются на север. Но такого закона не существует. Когда в области есть магнитное поле, на определенные металлические объекты действует сила, которая выравнивает их вдоль направления поля, каким бы оно ни было.И магнитное поле Земли указывает на север.

Пример простой, но урок глубокий. Образцы природы иногда отражают две взаимосвязанные черты: фундаментальные физические законы и влияние окружающей среды. Это природная версия природы против воспитания. В случае с компасом распутать их не сложно. Манипулируя им с помощью магнита, вы легко приходите к выводу, что ориентация магнита определяет направление стрелки. Но могут быть и другие ситуации, когда влияние окружающей среды настолько распространено и находится за пределами нашей способности манипулировать, что было бы гораздо сложнее распознать их влияние.

Физики рассказывают притчу о рыбах, исследующих законы физики, но настолько привыкших к своему водному миру, что не учитывают его влияния. Рыбы изо всех сил пытаются объяснить легкое покачивание растений, а также их собственное передвижение. Законы, которые они в конечном итоге находят, сложны и громоздки. Затем у одной блестящей рыбы есть прорыв. Возможно, сложность отражает простые фундаментальные законы, действующие в сложной среде, наполненной вязкой, несжимаемой и всепроникающей жидкостью: океаном.Поначалу проницательную рыбку игнорируют, даже высмеивают. Но постепенно другие тоже понимают, что их окружение, несмотря на его привычность, оказывает значительное влияние на все, что они наблюдают.

Притча ближе к делу, чем мы могли бы подумать? Могут ли быть другие, тонкие, но всепроникающие особенности окружающей среды, которые мы до сих пор не смогли должным образом отразить в своем понимании? Открытие частицы Хиггса на Большом адронном коллайдере в Женеве убедило физиков в однозначном положительном ответе.

Почти полвека назад Питер Хиггс и несколько других физиков пытались понять происхождение основной физической характеристики: массы. Вы можете думать о массе как о весе объекта или, немного точнее, как о сопротивлении, которое он оказывает изменению его движения. Толкните товарный поезд (или перо), чтобы увеличить его скорость, и сопротивление, которое вы почувствуете, отразится на его массе. На микроскопическом уровне масса грузового поезда создается составляющими его молекулами и атомами, которые сами состоят из элементарных частиц, электронов и кварков.Но откуда берутся массы этих и других элементарных частиц?

Когда физики в 1960-х моделировали поведение этих частиц, используя уравнения, основанные на квантовой физике, они столкнулись с загадкой. Если бы они представили, что все частицы не имеют массы, то каждое слагаемое в уравнениях образует идеально симметричную структуру, подобную вершинам идеальной снежинки. И эта симметрия была не просто математически элегантной. Это объясняло закономерности, очевидные в экспериментальных данных.Но — и вот в чем загадка — физики знали, что частицы имеют массу, и когда они модифицировали уравнения, чтобы учесть этот факт, математическая гармония была нарушена. Уравнения стали сложными и громоздкими и, что еще хуже, непоследовательными.

Что делать? Вот идея, выдвинутая Хиггсом. Не пихайте массы частиц в глотку красивых уравнений. Вместо этого сохраняйте уравнения чистыми и симметричными, но считайте, что они работают в особой среде.Представьте себе, что все пространство равномерно заполнено невидимой субстанцией — теперь называемой полем Хиггса, — которая притягивает частицы, когда они ускоряются в ней. Надавите на фундаментальную частицу, чтобы увеличить ее скорость, и, согласно Хиггсу, вы почувствуете эту силу сопротивления как сопротивление. С полным основанием вы бы интерпретировали сопротивление как массу частицы. Для умственной опоры представьте мячик для пинг-понга, погруженный в воду. Когда вы толкаете мячик для пинг-понга, он кажется намного массивнее, чем вне воды.Его взаимодействие с водной средой приводит к тому, что он наделяется массой. Так и с частицами, погруженными в поле Хиггса.

В 1964 году Хиггс представил в известный физический журнал статью, в которой математически сформулировал эту идею. Бумага была отклонена. Не потому, что в нем была техническая ошибка, а потому, что предположение о невидимом чем-то, пронизывающем пространство, взаимодействующем с частицами и обеспечивающем их массу, ну, все это выглядело как куча раздутых спекуляций.Редакция журнала сочла его «не имеющим очевидного отношения к физике».

Но Хиггс проявил настойчивость (и его исправленная статья появилась позднее в том же году в другом журнале), и физики, потратившие время на изучение этого предложения, постепенно осознали, что его идея была гениальным ходом, который позволил им получить свой пирог и съесть его. слишком. В схеме Хиггса фундаментальные уравнения могут сохранять свою первоначальную форму, потому что грязная работа по определению масс частиц возлагается на окружающую среду.

Хотя меня не было рядом, чтобы стать свидетелем первоначального отклонения предложения Хиггса в 1964 году (ну, я присутствовал, но очень редко), я могу засвидетельствовать, что к середине 1980-х оценка изменилась. Физическое сообщество по большей части полностью разделяло идею существования поля Хиггса, пронизывающего пространство. На самом деле, в аспирантуре я изучал то, что известно как Стандартная модель физики элементарных частиц (квантовые уравнения, которые физики собрали для описания частиц материи и доминирующих сил, с помощью которых они влияют друг на друга), профессор представил теорию Хиггса. поле с такой уверенностью, что я долгое время не подозревал, что оно еще должно быть установлено экспериментально.Иногда такое случается в физике. Математические уравнения иногда могут рассказать такую ​​убедительную историю, они могут, казалось бы, так сильно излучать реальность, что укореняются в жаргоне работающих физиков еще до того, как появятся данные, подтверждающие их.

Но только с помощью данных можно установить связь с реальностью. Как мы можем проверить поле Хиггса? Вот тут-то и появляется Большой адронный коллайдер (БАК). Проходя сотни ярдов под Женевой, Швейцария, пересекая французскую границу и обратно, БАК представляет собой круглый туннель длиной почти 17 миль, который служит гоночной трассой для столкновение частиц материи.БАК окружен примерно 9000 сверхпроводящих магнитов и является домом для полчищ протонов, вращающихся вокруг туннеля в обоих направлениях, которые магниты разгоняют почти до скорости света. На таких скоростях протоны проносятся по туннелю около 11 000 раз в секунду и, направляемые магнитами, в мгновение ока совершают миллионы столкновений. Столкновения, в свою очередь, производят брызги частиц, похожие на фейерверки, которые улавливают и регистрируют гигантские детекторы.

Одним из главных мотивов создания БАК, стоимость которого составляет порядка 10 миллиардов долларов и в котором участвуют тысячи ученых из десятков стран, был поиск доказательств существования поля Хиггса. Математика показала, что если идея верна, если мы действительно погружаемся в океан поля Хиггса, то сильные столкновения частиц должны колебать поле подобно тому, как две сталкивающиеся подводные лодки колеблют воду вокруг себя. И время от времени покачивание должно быть как раз таким, чтобы смахнуть крупинку поля — крошечную капельку океана Хиггса, — которая появится как долгожданная частица Хиггса.

Расчеты также показали, что частица Хиггса будет нестабильной, распадаясь на другие частицы за мизерную долю секунды. В водовороте сталкивающихся частиц и вздымающихся облаков твердых частиц ученые, вооруженные мощными компьютерами, будут искать отпечаток Хиггса — образец продуктов распада, определяемый уравнениями.

Рано утром 4 июля 2012 года я собрался вместе с примерно 20 другими приверженцами в конференц-зале Центра физики Аспена, чтобы посмотреть прямую трансляцию пресс-конференции на объектах Большого адронного коллайдера в Женеве.Примерно за шесть месяцев до этого две независимые группы исследователей, которым было поручено собрать и проанализировать данные БАК, объявили о серьезных доказательствах того, что частица Хиггса была обнаружена. В настоящее время в сообществе физиков ходит слух, что у команд наконец-то появилось достаточно доказательств, чтобы сделать окончательные заявления. В сочетании с тем фактом, что самого Питера Хиггса попросили совершить поездку в Женеву, было достаточно мотивации не ложиться спать после 3 часов ночи, чтобы услышать объявление в прямом эфире.

Мир быстро понял, что доказательство того, что частица Хиггса была обнаружена, оказалось достаточно убедительным, чтобы перешагнуть порог открытия.Теперь, когда частица Хиггса была официально обнаружена, аудитория в Женеве разразилась бурными аплодисментами, как и наша маленькая группа в Аспене, и, несомненно, десятки подобных собраний по всему миру. Питер Хиггс вытер слезу.

После года ретроспективного взгляда и дополнительных данных, которые только укрепили аргументы в пользу бозона Хиггса, я бы резюмировал наиболее важные последствия этого открытия.

Во-первых, мы давно знаем, что в космосе есть невидимые обитатели. Радио и телевизионные волны. Магнитное поле Земли. Гравитационные поля. Но ни один из них не является постоянным. Никто не неизменен. Ни одно из них не присутствует равномерно во всей Вселенной. В этом отношении поле Хиггса принципиально отличается. Мы полагаем, что его значение одинаково на Земле и вблизи Сатурна, в туманностях Ориона, по всей Галактике Андромеды и везде. Насколько мы можем судить, поле Хиггса неизгладимо отпечатывается на пространственной ткани.

Во-вторых, частица Хиггса представляет собой новую форму материи, появление которой ожидалось многими десятилетиями, но никогда не наблюдалось.В начале 20-го века физики поняли, что у частиц, помимо их массы и электрического заряда, есть третья определяющая характеристика: их вращение. Но, в отличие от детской волчки, вращение частицы — неизменная внутренняя характеристика; он не ускоряется и не замедляется со временем. Электроны и кварки имеют одинаковое значение спина, в то время как спин фотонов — частиц света — в два раза больше, чем у электронов и кварков. Уравнения, описывающие частицу Хиггса, показали, что, в отличие от любых других видов фундаментальных частиц, у нее вообще не должно быть спина.Данные с Большого адронного коллайдера подтвердили это.

Установление существования новой формы материи — редкое достижение, но результат имеет резонанс в другой области: космологии, научном исследовании того, как вся вселенная возникла и развилась в форму, которую мы сейчас наблюдаем. В течение многих лет космологи, изучающие теорию Большого Взрыва, зашли в тупик. Они собрали надежное описание того, как Вселенная развивалась за доли секунды после начала, но они не смогли дать никакого представления о том, что вообще заставило пространство начать расширяться.Какая сила могла оказать такое мощное внешнее воздействие? При всем своем успехе теория Большого взрыва не учитывала взрыв.

В 1980-х годах было найдено возможное решение, которое звонит в колокол Хиггса. Если область пространства равномерно заполнена полем, частицы которого не имеют спина, то теория гравитации Эйнштейна (общая теория относительности) показывает, что может возникнуть мощная сила отталкивания — взрыв, и притом большой. Расчеты показали, что реализовать эту идею с самим полем Хиггса трудно; двойная обязанность обеспечения массы частиц и подпитки взрыва оказывается существенным бременем.Но проницательные ученые поняли, что постулируя второе «подобное Хиггсу» поле (обладающее тем же исчезающим спином, но другой массой и взаимодействиями), они могут разделить бремя — одно поле для массы, а другое — для отталкивающего толчка — и предложить убедительное объяснение взрыва. Из-за этого уже более 30 лет физики-теоретики энергично исследуют космологические теории, в которых такие хиггсовские поля играют существенную роль. Были написаны тысячи журнальных статей, развивающих эти идеи, и миллиарды долларов были потрачены на наблюдения в дальнем космосе в поисках и обнаружении косвенных доказательств того, что эти теории точно описывают нашу Вселенную.Таким образом, подтверждение БАК того, что по крайней мере одно такое поле действительно существует, ставит поколение космологических теорий на гораздо более прочную основу.

Наконец, и, возможно, это самое важное, открытие частицы Хиггса — это поразительный триумф способности математики раскрыть устройство Вселенной. Это история, которая повторялась в физике множество раз, но каждый новый пример все равно волнует. Возможность существования черных дыр возникла в результате математических анализов немецкого физика Карла Шварцшильда; последующие наблюдения доказали, что черные дыры существуют.Космология Большого Взрыва возникла в результате математических анализов Александра Фридмана, а также Жоржа Леметра; последующие наблюдения также подтвердили правильность этого понимания. Концепция антиматерии впервые возникла в результате математического анализа квантового физика Поля Дирака; последующие опыты показали, что и эта идея верна. Эти примеры дают представление о том, что имел в виду великий физик-математик Юджин Вигнер, когда говорил о «необоснованной эффективности математики в описании физической вселенной.Поле Хиггса возникло в результате математических исследований, направленных на поиск механизма, наделяющего частицы массой. И снова математика прошла с честью.

Я сам физик-теоретик, один из многих, посвятивших себя поиску того, что Эйнштейн назвал «единой теорией» — глубоко скрытых связей между всеми силами природы и материей, о которых мечтал Эйнштейн, спустя много времени после того, как увлекся физикой благодаря таинственным работам компас — открытие бозона Хиггса особенно приятно.Наша работа основана на математике и до сих пор не имела контакта с экспериментальными данными. Мы с нетерпением ждем 2015 года, когда модернизированный и еще более мощный БАК снова будет включен, поскольку есть шанс, что новые данные докажут, что наши теории движутся в правильном направлении. Основные вехи будут включать в себя открытие класса ранее невидимых частиц (называемых «суперсимметричными» частицами), которые предсказывают наши уравнения, или намеки на дикую возможность пространственных измерений за пределами трех, которые мы все ощущаем.Еще более захватывающим было бы открытие чего-то совершенно непредвиденного, отправляющего нас всех обратно к школьным доскам.

Многие из нас пытаются взобраться на эти математические горы уже 30 лет, а некоторые и дольше. Временами нам казалось, что единая теория просто недоступна для понимания, а в других случаях мы действительно блуждаем в темноте. Для нашего поколения очень важно стать свидетелями подтверждения бозона Хиггса, увидеть математические открытия четырехдесятилетней давности, реализованные в виде хлопков и потрескиваний в детекторах БАК.Это напоминает нам о том, что нужно принять близко к сердцу слова нобелевского лауреата Стивена Вайнберга: «Наша ошибка не в том, что мы слишком серьезно относимся к нашим теориям, а в том, что мы относимся к ним недостаточно серьезно. Всегда трудно понять, что эти числа и уравнения, с которыми мы играем за рабочим столом, имеют какое-то отношение к реальному миру». Иногда эти числа и уравнения обладают сверхъестественной, почти жуткой способностью освещать темные уголки реальности. Когда они это сделают, мы станем намного ближе к пониманию своего места в космосе.

Детектор ATLAS, один из двух экспериментов по обнаружению неуловимого бозона Хиггса в столкновениях частиц на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе, весит целых сто 747 струй и содержит более 1800 миль кабеля. Клаудия Марчеллони / ЦЕРН Компактный мюонный соленоид на Большом адронном коллайдере улавливает частицы в действии.Майкл Хох / ЦЕРН Вернемся к чертежной доске: физик Питер Хиггс нацарапал свое знаменитое уравнение, описывающее источник массы частицы. Потребуется полвека, чтобы доказать это. Стюарт Уоллес / Splash News / Newscom Команда работает с детектором ATLAS, одним из двух экспериментов по обнаружению неуловимого бозона Хиггса в столкновениях частиц.Клаудия Марчеллони / ЦЕРН До установки части детектора CMS находились в уборной ЦЕРНа. Максимилиан Брайс, Майкл Хох, Джозеф Гобин / ЦЕРН Магнит в детекторе CMS создает магнитное поле в 100 000 раз сильнее, чем у Земли. Гобин / ЦЕРН Крупный план детектора CMS — одного из двух экспериментов по обнаружению сигнатур бозона Хиггса. Гобин / ЦЕРН Хотя бозон Хиггса кажется слишком кратковременным, чтобы его можно было обнаружить напрямую, физики из CMS могут сделать вывод о его существовании, изучая потоки частиц, оставшихся после протон-протонных столкновений.Т. Макколи, Л. Тейлор / ЦЕРН Физика Научные инновации

Рекомендуемые видео

бозонов и фермионов: все это вращается | Джон Баттерворт | Наука

Слово бозон вызывает бесконечные затруднения, когда люди сообщают о поиске бозона Хиггса. Оно регулярно пишется или произносится как «боцман», и однажды, когда я давал интервью по телевидению и читал автокью через плечо ведущего, я увидел, что оно пишется как «босон». Ведущий, однако, сказал бозон, не моргнув.


Бозон — это название общего класса частиц. Бозон Хиггса — это одна из частиц (если она существует), но так же много других частиц. Все частицы, переносящие силы (глюоны, W и Z и фотон, а также гравитон, если он есть) являются бозонами.

Кварки, электроны и нейтрино, с другой стороны, являются фермионами.

Разница между ними только в спине. Но в этом контексте спин — это квантовое число углового момента. Это немного похоже на вращение частицы, но на самом деле это просто аналогия, поскольку точечные фундаментальные частицы не могут вращаться, и в любом случае фермионы имеют такой спин, что в классической аналогии им пришлось бы дважды обернуться, чтобы вернуться обратно. где они начали. Квантовая механика полна подобных полуобманчивых аналогий.

Несмотря ни на что, вращение важно.

Бозоны по определению имеют целочисленный спин. У бозона Хиггса ноль, у глюона, фотона, W и Z — по единице, а у гравитона постулируется две единицы спина. Кварки, электроны и нейтрино — это фермионы, и все они имеют полединицы спина.

Это приводит к огромной разнице в их поведении.

Лучший способ понять фундаментальные частицы — это квантовая теория поля. В квантовой теории поля «состояние» — это конфигурация, описывающая все частицы в системе (скажем, атом водорода).Математика такова, что если поменять местами два одинаковых фермиона с одинаковой энергией (скажем, два электрона), то вы введете в состояние отрицательный знак. Если поменять местами два бозона, отрицательного знака не будет.

Поскольку обмен двумя идентичными частицами с одинаковой энергией не имеет физического значения для общего состояния, вы должны сложить два разных случая (обмен местами и не обмен местами) при расчете фактической реальной вероятности возникновения физического состояния. Сложение плюса и минуса в случае фермионов дает ноль, но в случае бозонов они действительно складываются.Это означает, что любое состояние, содержащее два идентичных фермиона с одинаковой энергией, имеет нулевую вероятность возникновения*. Тогда как состояние с двумя одинаковыми бозонами одинаковой энергии имеет повышенную вероятность.

Эта довольно простая математика отвечает за периодическую таблицу и поведение всех элементов.

Химические элементы состоят из атомного ядра, окруженного электронами. Поскольку электроны являются фермионами, не все электроны могут быть втянуты на самый низкий энергетический уровень вокруг ядра.Если бы они были, вероятность возникновения этого «состояния» была бы равна нулю в соответствии с приведенным выше аргументом. Таким образом, по мере того, как вокруг ядра добавляется больше электронов, они должны занимать все более и более высокие энергетические уровни — в целом все менее и менее тесно связанные с ядром. Поведение химического элемента — то, как он реагирует с другими элементами и связывается с образованием молекул, и где он находится в периодической таблице — определяется тем, насколько прочно связаны его внешние электроны.

Когда бозоны слипаются вместе, они тоже делают удивительные вещи, но трудно превзойти ответственность за всю химию и, следовательно, за биологию.

Все-таки это только спина.


* Это известно как принцип запрета Паули.

Что такое бозон Хиггса? Объяснение для остальных из нас

Если вы слышали новости о Нобелевской премии по физике, вы, возможно, задаетесь вопросом: что вообще такое бозон Хиггса?

Если вы что-то знаете о бозоне Хиггса, так это то, что его называют «частицей Бога». Леон Ледерман, получивший Нобелевскую премию в 1988 году за открытие пары других субатомных частиц, ввел этот термин в 1993 году, потому что Хиггса было очень трудно определить.Как сообщила Эрин Браун, Ледерман действительно хотел назвать это «чёртовой частицей».

Но на самом деле это не ответ на вопрос. Бозон Хиггса — это частица, связанная с полем Хиггса, энергетическим полем, которое передает массу вещам, которые проходят через него. Еще в 1964 году Питер Хиггс и Франсуа Энглер предположили, что именно так вещи во Вселенной — звезды, планеты и даже люди — приобретают массу.

Это может быть трудно усвоить, если вы совершенно не знакомы с физикой элементарных частиц.Итак, давайте обратимся к Яну Сэмплу, написавшему книгу о бозоне Хиггса под названием «Массив: охота за частицей Бога». В этом видео от Guardian Сэмпл использует поднос из столовой, коричневый сахар и разноцветные шарики для пинг-понга, чтобы объяснить, что произошло, когда поле Хиггса «включилось» примерно через триллионную долю секунды после Большого взрыва, и как это привело к увеличению массы. к частицам.

Это была великая теория, ставшая краеугольным камнем Стандартной модели физики элементарных частиц. Но могли ли физики провести эксперимент, чтобы подтвердить теорию?

Вот где на помощь приходят ускорители частиц.Тот, который ученые использовали для «нахождения» бозона Хиггса, — это Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе, Европейской организации ядерных исследований. Это 17-мильная трасса, проложенная под землей за пределами Женевы, которая стреляет пучками протонов друг в друга. Когда они сталкиваются, они создают сверхвысокоэнергетические смеси, извергающие субатомные частицы. Время от времени одной из таких частиц может быть бозон Хиггса.

Это видео (также показанное выше) из аспирантского комикса «Piled Higher and Deeper» фантастически объясняет, почему БАК сталкивает частицы вместе, что он ищет в результате и почему требуется «миллион столкновений». ” чтобы найти бозон Хиггса, как выразился рассказчик Дэниел Уайтсон, физик-экспериментатор.«Вот почему мы запускаем эту штуку 40 миллионов раз в секунду, весь день, круглый год», — говорит он.

Те, кто предпочитает версию в стиле комиксов (т. е. без видео), могут найти ее здесь.

Все еще жаждете большего? Для общего ознакомления с LHC посмотрите это известное (в определенных кругах) рэп-видео от alpinekat. Несмотря на низкую производственную ценность, с момента загрузки на YouTube в 2008 году его просмотрели почти 7,7 миллиона раз. Эксперименты с CMS и ATLAS относятся к поиску Хиггса.

Если вы считаете физику элементарных частиц крутой, вам нравится то, о чем я пишу. Подпишитесь на меня в Твиттере и отметьте «Нравится» Los Angeles Times Science & Health на Facebook.

ТАКЖЕ:

Теоретики бозона Хиггса получают Нобелевскую премию по физике

Физики празднуют «триумф» бозона Хиггса

Еще одна часть головоломки вселенной — в форме бозона Хиггса

Людям всегда было любопытно, как устроен мир и из чего он состоит.Древние греки считали, что все это сводится к четырем элементарным субстанциям: земле, воздуху, огню и воде. На протяжении веков физики принимали эти концепции и сходили с ума. Современная физика элементарных частиц занимается тем, как мир работает в субатомном (действительно очень маленьком) масштабе.

Какое-то время мы думали, что атом был наименьшим компонентом материи и не мог быть разбит на что-то меньшее (название происходит от греческого слова atomon , что означает «то, что нельзя разделить») и что атом водорода был наименьшей возможной частицей материи. .Теперь мы знаем, что фундаментальный мир простирается далеко за пределы основ земли, воздуха, огня и воды, и есть много вещей меньше атома водорода. На самом деле существует более 200 типов субатомных частиц, которые взаимодействуют очень сложным образом.

Стандартная модель

Объяснение того, как устроен мир

Из 200 субатомных частиц, о которых мы знаем, есть такие, которые нельзя разделить на более мелкие компоненты, и они называются элементарными частицами.Эти элементарные частицы объединяются, образуя составные частицы. Во Вселенной также существуют четыре фундаментальные силы или поля: сильное ядерное взаимодействие, слабое ядерное взаимодействие, электромагнитное взаимодействие и гравитационное взаимодействие. Эти силы действуют на разные типы частиц и управляют их взаимодействием друг с другом.

Стандартная модель — это лучшая попытка физиков-теоретиков описать элементарные частицы и объяснить, как три из четырех сил управляют их поведением. Модель представляет собой своего рода руководство по эксплуатации Вселенной с 12 элементарными частицами материи, а фундаментальные силы обеспечивают методы соединения материи.

Частицы

Стандартная модель состоит из двух основных категорий частиц: фермионов и бозонов. Фермионы составляют материю, а бозоны ответственны за передачу сил, управляющих поведением материи.

Фермионы делятся на кварки и лептоны.Кварки можно разделить на шесть различных типов: верхние, нижние, очарованные, странные, верхние, нижние. Лептоны также бывают шести разновидностей: электрон , электронное нейтрино, мюон, мюонное нейтрино, тау- и тау-нейтрино. Электроны, мюоны и тау обладают электрическим зарядом, что важно, поскольку определяет, какие силы могут ими управлять. Кварки могут объединяться в составные частицы, такие как адрон (запомните это на потом).

Фермионы

Фермионы — это частицы материи, основные строительные блоки всего во Вселенной.Они делятся на две группы: кварки и лептоны.

Кварки
  • вверх
  • с Очарование
  • т Верх
  • д Вниз
  • с Странно
  • б Нижний
Лептоны
  • Электрон
  • мк Мюон
  • τ Тау
  • ν e Электронное нейтрино
  • ν μ Мюонное нейтрино
  • ν τ тау-нейтрино

Вся материя, какой мы ее знаем, состоит из различных комбинаций элементарных частиц, склеенных одной из фундаментальных сил.

Как склеились?

Здесь в дело вступают бозоны. Четыре фундаментальных взаимодействия — слабое ядерное взаимодействие, сильное ядерное взаимодействие, электромагнитное взаимодействие и гравитационное взаимодействие — имеют каждый свой особый тип взаимодействия. бозон , известный как калибровочный бозон. Взаимодействие калибровочных бозонов приводит к проявлению сил, управляющих нашим природным миром.

Слабое ядерное взаимодействие контролируется W-бозоны а также Z-бозоны и отвечает за радиоактивный распад субатомных частиц.

Сильное ядерное взаимодействие передается элементарными бозонами, называемыми глюонами. Это сильное ядерное взаимодействие, и эти глюон бозоны, которые связывают кварки в составные частицы, такие как нейтроны, протоны и мезоны, все типы адронов.

Электромагнитная сила контролируется элементарными бозонами, называемыми фотоны . Эта сила может действовать на очень больших расстояниях и определяет поведение электрически заряженных частиц: две частицы с одинаковым зарядом будут отталкиваться друг от друга, а противоположные заряды притягиваются друг к другу.Электромагнитная сила связывает протоны и электроны вместе, образуя атомы, и связывает атомы в молекулы. Он вызывает электричество, магнетизм и свет, и это то, что делает твердые вещи твердыми и позволяет нам их поднимать.

Что касается гравитационной силы, то физики не могут точно объяснить, как эта сила вписывается в картину… пока. Существует гипотетический бозон, называемый гравитоном, который управляет силой гравитации, но он еще не обнаружен. Однако в мире физики элементарных частиц сила гравитации настолько слаба, что не влияет на частицы.Согласование физики очень крошечных субатомных частиц и их управляющих сил с физикой макромира, в котором мы живем, где гравитация, очевидно, очень важна, — это работа, которая, вероятно, займет физиков на много дождливых дней. .

Бозоны

Когда вы думаете о бозонах, думайте о силах. Калибровочные бозоны — это частицы, ответственные за передачу сил, управляющих взаимодействием частиц материи. Бозон Хиггса — это немного другой зверь: он взаимодействует с элементарными частицами материи, придавая им массу.

Калибровочные бозоны
  • γ Фотон
  • г глюона
  • Z Z бозон
  • W W бозон

 

Калибровочные симметрии и проблема массы

Сильные и слабые ядерные взаимодействия и электромагнитное взаимодействие действуют в так называемом поле. Это поле обеспечивает «связь» для силы, позволяя ей выполнять свою работу во Вселенной. Стандартная модель требует, чтобы слабое ядерное взаимодействие, сильное ядерное взаимодействие и электромагнитное взаимодействие регулировались чем-то, что называется локальными калибровочными симметриями, а также называются локальными симметриями.

Быть управляемым этими симметриями означает, что часть поля может быть преобразована независимо в другую часть, и общие эффекты и законы силы этого поля останутся в силе.Однако поддержание этого состояния симметрии требует энергии, и природа обычно предпочитает переходить в состояния с минимально возможной энергией. Эта низкоэнергетическая конфигурация больше не демонстрирует эту симметрию — симметрия «нарушена».

В 1964 году в журнале Physical Review Letters были опубликованы три отдельные статьи, в каждой из которых обсуждалась концепция «нарушенных симметрий»: одна — Питера Хиггса, другая — Роберта Браута и Франсуа Энглера, а третья — Джеральда Гуральника, Карла Хагена и Тома Киббла. .Тот факт, что частицы могут приобретать массу при нарушении симметрии, также упоминался в этих работах, но не был в центре их внимания. На самом деле, Питер Хиггс добавил это в свою статью лишь после того, как первоначальная статья была отклонена журналом. В то время авторы этого не знали, но они закладывали основы концепции механизма Хиггса, поля Хиггса и бозона Хиггса. Так что, как и в случае со многими другими великими научными открытиями, происхождение концепции механизма Хиггса было в основном случайным.

В трех отдельных статьях, опубликованных в 1964 году, обсуждается понятие «нарушение симметрии».

Проблема массы

Позже, в 1967 году, концепция «электрослабого» взаимодействия была разработана независимо физиками Стивеном Вайнбергом и Абдусом Саламом. Эта теория объединила взаимодействия слабого ядерного и электромагнитного взаимодействия. Проблема с этой теорией заключалась в том, что для того, чтобы она работала математически, задействованные частицы должны были иметь нулевую массу, что, как они знали, не могло быть правдой. На самом деле бозоны W и Z слабого ядерного взаимодействия имеют большие массы по сравнению с другими частицами. Кроме того, если бы, например, электроны не имели массы, то они не могли бы связываться с протон создавать атомы, а без атомов… ну… нас бы здесь не было.

Была пересмотрена более ранняя работа Хиггса и других, описывающая нарушение симметрии и механизм, придающий некоторым частицам массу. Оказалось, что когда другие частицы материи, такие как электроны, движутся через поле Хиггса, они взаимодействуют с бозонами Хиггса, которые прилипают к частицам материи или группируются вокруг них и придают им массу.Чем больше частиц бозона Хиггса взаимодействует с другой частицей, тем большей массы она достигает.

Распространенная аналогия, используемая для описания того, как работает бозон Хиггса, состоит в том, чтобы представить себе вечеринку, на которой все гости стоят, равномерно распределенные по комнате, и болтают между собой. В комнату входит суперзвезда, и гости стекаются к ней поближе, сгрудившись вокруг нее. Когда она движется по комнате, все больше гостей собираются к ней, в то время как другие исчезают. Люди, толпящиеся вокруг нее, придают ей импульс, когда она движется по комнате.Суперзвезда – это элементарная частица , а в гостях — бозоны Хиггса, придающие частице массу по мере того, как они толпятся вокруг нее.

Из-за бозона Хиггса я вешу 60 (или 55, или 80) кг?

Хотя поле Хиггса ответственно за то, что придает элементарным частицам материи их массу, на самом деле оно не является причиной числа, которое показывается на весах, когда вы наступаете на них. Это число показывает, сколько вы весите, что зависит от вашей фактической массы, а также от влияния гравитации (мы не существуем в субатомном масштабе, поэтому влияние гравитации очень важно в нашей повседневной жизни).Если бы вы отправились на Луну, вы бы весили меньше, но ваша масса осталась бы прежней.

Так откуда же мы берем массу? Мы и все вокруг нас состоим из атомов, которые состоят из электронов, нейтронов и протонов. Электроны имеют очень маленькую массу и вносят лишь крошечный вклад в общую массу объекта. Так что самыми важными являются нейтроны и протоны, а они, в свою очередь, состоят из кварков и глюонных бозонов. Хотя сами кварки получают свою массу из механизма Хиггса, это составляет всего 1 процент от массы протона.Остальная масса исходит от энергии, связанной с связыванием кварков вместе. Знаменитое уравнение Эйнштейна E = mc 2 (количество энергии объекта (E) = его масса (m) x скорость света в квадрате (c 2 )) описывает это. Если вы переформулируете уравнение, вы увидите, как энергия может быть преобразована в массу: m = E/c 2 .

Итак, механизм Хиггса не определяет напрямую, какой массой обладаете вы, дерево или камень. Но она придает кваркам и электронам массу, а без нее эти частицы не смогли бы построить атомы, молекулы и нас.Механизм Хиггса — очень удобная и изящная теория, которая помогла укрепить Стандартную модель физики, фундаментальное объяснение того, как устроен наш мир. Но физики любят иметь доказательства даже для самых элегантных теорий. Чтобы по-настоящему поверить в этих гостей вечеринки, в бозоны Хиггса, им нужно было, так сказать, увидеть одного из них во плоти.

Поиски бозона Хиггса

Войдите в Большой адронный коллайдер

Чтобы найти очень, очень маленькие вещи, нужно очень, очень, очень большое оборудование.Большой адронный коллайдер (БАК), построенный Европейской организацией ядерных исследований или Европейским советом по ядерным исследованиям (ЦЕРН), безусловно, отвечает всем требованиям.

Этот ускоритель частиц был построен для создания бозонов Хиггса, а также для исследования других аспектов физики элементарных частиц. Проще говоря, он делает это, перемещая частицы по кольцевому туннелю, сталкивая их вместе и наблюдая, что происходит.

БАК расположен на глубине 100 метров под землей в Женеве, Швейцария, и его 27-километровое кольцо охватывает границу Швейцарии и Франции. Он также содержит четыре массивных детектора и внешнюю компьютерную сеть, которая поддерживает всю сеть и соединяет всех ученых со всего мира, которые вместе работают над поиском бозона Хиггса.

27-километровое кольцо — Большая часть БАК — содержит две траектории луча, облицованные сверхпроводящими электромагнитами. Они сделаны из катушек электрических кабелей, охлажденных примерно до -271 ° C (холоднее, чем в открытом космосе).

Чтобы сделать адроны (помните адроны? составные частицы, состоящие из кварков, склеенных вместе глюонами сильного ядерного взаимодействия) частью БАК, ученые берут молекулу водорода (два слипшихся атома водорода) и отделяют электроны, создавая два протона. , которые являются типом адрона.Пучки протонов передаются через каждый путь луча вокруг кольца, управляемого магнитами.

Пучки состоят из «сгустков» протонов, каждый из которых содержит около 100 миллиардов частиц. В пучке около 3000 пучков. Это приводит к тому, что по кольцу летает множество протонов, и БАК необходимо пополнять два раза в день. Но не волнуйтесь, маловероятно, что канистра с газообразным водородом, который поставляет протоны, скоро закончится — требуется всего один кубический сантиметр газообразного водорода, чтобы заполнить БАК 100 000 раз.

Два луча движутся в противоположных направлениях, и по мере того, как они проходят по кольцу коллайдера, они проходят через область сверхпроводящих радиочастот. Это дает лучам дополнительный заряд энергии, когда они путешествуют по рингу. В определенных точках магниты направляют лучи так, что они разделяют один и тот же путь луча, заставляя их сталкиваться друг с другом — это часть коллайдера БАК. Лучи имеют ширину около 2 миллиметров, и в этот момент они сжимаются, так что их ширина составляет всего 16 микрометров (около одной пятой ширины волоса).Заставить лучи столкнуться — это все равно, что стрелять иглами друг в друга с расстояния 10 км и заставить их встретиться лоб в лоб.

К тому времени, когда они врезаются друг в друга, лучи движутся практически со скоростью света с энергией 7 тераэлектронвольт (ТэВ). Это количество энергии само по себе не так уж велико — один ТэВ примерно соответствует количеству энергии, производимой летающим комаром. Особенность БАК заключается в том, что ему удается вытолкнуть эту энергию в пространство, в миллионы и миллионы раз меньшее, чем комар, а затем разбить ее головой о другой луч с таким же количеством энергии.

Количество энергии, участвующей в столкновении, сравнимо с энергией, которой частицы обладали сразу после Большого Взрыва, когда Вселенная была настолько горячей, что все частицы имели количество тепловой энергии, эквивалентное количеству энергии, которое БАК удается воспринять. производить. Задействовано так много энергии, что создаются новые частицы — в основном кварки, мюоны, нейтрино и, надеюсь, бозоны Хиггса.

Детекторы

Очень хорошо создавать новые частицы, гоняя протоны по огромному кольцу, а затем сталкивая их друг с другом, но если все это происходит со скоростью, близкой к скорости света, на глубине 100 метров под землей, при температурах ниже, чем в открытом космосе, это немного трудно сидеть сложа руки с нашим попкорном и смотреть, как это происходит. Как же мы на самом деле собираемся увидеть частицы, возникающие в результате столкновений?

БАК оснащен четырьмя детекторами, расположенными там, где происходят столкновения. Два из них используются, чтобы попытаться «увидеть» бозон Хиггса: детекторы ATLAS и CMS.

ATLAS имеет размеры 46 на 25 на 25 метров и весит 7000 тонн. CMS меньше, но тяжелее, имеет размеры 21 на 15 на 15 метров и весит 12 500 тонн.

Детекторы работают, либо отслеживая частицы, когда они проходят через детектор, либо останавливая частицы на их пути.Поддетекторы, расположенные подобно слоям внутри всей структуры, измеряют импульс, массу, энергию и заряд частиц. Первый слой детектора измеряет движение частиц, ориентируясь на очень короткоживущие частицы. Магниты в детекторах отклоняют траекторию движения частиц через детекторы, а заряд и импульс частицы можно определить, измерив, насколько сильно магнит влияет на движение частицы. Калориметры измеряют, сколько энергии имеют частицы.

Как на самом деле выглядит бозон Хиггса?

Вот в чем прикол: к сожалению, мы никогда не увидим частицу бозона Хиггса во плоти. Бозон Хиггса существует только в течение одной зептосекунды (это одна секстиллионная — 10 -21 — секунды), прежде чем он распадается на другие частицы, и единственный способ подтвердить существование бозона Хиггса — увидеть результаты этого распада. . Существует ряд различных схем распада, которые могут быть получены при распаде бозона Хиггса.Если бозон Хиггса ведет себя так, как предсказывает Стандартная модель, то эти закономерности должны создаваться в определенных пропорциях в зависимости от массы бозона Хиггса.

Одна из сложностей в попытках найти бозон Хиггса заключается в том, что физики не знали наверняка, какую массу на самом деле имеет бозон Хиггса. Определенные массы уже были исключены экспериментами на других коллайдерах частиц (Большом электронно-позитронном коллайдере, который был предшественником БАК, и Тэватроне, ныне выведенном из эксплуатации коллайдере частиц в США) и БАК, поэтому самые последние эксперименты на LHC искал бозон Хиггса с массами около 120–140 ГэВ.

Информационная перегрузка

БАК производит около 600 миллионов столкновений в секунду, что дает около 1 петабайта (10 15 байта) данных в секунду. Примерно столько же данных хранится на 223 000 DVD-дисков. Это 223 000 фильмов каждую секунду. Это невероятно огромный объем данных, поэтому, хотя это кажется немного расточительным, большая часть данных оказывается в мусорной корзине после быстрой проверки, чтобы увидеть, выглядят ли они особенно интересно. Оба детектора фильтруют получаемые данные, а система ATLAS, например, хранит только около 200 событий в секунду, или 100 мегабайт в секунду.Даже это составляет около 4 петабайт данных в год.

Когда в 2013 году LHC закрылся на заслуженный перерыв, и ATLAS, и CMS записали данные примерно о 3000 триллионах столкновений. Это астрономическое количество данных.

Worldwide LHC Computing Grid обеспечивает вычислительную мощность, необходимую для анализа всех этих данных. Эта сетка охватывает более 140 различных учреждений в 35 разных странах.

В охоте за бозоном Хиггса участвовало около 6000 исследователей, работающих над двумя отдельными проектами, при этом команды из примерно 3000 физиков изучали результаты детекторов ATLAS и CMS.Много рук делают работу легче!

  • Роль Австралии в действительно международных усилиях

    Самое крупное предприятие в современной физике не делается с ограниченным бюджетом горсткой увлеченных (или безумных!) ученых. Более 10 000 ученых из более чем 100 разных стран внесли свой вклад в проектирование и строительство БАК и его детекторов, а также в анализ колоссального количества данных, которые производит БАК.

    Как и сам бозон Хиггса, участие Австралии в проекте LHC было небольшим, но неотъемлемым.Австралийские ученые участвовали в разработке и создании кремниевого трекера в ядре детектора ATLAS, который отслеживает частицы внутри детектора. 35 тонн меди, которые образуют экран для детектора ATLAS, были изготовлены в Австралии.

    Данные, собранные детектором ATLAS, анализируются 3000 физиков из 174 различных учреждений в 38 разных странах. Около 30 из этих физиков — австралийцы. Вычислительная мощность Мельбурнского университета является частью всемирной вычислительной сети LHC, которая помогает обрабатывать петабайты данных, поступающих с детектора ATLAS.

    Исследования в области физики высоких энергий, проводимые в Университете Монаша и университетах Мельбурна, Аделаиды и Сиднея, объединены под эгидой Центра передового опыта ARC по физике элементарных частиц в терамасштабе (CoEPP). Эта сеть, созданная в 2011 году, включает около 90 ученых и студентов, работающих не только над анализом данных ATLAS и поиском бозона Хиггса, но и над рядом других вопросов физики, включая суперсимметрию, темную материю, гравитацию и то, как она может быть включенным в Стандартную модель и разработать Теорию Великого Объединения, которая может четко объяснить все взаимодействия частиц.

Вид внутри ATLAS во время строительства Большого адронного коллайдера.<img src='/800/600/https/cs14.pikabu.ru/post_img/2021/05/02/12/og_og_1619985694267581488.jpg' /> ” >

<i> открывалка </i>

<p> Вид внутри ATLAS во время строительства Большого адронного коллайдера.Источник изображения: © ЦЕРН. </p>








<h3><span class= Открытие
Держите первую полосу! Это Хиггс! … это? Да!?

Первый пучок адронов был отправлен по кольцу в 2008 году, через 14 лет после того, как БАК был одобрен для строительства. В декабре 2011 года группы ATLAS и CMS предварительно объявили, что у них есть намеки на то, что может быть бозоном Хиггса.В июле 2012 года доверие стало достаточно высоким, чтобы сделать одновременные заявления в ЦЕРН в Женеве и на международной конференции по физике в Мельбурне о том, что у них есть доказательства существования «похожей на Хиггса» частицы. Эта частица в значительной степени соответствовала клеточкам бозона Хиггса, но все еще оставалось достаточно сомнений в том, что объявление было связано с очень большим «может быть».

  • Что такое «доказательство» для физика?

    p -значения и сигма (σ)

    Чтобы физик поверил вам, вам нужно убедить его или его, что то, что вы им показываете, не просто совпадение или случайность. Всегда существует вероятность того, что тот или иной результат был достигнут просто случайно, и только тогда, когда вероятность такого шанса составляет всего 1 к 3,5 миллиона, физик может спокойно объявить свое открытие истинным.

    Исследователи часто ссылаются на « p -ценностей». После того, как исследователь придумывает теорию, он или она затем проводит эксперименты, чтобы проверить эту теорию. Никогда невозможно доказать, что теория окончательно верна, поэтому эксперименты основаны на демонстрации того, что теория НЕ верна, и на надежде на что-то новое.

    Исследователь знает, какой результат он получит, если новая теория НЕ будет верной. Затем они сравнивают свои фактические результаты, чтобы увидеть, отличаются ли они. Если результаты одинаковы, то теория неверна, но если результаты разные, то исследователь знает, что его теория не ошибочна. Исследователь проводит свои эксперименты много-много раз, отслеживая, сколько раз они получают результат, отличный от ожидаемого, если теория неверна. Мера этой разницы известна как p -значение.Чем ниже значение p , тем больше исследователь может быть уверен в своих результатах. Значение p , равное 0,01, равно 1%-ной вероятности того, что разница между результатами является чистой случайностью, то есть 99%-й вероятности того, что разница реальна и что теория не ошибочна.

    Физики элементарных частиц заявляют, что они нашли «свидетельство существования частицы», когда значение p меньше 0,003, и фактическое «открытие», если значение p меньше 0.0000003. Это низкое значение p эквивалентно вероятности 1 из 3,5 миллионов того, что разница между ожидаемыми результатами (если теория НЕ верна) и фактическими результатами является чистой случайностью. Это звучит запутанно, но это означает, что физики могут сказать, что вероятность того, что их теория неверна, составляет всего 1 из 3,5 миллионов. Физики предъявляют такие строгие требования к своим выводам, потому что часто существуют эффекты, о которых они не думали, поэтому установка планки на этом уровне учитывает эти неожиданные эффекты с большим запасом прочности. Когда они объявляют, что нашли что-то, они уверены в этом.

    Еще один способ говорить о достоверности результатов — использовать стандартные отклонения или сигму (σ).

    После того, как вы проведете свои эксперименты и получите некоторые результаты, вы можете вычислить среднее (среднее) значение для этих результатов. Вы также знаете, каким должно быть среднее значение вашего результата. Когда вы сравниваете среднее значение ваших фактических результатов со средним значением ожидаемых результатов, вы можете проверить, насколько они отличаются с точки зрения стандартных отклонений.Стандартные отклонения измеряют расстояние любого одного результата от среднего значения данных и в целом дают вам информацию о разбросе всего набора данных.

    Итак, если вы знаете среднее значение ваших ожидаемых результатов (в случае с бозоном Хиггса, сколько сигнала вы ожидаете увидеть на основе всех процессов, кроме распада бозона Хиггса, которые могут произвести этот сигнал), и стандартное отклонение (насколько разбросаны эти результаты), затем вы можете сравнить свои фактические результаты с этим, чтобы проверить, насколько они отличаются. Если ваши фактические результаты находятся в пределах одного стандартного отклонения (1 σ) от ожидаемых результатов, это означает, что результаты на самом деле не сильно отличаются от ожидаемых результатов — что в данных не очень много неожиданных (например, Хиггса) сигналов. Но как только вы получите фактический результат, отличающийся как минимум на пять стандартных отклонений (5 σ) от ожидаемого результата, вы можете быть вполне уверены, что видите реальный сигнал, что существует нечто иное, чем известные процессы, производящие этот конкретный сигнал. характер распада: бозон Хиггса! Результат в окне 5 σ также имеет только 1 из 3.5 миллионов шансов оказаться просто случайностью.

К марту 2013 года исследователи проанализировали еще в четыре раза больше данных и были рады сообщить, что обнаруженная ими частица все больше и больше походила на бозон Хиггса, настолько, что они были готовы отказаться — отрывок из немного неуклюжей «частицы, похожей на Хиггс». А вот и (барабанная дробь, пожалуйста…):

Изображение события, зарегистрированного детектором CMS, показывающее образование двух фотонов (желтые пунктирные линии с зелеными «башнями»). Источник изображения: © ЦЕРН

На изображении показано столкновение внутри детектора CMS, в результате которого образовались два фотона, что является одним из возможных образцов распада, который мог быть произведен бозоном Хиггса. Несмотря на то, что есть и другие картины распада, которые более вероятны, двухфотонная картина обеспечивает самый четкий сигнал, который могут измерить детекторы LHC.

И после того, как физики из коллабораций ATLAS и CMS проанализировали около 2500 триллионов столкновений, у них было достаточно данных, чтобы построить следующие графики, и они были очень взволнованы.

Графики, показывающие данные совместной работы ATLAS и CMS о сигналах, создавших схему распада двух фотонов, одну из возможных моделей распада бозона Хиггса. Выпуклости на кривых представляют собой сигналы, связанные с распадом бозонов Хиггса. Источник изображения: общедоступные данные ATLAS и CMS (верхнее изображение; нижнее изображение)

На этих графиках показаны данные, полученные группами ATLAS и CMS для сигналов, указывающих на распад на два фотона. Не беспокойтесь слишком о странных символах и цифрах, главное, что нужно заметить на этих графиках, — это выпуклости на красных линиях, которые соединяются с черными точками.В верхней части диаграммы ATLAS и диаграммы CMS красная пунктирная линия указывает на сигнал, который ожидается увидеть от всех известных процессов, которые могут вызвать распад двух фотонов. Тот факт, что сплошная красная линия отклоняется от пунктирной линии при массе 126,5 ГэВ (это соответствует примерно 10 −25 кг), означает, что имеется больший сигнал, чем можно объяснить только известными процессами при этой массе. . Этот дополнительный бит сигнала объясняется распадом бозонов Хиггса.

Нижняя часть графика ATLAS показывает это немного яснее — это график «остатков». Чтобы рассчитать остатки, вы сначала рисуете линию, которая лучше всего соединяет все точки ваших данных (линия «наилучшего соответствия»), и вычисляете уравнение этой линии. Затем вы снова подключаете все свои данные к этому уравнению. Если ваша линия идеально соответствует всем вашим фактическим данным, остатки будут равны нулю. Если есть некоторые точки данных, лежащие в стороне от этой линии наилучшего соответствия, то невязки для этих точек данных не будут равны нулю, и чем дальше они от нуля, тем больше расхождение между фактическими данными и линией наилучшего соответствия. соответствовать.В этом случае линия наилучшего соответствия является линией, которая соответствует сигналу, ожидаемому известными процессами, которые могут производить сигнал двухфотонного распада. Большой выступ в остатках указывает на присутствие чего-то, что сильно отклоняется от этих известных процессов — дополнительного сигнала, вызванного распадом бозонов Хиггса.

Очень важно, что результаты групп ATLAS и CMS показывают в основном одно и то же — скачок в сигнале при 126,5 ГэВ. Тот факт, что две группы независимо пришли к одному и тому же результату, делает этот результат более сильным; было бы очень трудно поверить, что любой скачок в сигнале, обнаруженный группой ATLAS, на самом деле свидетельствовал о наличии частицы, если бы группа CMS не нашла то же самое.

И все?

Да, эта маленькая выпуклость на графике в основном и есть. Бозон Хиггса. Хотя это может показаться не очень впечатляющим, это кульминация многолетней работы тысяч ученых, инженеров и вспомогательного персонала. И хотя это может не дать лекарство от простуды или решить проблему бедности в мире, этот поиск подтвердил некоторые фундаментальные идеи, лежащие в основе нашего понимания того, как устроен мир. Это немалый подвиг. Должное признание пришло к Питеру Хиггсу и Франсуа Энглеру почти через 50 лет после того, как их статьи, посвященные нарушенным симметриям и массе бозонов, были впервые опубликованы, когда они были удостоены Нобелевской премии по физике 2013 года.

Кроме того, в поисках ответов на важные вопросы наука имеет привычку давать нам неожиданные бонусы. В конце концов, сам ЦЕРН дал нам истоки Всемирной паутины еще в начале 1990-х годов. Понимание бозона Хиггса и выяснение того, соответствует ли он Стандартной модели, несомненно, приведет к еще большему количеству вопросов и открытий о нашей Вселенной, будь то о темной материи, понятии суперсимметрии или других теориях, которые даже не были придумал еще. Открытие бозона Хиггса огромно, и все же это всего лишь один маленький кусочек головоломки о том, как наша Вселенная сочетается друг с другом.

Один из операторов БАК анализирует множество экранов данных, которые физики используют для мониторинга и управления машиной. открывалка

После двухлетнего перерыва для плановой модернизации в июне 2015 года на Большом адронном коллайдере начался второй цикл исследований. Источник изображения: © M.Brice / CERN.

Что такое Бозон Хиггса (Частица Бога)?

Министерство энергетики США 25 декабря 2020 г.

Компактный мюонный соленоид (CMS) — детектор общего назначения на Большом адронном коллайдере (БАК).У него обширная физическая программа, начиная от изучения Стандартной модели (включая бозон Хиггса) и заканчивая поиском дополнительных измерений и частиц, которые могут составлять темную материю. Детектор CMS построен вокруг огромного соленоидного магнита. Он имеет форму цилиндрической катушки из сверхпроводящего кабеля, который генерирует поле в 4 тесла, примерно в 100 000 раз превышающее магнитное поле Земли. Поле ограничено стальным «ярмом», которое составляет большую часть 14 000-тонного веса детектора. Кредит: ЦЕРН

Бозон Хиггса — это фундаментальная частица, связанная с полем Хиггса, полем, которое придает массу другим фундаментальным частицам, таким как электроны и кварки.Масса частицы определяет, насколько она сопротивляется изменению своей скорости или положения, когда сталкивается с силой. Не все элементарные частицы имеют массу. Фотон, являющийся частицей света и переносчиком электромагнитной силы, вообще не имеет массы.

Бозон Хиггса был предложен в 1964 году Питером Хиггсом, Франсуа Энглером и четырьмя другими теоретиками для объяснения того, почему некоторые частицы имеют массу. Ученые подтвердили его существование в 2012 году в ходе экспериментов ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере (LHC) в ЦЕРН в Швейцарии. Это открытие привело к тому, что Нобелевская премия по физике 2013 года была присуждена Хиггсу и Энглерту.

Первая торцевая крышка внутреннего детектора ATLAS после полной установки в криостат с жидким аргоном. Источник: © ЦЕРН

В настоящее время ученые изучают характерные свойства бозона Хиггса, чтобы определить, точно ли он соответствует предсказаниям Стандартной модели физики элементарных частиц. Если бозон Хиггса отклоняется от модели, он может дать ключ к разгадке новых частиц, которые взаимодействуют с другими частицами Стандартной модели только через бозон Хиггса, и тем самым привести к новым научным открытиям.

Туннель БАК. Источник: © ЦЕРН

Факты о бозоне Хиггса
  • Бозон Хиггса получает свою массу точно так же, как и другие частицы — от его собственных взаимодействий с полем Хиггса.
  • Может существовать более одного бозона Хиггса. Одна теоретическая модель новой физики предсказывает пять бозонов Хиггса.
  • Хотя бозон Хиггса придает массу кваркам, из которых состоит протон, он отвечает только за то, чтобы дать протону около 10% его массы. Остальные 90% массы протона возникают в результате сложных взаимодействий кварков и сильного ядерного взаимодействия.
  • Поскольку бозон Хиггса играет роль в создании массы других частиц и тот факт, что темная материя может быть в первую очередь обнаружена по ее массе, бозон Хиггса может быть уникальным порталом для обнаружения признаков темной материи.
Управление науки Министерства энергетики: вклад в исследование бозона Хиггса

LHC в ЦЕРН — это самый высокоэнергетический коллайдер частиц в мире. В настоящее время это единственное место, где ученые могут создавать и изучать бозоны Хиггса. Управление науки Министерства энергетики (SC) предоставило важные ускорительные магниты для помощи в строительстве LHC.Министерство энергетики также поддерживает многих ученых, инженеров и техников в программе LHC. На БАК установлены четыре больших экспериментальных детектора частиц, два из которых частично поддерживаются Управлением физики высоких энергий SC: ATLAS и CMS. На американских исследователей приходится примерно 20% и 25% коллабораций ATLAS и CMS соответственно. Они также играют ведущую роль во многих аспектах каждого эксперимента. Эти эксперименты проводят точные измерения свойств бозона Хиггса, чтобы определить, соответствует ли он предсказаниям Стандартной модели или предлагает ключи к новой физике, исследуют новые частицы и их взаимодействия, а также определяют новую физику темной материи.

Обнаружен распад бозона Хиггса. Почему это важно

На протяжении десятилетий физики искали бозон Хиггса: теоретическую «частицу Бога», чье альтер-эго, поле, пронизывающее всю вселенную, наделяет материю массой. В 2012 году ученые наконец нашли неуловимую частицу, и теперь они получили важные новые знания, наблюдая, как она распадается.

В двух новых исследованиях физики показали, что детекторам на Большом адронном коллайдере (LHC) ЦЕРН удалось наблюдать, как бозоны Хиггса распадаются на пары крошечных частиц, называемых нижними кварками. Находка знаменует собой еще одно перо в шляпе теоретической физики элементарных частиц, которая предсказала этот распад. Исследования также являются экспериментальным прорывом, который готовился десятилетиями. (Подробнее о Большом адронном коллайдере читайте в журнале National Geographic ). один из детекторов. «Многие люди, особенно те, кто долгое время участвовал в этом эксперименте, очень и очень взволнованы результатами.”

Интересно, что такое бозон Хиггса, что такое нижний кварк и почему они важны? Мы вас прикрыли.

Что такое бозон Хиггса?

Бозон Хиггса — ключевая частица Стандартной модели, теории, описывающей известные элементарные частицы и способы их взаимодействия. Мы знаем, что Стандартная модель неполна; он не включает темную материю — неуловимую субстанцию, составляющую 85 процентов массы Вселенной, — или описание того, как работает гравитация на квантовом уровне.Тем не менее, он удивительно успешно описывает самые основные элементы нашей вселенной. (Узнайте больше о темной материи). , в то время как другие частицы делают. Они предположили, что энергетическое поле во Вселенной взаимодействует с частицами двумя разными способами. Некоторые частицы, такие как фотоны, проносятся сквозь это так называемое поле Хиггса, как будто там ничего и нет.Другие попадают в ловушку в поле, как будто они плавают в сиропе. Именно это замедление придает этим частицам массу.

Сколько лет Вселенной и как она возникла? На протяжении всей истории бесчисленные мифы и научные теории пытались объяснить происхождение Вселенной. Наиболее широко принятое объяснение — теория большого взрыва. Узнайте о взрыве, с которого все началось, и о том, как Вселенная выросла из размера атома, чтобы охватить все, что существует сегодня.

В физике элементарных частиц поля соответствуют частицам: бросьте камень в «пруд» электромагнитного поля, и выплеснется фотон. Во многом таким же образом бозон Хиггса представляет собой возбужденный пакет поля Хиггса.

После десятилетий поисков исследователи БАК объявили в 2012 году, что они нашли новую частицу, напоминающую бозон Хиггса, — открытие, которое принесло Энглерту и Хиггсу Нобелевскую премию по физике 2013 года. С тех пор физики сравнили эту новую частицу со Стандартной моделью, чтобы увидеть, ведет ли она себя как теоретический бозон Хиггса.До сих пор это так.

При чем здесь кварки?

В отличие от электронов, которые могут существовать миллиарды лет, жизнь бозона Хиггса поразительно коротка — менее секстилионной доли секунды. После этого мимолетного существования бозон Хиггса распадается на другие типы частиц. Например, в 2014 году исследователи объявили, что ATLAS и CMS, два детектора на БАК, наблюдали распад бозонов Хиггса на пары гамма-фотонов.

Стандартная модель также предсказывает, что бозон Хиггса может распадаться на частицы, называемые кварками.Кварки бывают шести видов — верхние, нижние, верхние, нижние, обаятельные и странные — и являются строительными блоками для протонов и нейтронов в атомах, среди других более крупных частиц.

Распад бозона Хиггса должен подчиняться некоторым ключевым правилам. Например, поскольку бозон Хиггса не имеет электрического заряда, побочные продукты его распада также должны объединяться, чтобы иметь нулевой электрический заряд. Когда бозон Хиггса распадается на кварки, у которых есть электрические заряды, они появляются парами: один кварк и один «антикварк», во всех отношениях похожие частицы, но с противоположным электрическим зарядом.Таким образом, заряды пары компенсируют друг друга.

Масса бозона Хиггса также ограничивает возможные распады. Поскольку каждый из нижних кварков в 30 раз легче бозона Хиггса, бозон Хиггса может легко создать пару из них при распаде. Стандартная модель утверждает, что при распаде бозона Хиггса он распадается на пару низших кварков и антикварков примерно в 58 % случаев. Это предсказание стало решающим испытанием для Стандартной модели: если бы исследователи никогда не увидели, как бозон Хиггса распадается на низший кварк, то наши самые глубокие теории о работе Вселенной оказались бы в беспорядке.

«Стандартная модель вообще не подходит для этого», — говорит Хеккер.

Исследователи, использующие детекторы ATLAS и CMS, независимо друг от друга наблюдали, как реальный бозон Хиггса расщепляется на нижние кварки, демонстрируя теорию совпадения с реальностью.

Как исследователи обнаружили распад?

Возвращаясь к 1980-м и 1990-м годам, когда был впервые задуман БАК, физики поняли, насколько трудным будет обнаружение хиггсовского распада, говорит Хеккер. БАК сталкивает пары протонов со скоростью, близкой к скорости света, создавая огромные потоки частиц, которые разбрызгивают внутренности массивных детекторов.Этот мусор содержит множество разных частиц одновременно, и многие из них выглядят как распад дна Хиггса.

Физики должны точно реконструировать, как происходило данное столкновение, используя обнаруженные ими частицы распада — это немного похоже на то, как выяснять, как произошла крупная автомобильная авария, исследуя обломки и следы шин в последствии. (Узнайте, как одно озорное животное отключило весь БАК на один день.)

После нескольких лет сбора данных, моделирования и алгоритмов машинного обучения команды ATLAS и CMS смогли объяснить все, кроме искомого распада бозона Хиггса.К 2017 году физики собрали достаточно данных, чтобы иметь доказательства распада. К июню этого года они были уверены, что их данные не были случайностью.

«Это действительно очень сложный процесс, и только над анализом работает очень большая команда почти из ста человек, — говорит Хекер. «В целом, получение данных, работа с детектором [ATLAS], его калибровка — это многое, многое другое. Общее сотрудничество составляет около 3000 научных авторов».

Почему это важно?

Во-первых, исследования дают еще большую уверенность в том, что мы выяснили, как материя приобретает массу.Это не мелочь в нашем понимании Вселенной.

А поскольку бозон Хиггса занимает ключевое место в Стандартной модели, даже небольшие расхождения между теорией и наблюдениями могут открыть дверь в новую физику.

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.