Бозон Хиггса: что это, простыми словами
Частица Бога — так называли бозон Хиггса, открытый в 2012 года на Большом адронном коллайдере. Рассказываем, как это открытие и последующие исследования помогли физикам сделать огромный шаг вперед в понимании Вселенной
- Что такое бозон Хиггса
- Как обнаружили бозон Хиггса
- Почему бозон Хиггса так важен
- Продолжение исследований бозона Хиггса
Что такое бозон Хиггса
Бозон Хиггса — в современной теории элементарных частиц это неделимая частица, которая отвечает за механизм появления масс у некоторых других элементарных частиц.
Из курса физики известно, что атом (от греч. atomon — «то, что нельзя разделить»), когда-то считавшийся неделимой частицей, на самом деле состоит из еще более мелких частиц. Ученые, исследуя атом, продолжали поиски частиц, которые действительно оказались бы неделимыми. Они изучили ядро атома и обнаружили в нем протоны и нейтроны. Но и их можно было разделить на еще более мелкие элементы: протоны и нейтроны состоят из кварков, которые сегодня считаются неделимыми частицами — вместе с электронами и другими частицами.
Для описания физики микромира ученые разработали теорию, которую назвали Стандартной моделью. Тимур Уткузов, физик и старший методист физико-математического направления школы «ИнтернетУрок» объясняет, что Стандартная модель считается сегодня основной моделью описания микромира. В рамках модели классифицируются почти все известные в мире элементарные частицы и фундаментальные взаимодействия, кроме гравитационного, а именно: сильное, слабое и электромагнитное.
Частицы, которые входят в Стандартную модель, иногда изображают в виде таблицы, которая напоминает Периодическую таблицу элементов Менделеева. Только описывает она элементарные, то есть базовые, неделимые далее частицы (Фото: Wikimedia.org)
В Стандартную модель входят:
- фермионы, которые называют «строительными кирпичиками Вселенной» — к ним относятся кварки и лептоны;
- бозоны — частицы-переносчики взаимодействия;
- и бозон Хиггса — последняя частица в ряду частиц-переносчиков, которую часто изображают стоящей особняком [1].
Именно с помощью бозонов происходит взаимодействие между фермионами. Например, при сильном взаимодействии кварки обмениваются друг с другом особым бозоном — глюоном.
Ученые разрабатывали Стандартную модель с 1970-х годов. В последующие 20 лет благодаря опытам на мощных ускорителях были открыты многие элементарные частицы. Модель прекрасно «предсказывала» их появление, а потом эти «предсказания» подтверждались с помощью экспериментов.
В 1964 году британский физик Питер Хиггс вместе с другими учеными предположил, что существует особое поле, при взаимодействии с которым частицы приобретают массу. Позже его назвали полем Хиггса, а процесс обретения массы — хиггсовским механизмом. Изучить, как работает этот процесс, можно только через измерения свойств хиггсовского бозона. Без обнаружения бозона изучить это поле не удавалось. Поэтому открытие бозона и понимание его свойств представлялось ученым важнейшей задачей.
Чтобы объяснить нефизикам, как частицы приобретают массу, ученые придумывают разные аналогии.
Одна из них — «хиггсовское поле как вечеринка со знаменитостью» выиграла конкурс на самое понятное объяснение в 1993 году. Частица, движущаяся сквозь хиггсовское поле, приобретает массу таким же образом, как знаменитость, появившись на вечеринке, собирает вокруг себя своих почитателей, то есть «обрастает» массой. При этом толпа будет перемещаться по комнате вслед за знаменитостью
(Фото: Symmetrymagazine.org)
В СМИ бозон Хиггса часто называют «частицей Бога». И хотя это ироничное название не одобряют множество ученых, бозон Хиггса — это важнейшая элементарная частица, открытие которой завершает формирование Стандартной модели.
Леон Ледерман, физик, автор названия «частица Бога», объясняет его происхождение [2]:
«Этот бозон важен и для сегодняшнего состояния физики, и для окончательного понимания структуры материи.
При этом он настолько неуловим, что я дал ему прозвище «частица Бога». Почему частица Бога? По двум причинам. Во-первых, издатель не разрешил мне называть его «проклятой частицей» [Goddamn Particle. — РБК Тренды], хотя это было бы более подходящим названием, учитывая его «злодейскую природу» и расходы, которые пошли на его поиски. А во-вторых, здесь есть некоторая связь с другой книгой, гораздо более старой, чем та, которую я написал о бозоне [подразумевается Книга Бытия. — РБК Тренды]
Как обнаружили бозон Хиггса
Поисками бозона Хиггса занимались разные лаборатории по всему миру. Одна из самых известных — Европейская организация ядерных исследований в Швейцарии или по-другому ЦЕРН.
Бозон Хиггса нельзя увидеть в микроскоп. Поэтому ученые ЦЕРНа построили для поисков самый крупный ускоритель частиц в мире — Большой адронный коллайдер или БАК. Основная цель построения БАК — уточнение или опровержение Стандартной модели.
Коллайдер разгоняет протоны почти до скорости света и сталкивает их друг с другом.
Физик Тимур Уткузов поясняет, почему поиски неуловимого бозона только на БАК заняли около двух лет. Дело в том, что подтвердить существование бозона можно лишь косвенно, и только хорошо зная его свойства, так как ко всему прочему у него ничтожно малое время жизни. Несмотря на то, что БАК — один из самых точных и мощных измерительных приборов в мире, он все-таки не может измерить все. И за период экспериментов удалось зафиксировать лишь несколько случаев, где по продуктам распада можно было обнаружить бозон Хиггса. При этом за это же время в коллайдере происходили сотни триллионов столкновений частиц, в которых пытались отыскать его следы.
Физик Питер Хиггс рядом с одной из частей БАК — детектором ATLAS, в апреле 2008 года (Фото: CERN / SCIENCE PHOTO LIBRARY)
Об открытии бозона Хиггса ЦЕРН осторожно сообщил 4 июля 2012 года. Исследователи заявили, что открыли новую частицу, свойства которой согласуются с ожидаемыми свойствами бозона Хиггса.
Джо Инкандела, представитель одной из лабораторий, искавшей неуловимый бозон [3]:
«Предварительные результаты с полным набором данных 2012 года великолепны, и для меня очевидно, что мы имеем дело с бозоном Хиггса. Но нам еще предстоит пройти долгий путь, чтобы узнать, что это за бозон Хиггса».
В марте 2013 года отдельные представители ЦЕРНа сообщили, что найденная полугодом ранее частица действительно является бозоном Хиггса.
В том же году Нобелевская премия по физике была присуждена физикам Питеру Хиггсу и Франсуа Энглеру «за теоретическое открытие механизма, который способствует нашему пониманию происхождения массы субатомных частиц и который недавно был подтвержден открытием предсказанной фундаментальной частицы на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе» [4].
Почему бозон Хиггса так важен
Открытие по-настоящему нового типа материи
Бозон Хиггса — это не просто еще одно рядовое открытие новой частицы, которых в последнее время было предостаточно. До него физики имели дело лишь с частицами вещества (электроны, протоны и так далее), либо с частицами-переносчиками взаимодействия, квантами силовых полей (фотоны, глюоны и другие), объясняет физик-теоретик, специалист в области элементарных частиц, популяризатор науки Игорь Иванов [5]. Но хиггсовский бозон не является ни тем, ни другим — это «кусочек» хиггсовского поля, который занимает совсем иное место в устройстве нашего мира. Это не просто новая частица, а представитель нового сектора элементарных частиц — хиггсовского сектора.
Ключевой элемент Стандартной модели
Бозон Хиггса оставался единственным элементом Стандартной модели, который ученые долго не могли обнаружить. В рамках модели есть еще много нерешенных вопросов, но считается, что открытие бозона Хиггса завершило современную теорию элементарных частиц.
Приближение к пониманию хиггсовского механизма обретения массы
Открыв бозон Хиггса, ученые подтвердили свою догадку о том, что некоторые элементарные частицы приобретают массу за счет взаимодействия с полем Хиггса.
«Кирпичик» мироздания
Открытие бозона Хиггса — это еще один шаг к пониманию того, как устроен наш мир. Эту частицу иногда называют «кирпичиком» мироздания. Ученые полагают, что до Большого взрыва — события, которого привело к созданию всего, все частицы не имели массы [6]. В момент Большого взрыва и через 10–12 секунд после него частицы вступили во взаимодействие с полем Хиггса, что придало им массу. Если бы этого не случилось, они просто бы разлетелись по космическому пространству, так и не соединившись в атомы и молекулы и в конечном итоге никогда бы не образовали все то, что существует сейчас.
Продолжение исследований бозона Хиггса
Важность изучения бозона Хиггса можно сравнить со значением открытия и исследования атома. Физик Нью-Йоркского университета Кайл Кранмер объясняет, что таким же образом ученые начала XX века пытались понять атом и на основе этого разработали квантовую механику.
Кранмер говорит, что вся квантовая механика — это в каком-то смысле эзотерика, то есть знание, недоступное для непосвященных [7]. Но при этом квантовая механика привела к изобретению транзистора, ключевого ингредиента для всей современной электроники, лазера и других медицинских технологий. Кранмер отмечает, что никто из тех, кто стоял у истоков квантовой механики, не мог предвидеть такого ее практического применения. По аналогии с квантовой механикой, такие открытия как бозон Хиггса повлияют не только на науку, но и в будущем найдут применение в повседневной жизни.
ЦЕРН на своей официальной странице в 2022 году подвел итоги изучения бозона Хиггса — спустя десять лет с его открытия [8].
Организация отмечает, что за это время физики сделали огромный шаг вперед в понимании Вселенной: например, они получили данные, что поле Хиггса было установлено во всей Вселенной через десятую долю миллиардной доли секунды после Большого взрыва.
С начала работы БАК в 2010 году было открыто более 60 составных частиц, предсказанных Стандартной моделью: некоторые из них — экзотические «тетракварки» и «пентакварки». Эксперименты также указали на отклонения от Стандартной модели, которые требуют дальнейшего изучения. Кроме того, эксперименты, выполняемые на БАК, дают возможность найти неизвестные частицы, выходящие за рамки Стандартной модели — например, обнаружить частицы, составляющие загадочную темную материю. Сам бозон Хиггса может указывать на явления, которые, возможно, ответственны за темную материю во Вселенной.
Ученые также ищут ответы на вопросы, придает ли поле Хиггса массу легким фермионам или тут действует другой механизм, является ли бозон Хиггса элементарной или составной частицей, может ли он взаимодействовать с темной материей и раскрыть ее природу, есть ли у бозона Хиггса «близнецы» или «родственники»? Поиск ответов на эти и другие интригующие вопросы не только углубит наше понимание Вселенной, но и поможет раскрыть некоторые из самых больших ее тайн — почему она возникла такой, какая есть, и какова ее конечная судьба.
Обнаружен долгожданный распад бозона Хиггса
Женева, 28 августа 2018.
Спустя шесть лет после открытия бозона Хиггса, был обнаружен его распад на элементарные частицы, известные как b-кварки. Наблюдение, анонсированное сегодня в ЦЕРН экспериментами ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере (LHC), доказывает гипотезу о том, что всепроникающее квантовое поле Хиггса также дает массу и b-кваркам. Обе коллаборации представили сегодня свои результаты к публикации.
Cобытие-кандидат, зарегистрированное экспериментом ATLAS, демонстрирующее ассоциированное рождение бозона Хиггса (H) и W-бозона с последующим распадом бозона Хиггса на мюон (µ) и нейтрино (v). Рисунок © CMS/ЦЕРН
Стандартная модель физики элементарных частиц предсказывает, что в почти 60% случаев бозон Хиггса распадается на пару b-кварков, которые из шести типов кварков являются наиболее тяжелыми после топ-кварка. Проверка данного предположения имеет решающее значение, поскольку результат либо подтвердит Cтандартную модель, которая основана на идее о том, что поле Хиггса наделяет кварки и другие фундаментальные частицы массой, либо подорвет ее основы и укажет на существование новой физики.
Как показал шестилетний период, прошедший с момента открытия бозона, регистрация этого распада бозона Хиггса является сложной задачей. Причиной тому служит наличие множества других каналов рождения b-кварков в протон-протонных столкновениях, что затрудняет выделение сигнала распада бозона Хиггса из фонового «шума», сопровождающего эти процессы. При этом, менее вероятные каналы распада бозона Хиггса, которые наблюдались во время открытия частицы, такие, как распад на пару фотонов, выделить из фоновых процессов гораздо легче.
Для выделения сигнала использовался метод комплексного анализа данных. Для этого каждая из коллабораций ATLAS и CMS объединили данные первого и второго сеанса на LHC, которые включали столкновения при энергиях 7, 8 и 13 ТэВ. В результате обе коллаборации обнаружили распад бозона Хиггса на пару b-кварков со статистической значимостью, превышающей 5 стандартных отклонений. Кроме того, обе команды измерили интенсивность распада, которая соответствует предсказанию Стандартной модели, в пределах текущей точности измерения.
«Данное наблюдение является важной вехой в исследованиях бозона Хиггса. Оно показывает, что эксперименты ATLAS и CMS достигли глубокого понимания результатов анализа собранных данных и превосходящего ожидания контроля фоновых процессов. ATLAS наблюдал все распады бозона Хиггса на тяжелые кварки и лептоны третьего поколения во всех основных каналах рождения бозона Хиггса», — сказал Карл Якобс, руководитель коллаборации ATLAS.
«С момента первого наблюдения распада бозона Хиггса на τ-лептоны в эксперименте CMS, которое случилось год назад, мы вместе с нашими коллегами из ATLAS наблюдали распад бозона Хиггса на самые тяжелые фермионы: τ-, t-кварки, а теперь и b-кварки. Превосходные возможности LHC и современные методы машинного обучения позволили нам достичь этого результата раньше, чем ожидалось», — заявил руководитель коллаборации CMS Джоэл Батлер.
Ученые Объединенного института ядерных исследований принимают активное участие в экспериментах ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере (LHC).
Свое участие в обоих экспериментах ОИЯИ начал на этапах их предварительных исследований и разработок, став впоследствии одним из основных участников как ATLAS, так и CMS.
При наличии большего количества экспериментальных данных, коллаборации смогут повысить точность этих и других измерений и исследовать распад бозона Хиггса на пары менее тяжелых фермионов — мюонов. Отклонения от предсказаний Стандартной модели, которые могут заметить ученые, изучая эти данные, будут указывать на существование физики за ее пределами.
«Эксперименты с частицей Хиггса, которая считается окном в новую физику, продолжаются. Эти блестящие результаты, полученные досрочно, выводят на первый план наши планы по модернизации LHC с целью существенного увеличения статистики. Сейчас мы можем видеть, что методы анализа дают точность, необходимую для исследования всего физического ландшафта, включая, надеюсь, новую физику, которая до сих пор остается в тени», — отметил директор Лаборатории ЦЕРН по исследованиям и вычислительной технике Экхард Элсен.
Cобытие-кандидат, зарегистрированное экспериментом CMS, демонстрирующее ассоциированное рождение бозона Хиггса (H) и Z-бозона с последующим распадом бозона Хиггса на пару b-кварка (b) и электрон-позитронную пару (e—, e+). Рисунок © CMS/ЦЕРН
Источник: Пресс-релиз ЦЕРН от 28 августа 2018
Больше информации:
Пресс-релиз коллаборации ATLAS, 28 августа 2018
Пресс-релиз коллаборации CMS, 28 августа 2018
Пресс-релиз коллаборации CMS России и стран-участниц ОИЯИ (RDMS), 28 августа 2018
«Observation of H→bb decays and VH production with the ATLAS detector», коллаборация ATLAS
«Observation of Higgs boson decay to bottom quarks», коллаборация CMS
Ученые объявили об открытии бозона Хиггса 10 лет назад. Что дальше?
Прошло десять лет с тех пор, как человечество официально открыло, что делает возможным наше существование. 4 июля 2012 года ученые объявили об обнаружении бозона Хиггса, неуловимой частицы, которая придает массу почти всем другим частицам и, таким образом, закладывает основу материи, которая формирует нас и все, что мы видим вокруг себя во Вселенной.
Эта новость взбудоражила мир и попала в заголовки международных газет. Десять лет спустя ученые объясняют, почему частицу было так трудно найти, что сделало возможным ее захват и что ждет ее в будущем.
«Хиггс тесно связан с ключевыми аспектами Вселенной. Было замечательно и удивительно, что мы смогли его обнаружить, и как много мы узнали с тех пор, но, с моей точки зрения, работа только началась», — сказал физик Дэвид Миллер, один из многих исследователей Чикагского университета, которые работали на Большом адронном коллайдере, где был открыт бозон Хиггса и где продолжаются его исследования.
«Мы не задали и половины вопросов о бозоне Хиггса».
«Охота на бекаса»«Стоит сказать, почему это заняло так много времени», — сказал физик из Чикагского университета Марк Ореглия, который насчитывает более 30 лет своей карьеры, потраченных на поиск бозона Хиггса. «Это странная частица».
Частица Хиггса — это проявление так называемого поля Хиггса — энергетического поля, которое пронизывает все во Вселенной. «Мы этого не замечаем; поле Хиггса для нас как воздух, как вода для рыб», — написал Нобелевский комитет, присуждая награду за исследование в 2013 году9.0003
Частицы, из которых мы состоим, такие как электроны и кварки, взаимодействуют с полем Хиггса, и это определяет их массу. Но хотя ученые ожидали, что должна существовать частица Хиггса, большего они не знали.
— Это было очень похоже на охоту на бекаса, — сказал Ореглиа. «Вы не знали, насколько он велик — он мог быть крошечным, а мог быть огромным. Это была одна из тех вещей, о которых ты узнаешь, когда увидишь… но ты не знаешь, где искать».
Для поиска мельчайших неизвестных частиц ученые обращаются к ускорителям. Основная идея состоит в том, что если сталкивать частицы с достаточной силой, они распадаются на мельчайшие кусочки, составляющие вселенную. Но даже когда ученые продолжали строить все более мощные ускорители, которые обнаруживали другие частицы, бозон Хиггса оставался скрытым.
Для его обнаружения потребуется Большой адронный коллайдер — самый мощный из когда-либо построенных ускорителей частиц, простирающийся на 18 миль через границу Франции и Швейцарии.
«Вот оно, вот оно» К концу 1990-х годов ученые, включая ученых из Калифорнийского университета в Чикаго и связанных с ним национальных лабораторий, Национальной ускорительной лаборатории Ферми и Аргоннской национальной лаборатории, открыли и каталогизировали 16 субатомных частиц: все предсказанные частицы, кроме бозона Хиггса. Этот процесс, по словам физика из Калифорнийского университета в Чикаго Мела Шочета, позволил ученым «сузить диапазон, в котором должен быть бозон Хиггса».
Следующим шагом было создание ускорителя, который мог бы производить и измерять частицы в этом диапазоне энергий.
В разработке, строительстве и эксплуатации Большого адронного коллайдера участвовали тысячи физиков, инженеров, механиков и сотрудников из десятков стран. БАК настолько велик, что ни одна страна не может сделать все сразу; вместо этого отдельные части ускорителя были спроектированы и построены по всему миру, а затем отправлены в Женеву для сборки.
Частицы будут отправлены в два разных эксперимента, названных ATLAS и CMS. Два эксперимента проводились как можно более раздельно, каждый со своими группами и детекторами, так что, если бы оба наблюдали это независимо друг от друга, результаты были бы еще более надежными. Чикагский университет работал над ATLAS. Ореглиа и Джим Пилчер, ныне почетный профессор физики, возглавили группу, которая построила большую часть триггера и калориметра эксперимента ATLAS — прибора, измеряющего энергию частиц, образующихся во время столкновений.
Устройства были сформированы в высоком отсеке здания физики высоких энергий в Университете Чикаго, уникальном пространстве, которое позволяет создавать такие большие компоненты.
В команду входили сотрудники двух других уникальных отделов Калифорнийского университета в Чикаго: группы разработки электроники и группы технического обслуживания, состоящих из профессиональных инженеров, которые помогали физикам воплощать проекты в жизнь. «Я могу пересчитать по пальцам одной руки количество университетов США, обладающих такими возможностями, и это было абсолютно необходимо», — сказал Ореглиа.
От планирования до появления первого света на БАК ушло 26 лет. Он начал свой первый официальный запуск в начале 2010 года. Чрезвычайно мощные магниты направляли и ускоряли пучки протонов по кольцу до тех пор, пока они не двигались почти со скоростью света, а затем сталкивали их вместе.
Если вы сталкиваете протоны друг с другом при этих чрезвычайно высоких энергиях, очень, очень, очень время от времени — примерно один раз на миллиард — в результате столкновения образуется частица бозона Хиггса.
Они существуют мельчайшие доли секунды, прежде чем распасться на другие частицы. Может быть трудно сказать, что конкретный спрей был вызван бозоном Хиггса, а не другими частицами, но, создав достаточное количество столкновений, ученые начали замечать явный выступ на своем графике.
«Внезапно все встало на свои места», — сказал Миллер. «Вот оно, — сказала Ореглия.
Результаты были обнародованы на крупной международной пресс-конференции 4 июля 2012 года.
Только началоОднако первоначальное открытие было только началом. — Теперь вы знаете массу бекаса, но хотите знать, какого он цвета, есть ли у него перья, кусается ли — все остальное, — сказал Ореглия.
За 10 лет, прошедших после объявления бозона Хиггса, исследователи использовали БАК для проведения ряда таких измерений с даже большей точностью, чем они надеялись ранее. Все эти открытия помогают уточнить наше представление о Стандартной модели физики элементарных частиц.
Ученые продолжают искать нить, которая могла бы раскрыть некоторые другие оставшиеся загадки физики, например, почему материи во Вселенной больше, чем антиматерии, и природа темной энергии и темной материи. «Любое небольшое отклонение ожидаемых свойств от Стандартной модели может стать крупным прорывом», — сказал физик из Университета Чикаго Янг-Ки Ким.
Например, возможно, что когда две частицы Хиггса сталкиваются, они создают действительно невидимые частицы, которые предсказываются как часть теории «суперсимметрии». Другая возможность состоит в том, что некоторые столкновения будут производить две частицы Хиггса вместо одной, и то, как они взаимодействуют, раскрывает новые части головоломки.
«Оказывается, это дает нам возможность измерить один из немногих оставшихся параметров Стандартной модели, который влияет на Вселенную в целом и судьбу Вселенной — то есть, насколько стабильна Вселенная», — сказал Шохет. .
Это одна из главных целей следующих «прогонов» БАК.
(Детектор периодически отключается для модернизации, чтобы увеличить интенсивность и энергию луча ускорителя.) Ореглиа, Миллер, Шочет, Ким и другие исследователи из Университета Чикаго возглавили усилия по проектированию и созданию инструментов и подходов к анализу для следующих двух запусков.
Третий запуск, который начнется в этом месяце и продлится около трех лет, может дать новые ответы на оставшиеся вопросы. Миллер работает над «триггером», частью детектора, которая проверяет все входящие данные от миллиарда столкновений в секунду и решает, что оставить.
«Ни один современный банк данных на Земле не может хранить столько информации на соответствующих скоростях», — сказал Миллер. Он и другие ученые ищут методы машинного обучения, которые могут быстро сортировать и распознавать наиболее интересные столкновения.
Тем временем команды Шочета, Кима и Ореглии также создают электронику для четвертого запуска БАК, запуск которого запланирован на 2025 год с чрезвычайно высокой интенсивностью.
Количество энергии предоставит новые возможности для изучения фундаментальных тайн, но оно также создает свои собственные проблемы.
«Устройства, которые мы создаем, должны будут поглощать довольно большое количество радиации, поэтому одна из наших задач — найти новые способы сделать электронику устойчивой к излучению по разумной цене», — сказал Ореглия.
Другие ученые Калифорнийского университета в Чикаго участвовали в создании вычислительных методов и киберинфраструктуры, необходимых для сбора и анализа данных, а также в теоретической работе, например, в предложении того, как использовать бозон Хиггса для обнаружения темной материи.
Когда-то неуловимый Хиггс сам становится инструментом, открывающим двери.
— История Хиггса еще не закончена, — сказал Ореглиа. «Будет безумно интересно увидеть, соединит ли это нас с каким-то новым миром».
Бозон Хиггса | ЦЕРН
Что такое бозон Хиггса?
В нашем нынешнем описании Природы каждая частица представляет собой волну в поле.
Наиболее знакомым примером этого является свет: свет одновременно является волной в электромагнитном поле и потоком частиц, называемых фотонами.
В случае с бозоном Хиггса на первом месте было поле. Поле Хиггса было предложено в 1964 году как поле нового типа, заполняющее всю Вселенную и придающее массу всем элементарным частицам. Бозон Хиггса — это волна в этом поле. Его открытие подтверждает существование поля Хиггса.
Как частицы приобретают массу?
Частицы получают свою массу, взаимодействуя с полем Хиггса; у них нет собственной массы.
Чем сильнее частица взаимодействует с полем Хиггса, тем тяжелее становится частица. Фотоны, например, не взаимодействуют с этим полем и поэтому не имеют массы. Однако другие элементарные частицы, включая электроны, кварки и бозоны, действительно взаимодействуют и, следовательно, имеют различные массы.
Это массообразующее взаимодействие с полем Хиггса известно как механизм Браута-Энглера-Хиггса, предложенный теоретиками Робертом Браутом, Франсуа Энглертом и Питером Хиггсом.
Как мы открыли бозон Хиггса?
Бозон Хиггса нельзя «открыть», найдя его где-то, но он должен быть создан при столкновении частиц. После создания он трансформируется — или «распадается» — в другие частицы, которые можно обнаружить в детекторах частиц.
Физики ищут следы этих частиц в данных, собранных детекторами. Проблема в том, что эти частицы также образуются во многих других процессах, плюс бозон Хиггса появляется только примерно в одном из миллиардов столкновений LHC. Но тщательный статистический анализ огромного количества данных выявил слабый сигнал частицы в 2012 г.
Откуда физики узнали, что это бозон Хиггса?
4 июля 2012 года коллаборации ATLAS и CMS объявили об открытии новой частицы в переполненном зале ЦЕРНа.
У этой частицы не было электрического заряда, она была недолговечной и, согласно теории, распадалась так же, как и бозон Хиггса. Чтобы подтвердить, действительно ли это был бозон Хиггса, физикам нужно было проверить его «спин» — бозон Хиггса — единственная частица, у которой спин равен нулю.
Изучив в два с половиной раза больше данных, в марте 2013 года они пришли к выводу, что действительно был обнаружен какой-то вид бозона Хиггса.
Чему мы научились после открытия бозона Хиггса?
Открытие бозона Хиггса было только началом. Спустя десять лет физики изучили, насколько сильно он взаимодействует с другими частицами, чтобы увидеть, соответствует ли это теоретическим предсказаниям.
Силу взаимодействия можно измерить экспериментально, наблюдая за образованием и распадом бозона Хиггса: чем тяжелее частица, тем больше вероятность того, что бозон Хиггса распадется или образуется из нее. Взаимодействие с тау-лептонами было открыто в 2016 г., а взаимодействие с верхними и нижними кварками — в 2018 году.
Но еще многое предстоит узнать об этой неуловимой частице.
Что будем искать дальше?
Нам еще многое предстоит узнать о бозоне Хиггса.
Это единственный в своем роде или существует целый хиггсовский сектор частиц? Помогает ли это объяснить, как образовалась Вселенная, когда материя восторжествовала над антиматерией? Получает ли он свою массу, каким-то образом взаимодействуя сам с собой? И почему его масса так мала, что предполагает существование совершенно нового механизма.