10 лет со дня открытия бозона Хиггса
Фото 1. П.Хиггс
Фото 2: Т. Киббле, Дж. Гуралник, Дж. Хаген, Ф. Энглер, Р. Браут. Авторы механизма спонтанного нарушения симметрии вакуума, следствием которого является появление бозона Хиггса.
Фото 3: Графики из статей коллабораций ATLAS и CMS, свидетельствующих об открытии бозона Хиггса.
Понедельник, 04 июля 2022
4 июля 2012 года в ЦЕРН (Женева) экспериментами ATLAS и CMS Большого адронного коллайдера (БАК) было объявлено об открытии новой частицы, которая оказалась бозоном Хиггса Стандартной модели (СМ). Это ознаменовало новую эпоху в фундаментальной физике: завершены почти полувековые поиски, казалось бы, неуловимой частицы, которая была последней в ряду уже давно известных элементарных частиц СМ, сформулированной еще во второй половине 1960-х.
Объявление коллаборациями ATLAS и CMS 4-го июля 2012 г. в ЦЕРН об эпохальном открытии бозона Хиггса не только произвело фурор в мировом физическом сообществе и имело широкий общественный резонанс. Впервые, после почти 50-летних поисков, была, наконец, открыта необычная частица, являющаяся квантом вакуумного поля и обеспечивающая массу всем известным массивным элементарным частицам.
Теория, составляющая сейчас основу Стандартной модели (СМ), была предложена в 1960-х гг. для объединения электромагнитных и слабых взаимодействий, и имела в то время существенную и, казалось бы, нерешаемую проблему. С одной стороны, теоретический принцип локальной калибровочной инвариантности требовал безмассовости калибровочных векторных бозонов, аналогично фотону, а с другой, экспериментальные данные указывали на то, что они должны иметь огромную массу: в десятки раз превышающую массу протона – самой тяжелой из известных на то время элементарных частиц. Элегантный, но весьма нетривиальный выход предложили Р. Браут, Ф. Энглер, П. Хиггс, а также К. Хаген, Дж. Гуралник и Т. Киббл в 1964 г. Предложенный ими подход получения массы калибровочными векторными бозонами основывался на механизме спонтанного нарушения симметрии, который предложили в физике конденсированного состояния Л.Д. Ландау, В.Л. Гинзбург, Дж. Бардин, Л. Купер, Дж. Шриффер, Н.Н. Боголюбов, и затем разрабатывался в квантовой теории поля Ю.
Начиная с 1964 г. проводились безуспешные экспериментальные поиски найти бозон Хиггса, непрекращающиеся попытки теоретиков обойтись без него, а также исключительная роль этой частицы в современной физике фундаментальных взаимодействий сделали ее легендарной. Сотни тысяч физиков по всему миру наблюдали по телевидению и интернету объявление в ЦЕРН об открытии бозона Хиггса коллаборациями ATLAS и CMS после полутора лет с начала работы Большого адронного коллайдера (БАК). За теоретическое предсказание бозона Хиггса Ф. Энглер и П.
Хиггс были удостоены Нобелевской премии 2013 г.
Бозон Хиггса дал физикам огромное поле для исследований, будучи квантом вакуума, бозон Хиггса может оказаться порталом в еще неизвестный мир за пределами СМ. Изучение свойств бозона Хиггса, поиски его распадов, в частности, на частицы Темной материи, является одним из ключевых направлений исследований на БАК и будущих коллайдерах. Уже 5 июля 2022 г. начинается новый 3 Сеанс БАК, где на увеличенной до 13.6 ТэВ энергии столкновений протонов, будут проводиться новые исследования свойств бозона Хиггса и поиски проявлений Новой физики за пределами СМ.
Сотрудники Отделения физики высоких энергий (ОФВЭ) НИЦ КИ – ПИЯФ принимают активное участие в исследованиях CMS и ATLAS, являясь частью большой международной команды. Физики и инженеры ОФВЭ внесли и вносят большой вклад как в проектирование, строительство, эксплуатацию и модернизацию этих экспериментальных установок, так и в обработку и анализ экспериментальных данных. 20 сотрудников ОФВЭ являются соавторами открытия бозона Хиггса.
Десять лет с бозоном Хиггса. Почему радость из-за этого открытия постепенно меркнет?
Большой адронный коллайдер
© Loona/Abaca via Reuters
Ровно десять лет назад две группы ученых, работавшие на Большом адронном коллайдере, сообщили долгожданную новость. Им удалось обнаружить бозон Хиггса — частицу, существование которой было предсказано еще в 1960-х годах, последнее недостающее звено Стандартной модели. На этом открытии закончилась целая глава в физике элементарных частиц. Однако новая так и не началась
Что вообще такое бозон Хиггса?
Живший две с половиной тысячи лет назад грек Демокрит полагал, что все состоит из неделимых элементов — атомов. По-видимому, он был прав. Но то, что мы сегодня называем атомами, на самом деле имеет структуру: ядро и электроны вокруг него. В свою очередь, ядро состоит из протонов и нейтронов, а те — из кварков. У кварков же, насколько известно, структуры нет: они не состоят еще из чего-то.
Точно так же силы природы, например трения или выталкивания, можно вывести из фундаментальных взаимодействий. У трех из четырех этих взаимодействий есть частицы-переносчики (исключение — гравитация, но некоторые физики надеются, что просто плохо искали). Эти частицы, как кварки или электроны, тоже не получается разделить на составляющие, поэтому их называют элементарными.
Элементарные частицы в каком-то роде иллюзорны. Историк науки Дмитрий Баюк предлагает вообразить гребень волны: “Если вы летите на вертолете и смотрите на море, то вам может показаться, что нет разницы между гребешком волны и корабликом. Потом вы можете сделать вывод, что есть гребешки, а есть кораблики. В некий момент вы открываете для себя, что нет никаких корабликов — все это гребешки: просто вода в море есть в разных видах. Тем не менее это одна и та же вода. Когда в ней возникают гребешки, то они воспринимаются нашими органами чувств и ведут себя как что-то твердое. [Точно так же] то, что мы воспринимаем как материальную частицу, — это некое элементарное возбуждение поля”.
С этой точки зрения нет четкой границы между материей и полем, материей и энергией.
Для понимания устройства Вселенной нужно разобраться, какими свойствами обладают элементарные частицы (и соответствующие им поля) и как они влияют друг на друга. Всего есть 12 частиц материи, столько же античастиц и четыре переносчика взаимодействий: глюон — сильного, фотон — электромагнитного, W- и Z-бозоны — слабого. Вместе они входят в так называемую Стандартную модель и, расположенные рядом друг с другом, напоминают таблицу Менделеева для — насколько известно — самого глубокого уровня мироздания.
Стандартную модель закончили формулировать в 1970-х годах. В те времена были открыты еще не все входящие в нее частицы, но к началу XXI века осталась всего одна, существование которой не подтвердилось экспериментально, — стоящий особняком бозон Хиггса.
На эту тему
“На базовом уровне до эпохи Стандартной модели в теорию входили безмассовые частицы. Но нам известно, что у частиц масса есть.
Чтобы “придать” им ее, можно записать в уравнения массивные члены, но, во-первых, это некрасиво и выглядит искусственно, во-вторых, приводит к внутренним проблемам теории. [Вместо этого] в Стандартной модели был предложен механизм динамического приобретения массы — дополнительное поле, которое взаимодействует с безмассовыми частицами”, — объясняет Сергей Шматов из Объединенного института ядерных исследований в Дубне.
Бозон Хиггса — частица этого поля. Найти бозон Хиггса — значит подтвердить наличие постулированного поля и механизм нарушения симметрии между электромагнитными и слабыми взаимодействиями. Фактически с бозоном Хиггса можно описать два взаимодействия — электромагнитное и слабое — как одно, электрослабое. Иначе получилась бы нестыковка: у частицы электромагнитного взаимодействия, фотона, нет массы, у W- и Z-бозонов, переносчиков слабого, она есть. Такой подход — часть большого проекта в физике по объединению всех четырех сил природы, поиску более простой и совершенной теории.
Как открыли бозон Хиггса?
“Вы не можете увидеть бозон Хиггса. Строго говоря, вы даже не можете увидеть его трек в чем-нибудь типа камеры Вильсона. Вы видите вторичные эффекты. Как любят говорить популяризаторы, мы не видим кошку — мы, просыпаясь утром, видим опрокинутую миску с молоком и отпечатки мокрых лап на ковре. По отпечаткам мы можем определить вес кошки, по количеству выпитого молока — размер, ее аппетит, сколько она не ела”, — объясняет Дмитрий Баюк.
Чтобы бозон Хиггса возник и его следы можно было засечь, нужно много энергии: это весьма массивная частица. Энергию “закачивают” в пучки других частиц, которые, сталкиваясь, разлетаются на “осколки”, а те попадают в детекторы. Среди этих “осколков” могли быть и признаки бозона Хиггса, но десятилетиями об этом не получалось говорить с уверенностью.
Про ускоритель частиц, который позволил бы справиться с этой задачей, физики раздумывали с начала 1980-х годов, а в середине 1990-х Европейская организация по ядерным исследованиям (ЦЕРН) одобрила строительство Большого адронного коллайдера (БАК) — ускорителя, каких еще не было.
БАК представляет собой кольцевой тоннель длиной почти 27 км глубоко под землей на границе Швейцарии и Франции. Внутри установлены тысячи сверхпроводящих магнитов, система охлаждения с жидким гелием и несколько детекторов. Магниты направляют встречные пучки протонов, разогнанных до околосветовой скорости. Первое время на питание установок требовалось 600 ГВт·ч электроэнергии в год — всего в пять раз меньше, чем всей Женеве вместе с окрестностями. Далее энергопотребление выросло еще сильнее.
На эту тему
Первый пуск состоялся в сентябре 2008-го, а эксперименты начались в конце 2009 года. Данные о столкновениях протонов собирали и проверяли две коллаборации ученых примерно по 3 тыс. человек. В одной из них участвовал Сергей Шматов. “Мы знали, что открытие назревает. Но чтобы быть уверенными, что оно состоялось, сигнал должен значительно возвышаться над фоном. Требование заключалось в том, чтобы вероятность случайной флуктуации этого самого фона, которая может имитировать сигнал, была меньше 10-6.
Подобная статистическая значимость достигается по мере накопления данных, и мы видели, что приближаемся к этой отметке”, — вспоминает он.
По словам Сергея Шматова, сначала было непонятно, что за частицу нашли они с коллегами, — нужно было исследовать ее свойства. Это заняло около года. Об открытии объявили 4 июля 2012-го, а то, что это именно бозон Хиггса Стандартной модели, стало понятно только во второй половине 2013 года (спустя десять лет нет никаких указаний, что свойства новой частицы отличаются от предсказаний Стандартной модели). Даже в ЦЕРНе многие удивились, что это удалось сделать так быстро.
Почему физикам мало одного бозона Хиггса?
По оценке Forbes, на обнаружение бозона Хиггса потратили $13,25 млрд. Модернизация и эксплуатация БАК до середины 2030-х годов обойдется еще дороже. Ученые рассчитывали, что прежде неуловимая частица — это только начало. В книге “Уродливая Вселенная” физик-теоретик Сабина Хоссенфельдер писала: “Мои коллеги и я возлагали большие надежды на проект, стоивший миллиарды долларов, — рассчитывали, что он сделает нечто большее, чем просто подтвердит то, в чем никто и не сомневался.
Мы обнаружили несколько многообещающих “трещин в фундаменте”, убедивших нас, что Большой адронный коллайдер породит также другие, пока неизвестные частицы. Мы ошиблись. Большой адронный коллайдер не увидел ничего, что подкрепило бы наши новоизобретенные законы природы”.
Законы, которые упоминает Хоссенфельдер, — надстройки к Стандартной модели. Проблема Стандартной модели заключается в том, что результаты большинства экспериментов с ней согласуются, но в ее рамках невозможно ответить на многие вопросы о мироздании. Что такое темная материя и темная энергия? Почему материи больше, чем антиматерии? Как связать гравитацию с остальными фундаментальными взаимодействиями? Почему частицы обладают разной массой? Стандартная модель одновременно хороша и плоха.
На эту тему
“Физики искали другие частицы, другие бозоны Хиггса, ведь в ряде теорий за рамками Стандартной модели бозонов Хиггса может быть несколько. Их искали в различных массовых диапазонах, различных каналах, в предположении их различных свойств и ничего не нашли.
Также ряд теорий предсказывает существование новых явлений, которые могут быть обнаружены по сигналам, в которых участвует бозон Хиггса. Это могут быть дополнительные частицы, распадающиеся на стандартный бозон Хиггса, если их масса больше, чем масса самого бозона. Либо сам стандартный бозон Хиггса распадается на новые частицы, если масса этих частиц меньше. Постепенно он превратился из объекта изучения в инструмент для поиска новой физики и исследования свойств взаимодействия элементарных частиц”, — говорит Сергей Шматов.
Те, кто все еще надеется найти новые частицы, предлагают строить ускорители еще больше и мощнее, чем БАК. Один такой проект — 100-километровый кольцевой коллайдер все под тем же ЦЕРНом. Критики на это говорят, что подобный проект займет десятилетия, обойдется в сумму, сравнимую с годовым ВВП маленькой страны, а главное — не позволит как следует проверить новые теории.
Физик Марвин Маршак, исследующий нейтрино, в комментарии для Science недавно сказал про ученых, которые работают на БАК: “Они приближаются к пустыне и не знают, насколько она велика”.
Сергей Шматов разделяет эти опасения, но напоминает, что физика частиц не ограничивается экспериментами на коллайдерах: “У нас есть великолепные данные с сигналами из космоса. Чего стоит только открытие гравитационных волн! Но проблема, безусловно, есть, и эту проблему надо будет как-то решать”.
Марат Кузаев
Бозон Хиггса: знаменательное открытие
Знаменательное открытие
- Обнаружить
- Физика
- Бозон Хиггса: эпохальное открытие
Что такое бозон Хиггса и зачем он нужен?
Физики описывают взаимодействие частиц, используя математику квантовой теории поля, в которой силы переносятся промежуточными частицами, называемыми бозонами.
Фотоны, например, являются бозонами, несущими электромагнитную силу. В 1964 году единственная математически непротиворечивая теория требовала, чтобы бозоны были безмассовыми. Однако эксперименты показали, что носители слабого ядерного взаимодействия — бозоны W и Z — имеют большие массы. Чтобы решить эту проблему, три группы теоретиков: Роберт Браут и Франсуа Энглер; Питер Хиггс; Джеральд Гуральник, Карл Хаген и Том Киббл независимо друг от друга предложили решение, которое теперь называется механизмом Браута-Энглерта-Хиггса (BEH).
Механизм BEH требует присутствия во Вселенной нового поля, которое придает массу некоторым бозонам. Существование этого поля может быть подтверждено открытием связанной с ним частицы – бозона Хиггса. 4 июля 2012 года эксперименты ATLAS и CMS в ЦЕРН объявили, что они независимо наблюдали новую частицу с массой около 125 ГэВ: частицу, соответствующую бозону Хиггса. 8 октября 2013 года Нобелевская премия по физике
0021 за теоретическое открытие механизма, который способствует нашему пониманию происхождения массы субатомных частиц и который недавно был подтвержден открытием предсказанной фундаментальной частицы в экспериментах ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере CERN ».Открытие бозона Хиггса открыло новые возможности для поиска новых физических явлений, поскольку его свойства и даже количество различных типов бозона Хиггса предсказываются разными в разных теоретических моделях.Суперсимметрия, например. , предсказывает существование по крайней мере пяти различных типов бозонов Хиггса. Многие теории также предсказывают, что бозон Хиггса играет решающую роль в возникновении новых явлений, таких как темная материя на LHC. Бозоны Хиггса теперь становятся инструментом для физиков, изучающих свойства частиц, созданных вместе с бозоном Хиггса в поисках новых открытий.
Сохранится ли Стандартная модель после точных измерений БАК или появится улучшенная модель? Только продолжая исследования и получая больше данных, физики смогут ответить на этот вопрос.
Чему мы научились с момента открытия?
Сразу же после открытия физики начали изучать свойства новооткрытой частицы, чтобы понять, бозон Хиггса Стандартной модели или что-то другое. Сначала пришло подтверждение массы бозона Хиггса: последний неизвестный параметр Стандартной модели. Это был один из первых измеренных параметров, который оказался примерно равным 125 ГэВ (примерно в 130 раз больше массы протона). С такой массой бозон Хиггса может распадаться несколькими способами.
Параметр, пропорциональный силе связи бозона Хиггса (вертикальная ось) в зависимости от массы частицы (горизонтальная ось) (Изображение: ATLAS Experiment/CERN) Открытие бозона Хиггса открыло целую новую область физики элементарных частиц, поскольку исследователи начали изучать его свойства . В Стандартной модели 
Спин и четность измерялись с помощью угловых корреляций между частицами, на которые он распался. Конечно же, эти свойства оказались такими, как было предсказано. В этот момент физики стали называть его «бозоном Хиггса». Еще предстоит выяснить, является ли это единственным бозоном Хиггса или одним из многих, например, предсказанных суперсимметрией. Некоторые теории, предсказывающие наличие дополнительных бозонов Хиггса, уже исключены, но другим теориям потребуется больше данных для проверки их предсказаний.
Изучая образование и распад бозона Хиггса, физики ATLAS подтвердили, что бозон Хиггса взаимодействует как с бозонами, так и с фермионами (последними являются частицы, составляющие материю), подтвердив предсказание Стандартной модели о том, что элементарные частицы приобретают массу через всепроникающее поле Хиггса .
Открытие бозона Хиггса основывалось на измерениях его распада на векторные бозоны: фотон, W и Z. Существование таких взаимодействий предоставило важные доказательства того, что в нашей Вселенной произошел процесс, известный как спонтанное нарушение электрослабой симметрии.
и является ключевым предсказанием теории механизма БЭХ. Однако измерений такого рода было недостаточно, чтобы дать полную картину свойств бозона Хиггса. В Стандартной модели взаимодействия бозона Хиггса с фермионами и бозонами определяются различными типами взаимодействий, поэтому присутствие новой неоткрытой физики может повлиять на них по-разному.
Первым прямым исследованием фермионных взаимодействий был распад на тау-частицы, который наблюдался в сочетании результатов ATLAS и CMS, выполненных в конце запуска 1. Во время запуска 2 увеличение энергии центра масс до 13 ТэВ и больший набор данных позволили исследовать дополнительные каналы. Впоследствии было обнаружено, что бозон Хиггса распадается на нижние кварки и рождается вместе с верхними кварками. Совсем недавно были сделаны первые измерения связи бозона Хиггса с фермионами второго поколения, такими как очарованный кварк и мюон. В настоящее время четко установлено взаимодействие бозона Хиггса с частицами вещества.
Одним из наиболее наглядных способов обобщить текущее понимание связи бозона Хиггса с другими частицами является сравнение силы его взаимодействия с массой частиц Стандартной модели (см. рисунок слева). Отсюда ясно видно, что сила взаимодействия (вертикальная ось) зависит от массы частицы (горизонтальная ось): чем тяжелее частица, тем сильнее ее взаимодействие с полем Хиггса . Это одно из основных предсказаний механизма BEH в Стандартной модели.
Можно ли использовать бозон Хиггса в качестве инструмента для будущих открытий?
Теория, лежащая в основе механизма Хиггса, делает подробные предсказания о свойствах бозона Хиггса, которые проверяются ATLAS. К ним относятся измерения скорости образования и распада бозона Хиггса в зависимости от свойств этих событий столкновения. (Изображение: ATLAS Experiment/CERN) Связь между силой связи бозона Хиггса и массой частицы — не единственное свойство его взаимодействий, которое физики хотят понять.
Более крупные наборы данных, собранные с момента первоначального открытия, и данные, которые еще предстоит записать, теперь позволяют проводить подробные и точные измерения частоты образования и распада бозона Хиггса с помощью различных механизмов.
На рисунке справа показаны лишь некоторые из выполненных измерений скорости образования и распада бозона Хиггса (вертикальные оси). Любые отклонения от предсказаний Стандартной модели могут указывать на то, что наше понимание бозона Хиггса является неполным.
Глядя на движение частиц при распаде бозона Хиггса, например, на углы между образовавшимися частицами, можно проверить другие свойства взаимодействия бозона Хиггса. Такие методы использовались для изучения того, проявляют ли взаимодействия Хиггса с тау-частицами асимметрию зарядовой четности и, таким образом, играет ли бозон Хиггса особую роль в объясняет, почему материи в нашей Вселенной гораздо больше, чем антиматерии .
Одним из пока еще ненаблюдаемых взаимодействий, предсказанных для бозона Хиггса, является его самодействие, при котором бозоны Хиггса взаимодействуют друг с другом.
Это чрезвычайно редкий процесс на БАК, и, по прогнозам, для его наблюдения потребуется гораздо больше данных, чем регистрируется в настоящее время. Этот процесс позволяет исследовать новые явления, которые, согласно предсказаниям, взаимодействуют только с бозоном Хиггса, но также, что крайне важно, впервые позволит провести тестов свойств самого поля Хиггса 9 .0018 .
Физики не просто пытаются проверить, согласуются ли свойства бозона Хиггса со свойствами, предсказанными Стандартной моделью, — они теперь также используют бозон Хиггса в качестве инструмента для поиска свидетельство новой физики!
Поскольку измерение связи бозона Хиггса с известными частицами уже установлено, в настоящее время проводится всесторонняя программа поиска с использованием того, что мы знаем о бозоне Хиггса до изучают теории, предсказывающие появление новых частиц в результате распада бозона Хиггса или одновременно с ним.
Проводятся измерения, проверяющие теории, которые предсказывают распады бозона Хиггса на комбинации частиц, запрещенные в Стандартной модели, или устанавливающие строгие ограничения для теорий, которые предсказывают появление новых частиц при распаде бозона Хиггса (см. рисунок здесь).
Особая загадка, для исследования которой используется бозон Хиггса, — тайна темной материи. Поскольку темная материя имеет массу, механизм BEH говорит нам, что бозон Хиггса должен с ней взаимодействовать. Физики используют эти знания как для поиска темной материи, образованной вместе с бозонами Хиггса в БАК, так и, ограничивая скорость распада бозона Хиггса на невидимые или ненаблюдаемые частицы, для поиска темной материи, образованной самими бозонами Хиггса. Эти поиски поставили сильные ограничения на теории взаимодействия темной материи с нормальной материей (см. рисунок слева). До сих пор ни один из этих поисков не нашел ничего неожиданного, но поиск все еще продолжается, и еще многое предстоит изучить!
Основные моменты исследования ATLAS бозона Хиггса
Бозон Хиггса, обнаруженный 10 лет назад, продолжает привлекать внимание
При покупке по ссылкам на нашем сайте мы можем получать партнерскую комиссию.
Вот как это работает.
Десять лет назад ликующие физики, работающие над самым мощным в мире научным экспериментом, Большим адронным коллайдером (БАК) в ЦЕРНе, объявили об открытии бозона Хиггса — частицы, которую ученые искали с 1964 года, когда о ее существовании стало известно впервые. предсказано.
«Для физиков частиц бозон Хиггса был недостающей частью Стандартной модели», — сказала Space.com Виктория Мартин, профессор физики элементарных частиц в Эдинбургском университете в Великобритании.
Несмотря на то, что Большой адронный коллайдер выполняет широкий круг задач, поиск бозона Хиггса был его главным приоритетом, когда он был введен в эксплуатацию в 2010 году. Два ключевых эксперимента БАК — ATLAS (тороидальный аппарат LHC) и CMS (компактный Muon Solenoid) — обнаружил бозон Хиггса всего за два года после начала работы.
«Мы не ожидали увидеть бозон Хиггса так быстро», — заявила генеральный директор ЦЕРН Фабиола Джанотти на предварительной пресс-конференции, состоявшейся в четверг (30 июня). По ее словам, именно превосходная вычислительная инфраструктура БАК, примененная к экспериментам, которые работали лучше, чем их проектные спецификации, — свидетельство многолетней напряженной работы, вложенной в создание БАК, — ускорила открытие бозона Хиггса.
Связанные : 10 космических тайн, которые Большой адронный коллайдер может разгадать
Подробнее : Наше первоначальное освещение открытия Хиггса
Тайна массы частиц изменила мир
Хиггс 90 открывая двери, которые были захлопнуты до его обнаружения.«За последние 10 лет физика элементарных частиц изменилась больше, чем за предыдущие 30 лет», — заявил на мероприятии Джан Джудиче, глава отдела теоретической физики ЦЕРНа.
Бозон Хиггса важен, потому что он несет силу энергетического поля, известного как поле Хиггса, во многом так же, как фотон несет силу электромагнитного поля.
“Поле более фундаментально, чем частицы”, сказал Мартин. «Он проникает сквозь пространство и время». Именно взаимодействие между определенными частицами и бозоном Хиггса, представляющим поле Хиггса, придает этим частицам их массу.
“За последние 10 лет физика элементарных частиц изменилась больше, чем за предыдущие 30 лет.”
— Джан Джудиче
Можно представить поле Хиггса как своего рода космическую патоку, которая замедляет одни частицы больше, чем другие. Менее массивные частицы проходят через поле Хиггса относительно легко и поэтому могут разлетаться со скоростью света — подумайте о электронах , которые имеют крошечную массу, или о фотонах, которые вообще не имеют массы. Для других частиц пробирание через космическую патоку поля Хиггса замедляет их, придавая им большую массу, и поэтому эти частицы являются самыми массивными.
Ученые считают, что, как и эти частицы, — хотя им еще предстоит наблюдать за процессом, — что бозон Хиггса также получает свою массу от взаимодействия с самим собой.
А измерения на LHC показали, что бозон Хиггса также имеет большую массу: 125 миллиардов электронвольт, что примерно в 125 раз больше, чем у одного из положительно заряженных протонов в ядре атома. (Благодаря специальной теории относительности Эйнштейна физики элементарных частиц знают, что масса и энергия взаимозаменяемы, и поэтому относятся к массам с точки зрения их энергии.) Только одна известная науке фундаментальная частица является более массивной.
Открытие бозона Хиггса и измерение его массы было только началом. «Последние 10 лет мы тестировали бозон Хиггса, потому что его открытие — это одно, но Стандартная модель также многое говорит нам о том, как должен вести себя бозон Хиггса», — сказал Мартин.
Прибор ATLAS на Большом адронном коллайдере. (Изображение предоставлено CERN/Claudia Marcelloni/Max Brice)Экзистенциальный вопрос
Во-первых, квантовый спин бозона Хиггса — или его отсутствие — может дать представление о том, почему наши 9Вселенная 0091 даже существует.
Каждая известная частица имеет квантовый спин, кроме бозона Хиггса. Стандартная модель физики элементарных частиц предсказала эту странность, так что это неудивительно, но ученые, в том числе Мартин и ее исследовательская группа, продолжали попытки измерить спин бозона Хиггса, чтобы проверить Стандартную модель. До сих пор они не нашли никаких доказательств того, что это имеет какой-либо смысл.
Причина, по которой у бозона Хиггса нет спина, в отличие от любой другой известной частицы, заключается в природе поля Хиггса. В отличие от гравитационного и электромагнитного полей, у которых есть очевидные источники, такие как масса объекта или электрический ток, проходящий через магнитные поля, поле Хиггса не имеет источника. Это просто там, нелокализованная часть космоса, пронизывающая все. Как таковая она связана с «вакуумом», самой тканью пространство-время , и поэтому поле разделяет свойства вакуума. Вакуум не имеет квантового спина, а значит, и бозон Хиггса тоже.
Однако вакуум не инертен. Частицы появляются и исчезают благодаря квантовым флуктуациям, повышая уровень энергии вакуума выше его минимально возможного состояния. С энергетическими уровнями дело в том, что объект — будь то человек в гравитационном поле, электрон, вращающийся вокруг ядра атома, или вакуум — всегда предпочитает находиться на минимально возможном энергетическом уровне. Но наша вселенная — нет. Что удерживает Вселенную от того, чтобы поддаться неизбежному стремлению понизить энергетические уровни, так это форма того, что ученые характеризуют как энергетический потенциал поля Хиггса.
График этого энергетического потенциала будет выглядеть как “гора” посередине и две “долины”, окруженные “холмами” по бокам. Энергетический уровень вакуума должен лежать в одной из этих долин, но физики сильно подозревают, что по обеим сторонам этих холмов есть еще более глубокие «долины», представляющие еще более низкие энергетические состояния. И измерение массы бозона Хиггса подтверждает эту идею; частица настолько велика, что предполагает, что поле Хиггса может однажды распасться до более низкого энергетического уровня.
«Бозон Хиггса — это очень точный микроскоп для изучения природы в самых маленьких масштабах, и в то же время это огромный телескоп для доступа к физике в очень высоких масштабах энергии».
— Фабиола Джанотти
По этой причине физики называют наш вакуум «ложным» вакуумом, потому что он «хочет» распасться до более низкой энергии — «настоящего» вакуума. Долины и холмы энергетического потенциала поля Хиггса удерживают нашу Вселенную в этом ложном вакууме достаточно долго, чтобы сформировались планеты, звезды и галактики.
Однако эоны за эонами времени ложный вакуум по своей природе нестабилен и в конце концов распадется. Возможно, флуктуации квантовой энергии позволят ложному вакууму взобраться на эти «холмы» и скатиться вниз по склону на другой стороне, или, может быть, странное явление квантового туннелирования позволит ему просверлить «холм», который является энергетическим барьером.
Как бы то ни было, это было бы плохо для Вселенной — распад ложного вакуума распространялся бы наружу волной, движущейся со скоростью света, уничтожая все и заменяя все это истинным вакуумом.
–22 секунды, прежде чем разбивает на более субатомные частицы. Однако этот расчет еще не получил экспериментальной проверки. «Это происходит так быстро, — сказал Мартин.
Физики надеются, что следующая фаза работы БАК, получившая название Run 3 и начинающаяся во вторник (5 июля), послужит долгожданным секундомером.
«Мы надеемся, что косвенным образом сможем измерить, как долго живет бозон Хиггса, — сказал Мартин. «Если мы сможем измерить время жизни, это даст нам больше ограничений на то, какими частицами является бозон Хиггса.0091 распадается на . бозон Хиггса как важнейший инструмент для исследования глубочайших тайн физики элементарных частиц. Бозон Хиггса — это очень точный микроскоп для изучения природы в мельчайших масштабах, и в то же время это огромный телескоп для доступа к физике при очень высоких энергиях. весы, — сказала она.0003
Открытие бозона Хиггса не только позволило физикам вычеркнуть еще одну частицу из списка. Само его существование и его поведение вызывают вопросы о некоторых из самых глубоких областей фундаментальной физики: о структуре материи во Вселенной, о судьбе Вселенной, о том, стабильна ли Вселенная и о том, как элементарные частицы связаны друг с другом.
Истории по теме:
Однако бозон Хиггса продолжает скрывать свои секреты. «Все, что мы видели до сих пор, кажется именно тем, что предсказывала Стандартная модель», — сказал Мартин. «Хотя это интересно, это также немного разочаровывает, потому что мы надеялись, что бозон Хиггса может помочь нам увидеть выходит за рамки Стандартной модели .”
Далекий от нарушения правил и разрушения физики, выход за пределы Стандартной модели необходим для объяснения явлений, которые не вписываются, таких как темная материя, или открытия дверей в новую физику, таких как суперсимметрия . Вот почему, после четырех лет обновлений, БАК снова приступает к разгадке тайн бозона Хиггса.0022 @Spacedotcom и на Facebook .
Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: community@space.