Бозон хиггса

Бозон Хиггса простым языком

Бозон Хиггса, если говорить простым языком, это переносчик вза­и­мо­дей­с­т­вия, при­да­ю­щий массу эле­мен­тар­ным час­ти­цам . Да, по­лу­чи­лось не очень просто! Но суть именно такова. Дело в том, что эле­мен­тар­ные час­ти­цы делятся на ве­щест­во и пе­ре­нос­чи­ки его вза­и­мо­дей­с­т­вия – бозоны. Есть бозоны слабого и силь­но­го ядерного вза­и­мо­дей­с­т­вия, бозон гра­ви­та­ции и бозон света. И есть вещество. К нему от­но­сят­ся кварки, лептоны и бозоны . А особ­ня­ком стоит бозон Хиггса. И его су­щест­во­ва­ние уже не просто пред­с­ка­за­но Стан­дарт­ной мо­де­лью, а является экс­пе­ри­мен­таль­но до­ка­зан­ным фактом . Но что же та­кое бозон Хиггса простым языком?

И, как ни странно, легче всего это объяснить через понятие ва­ку­у­ма. Поскольку, воп­ре­ки обы­ва­тель­с­ко­му пред­с­тав­ле­нию, вакуум, на самом деле, не пуст. В вакууме пос­то­ян­но воз­ни­ка­ют и исчезают частицы . Но они на­зы­ва­ют­ся вир­ту­аль­ны­ми, потому что у них нет массы. А по­лу­ча­ют они массу пос­ред­с­т­вом вза­и­мо­дей­с­т­вия с полем бозона Хиггса . И про­ис­хо­дит это бла­го­да­ря тому, что ва­ку­ум поля бозона Хиггса не ну­ле­вой . То есть в вакууме поля бозона Хиггса пос­то­ян­но су­щест­ву­ет разница по­тен­ци­а­лов энергии. А в ва­ку­у­ме полей ос­таль­ных эле­мен­тар­ных частиц разница по­тен­ци­а­лов от­сут­с­т­ву­ет . И именно поэтому у них нет массы.

Тут уместно сказать о том, что эле­мен­тар­ные частицы не яв­ля­ют­ся ша­ри­ка­ми. На самом деле, «час­ти­ца» – это ко­леб­лю­щий­ся кусочек поля . Так вот, бозон Хиггса простым языком яв­ля­ет­ся тем полем, которое вза­и­мо­дей­с­т­ву­ет с другими по­ля­ми, при­да­вая им массу. Или, ещё проще, это обя­за­тель­ное ус­ло­вие воз­мож­нос­ти су­щест­во­ва­ния нашего мира в рам­ках теории, опи­сан­ной Стан­дарт­ной мо­де­лью. Без бозона Хиггса не­воз­мож­но су­щест­во­ва­ние ма­те­ри­аль­ной все­лен­ной. Вот почему так важно было его найти, под­т­вер­див экс­пе­ри­мен­таль­но его су­щест­во­ва­ние. Просто потому, что без него Стан­дарт­ная модель не может ра­бо­тать. А Стан­дарт­ная модель яв­ля­ет­ся хоть и не полной, но лучшей опи­са­тель­ной моделью физики эле­мен­тар­ных частиц, из су­щест­ву­ю­щих на се­год­няш­ний день!

9 июля 2018 года на Большом адронном кол­лай­де­ре, наконец, удалось надёжно за­фик­си­ро­вать распад бозона Хиггса на пре­лест­ный кварк и пре­лест­ный ан­ти­кварк . И на этом ис­сле­до­ва­ния ос­нов­ных каналов распада бозона Хиггса, пред­с­ка­зан­ные Стан­дарт­ной моделью, можно считать за­кон­чен­ны­ми. А для прод­ви­же­ния даль­ше всё более и более не­об­хо­ди­мой ста­но­вит­ся физика за пре­де­ла­ми Стан­дарт­ной модели. Но тут ни о бозоне Хиггса простым языком, ни о чём-ли­бо дру­гом просто го­во­рить не по­лу­чит­ся. Да и такой цели в рам­ках этой статьи нет! Лучше оз­на­комь­тесь со схе­ма­ти­чес­ким изоб­ра­же­ни­ем Стан­дарт­ной модели.

sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269312008581

Бозон Хиггса

Бозон Хиггса (H0
)


Моделирование, показывающее появление бозона Хиггса при столкновении двух протонов

Состав

Элементарная частица

Семья

Бозон

Участвует во взаимодействиях

Слабое, гравитационное

Античастица

нейтрален

Масса

125,26±0,21 ГэВ/c2

Время жизни

1,56⋅10-22 с (предсказание Стандартной модели), ≥ 10-24 с (эксперимент)

Ширина распада

< 13 МэВ

Каналы распада

Пара b-кварк-b-антикварк, два фотона, W- и Z-бозоны, два тау-лептона

В честь кого или чего названа

Питер Хиггс

Квантовые числа

Электрический заряд

Цветной заряд

Спин

0 ħ

Чётность

+1 (предварительно подтверждена на 125 ГэВ)

Теоретически обоснована

1964 год (Питер Хиггс)

Обнаружена

2012 год (ЦЕРН)

Бозо́н Хи́ггса, хи́ггсовский бозо́н, хиггсо́н (англ. Higgs boson) — элементарная частица (бозон), квант поля Хиггса, с необходимостью возникающий в Стандартной модели физики элементарных частиц вследствие хиггсовского механизма спонтанного нарушения электрослабой симметрии. Его открытие завершает Стандартную модель. В рамках этой модели отвечает за инертную массу таких элементарных частиц, как бозоны. С помощью поля Хиггса объясняется наличие инертной массы частиц-переносчиков слабого взаимодействия (W- и Z-бозоны) и отсутствие массы у частицы-переносчика сильного (глюон) и электромагнитного взаимодействия (фотон). По построению хиггсовский бозон является скалярной частицей, то есть обладает нулевым спином.

Постулирован британским физиком Питером Хиггсом в его фундаментальных статьях, вышедших в 1964 году. После нескольких десятков лет поисков, 4 июля 2012 года, в результате исследований на Большом адронном коллайдере был обнаружен кандидат на его роль — новая частица с массой около 125—126 ГэВ/c². Имеются веские основания считать, что эта частица является бозоном Хиггса. В марте 2013 года появились сообщения от отдельных исследователей ЦЕРНа, что найденная полугодом ранее частица действительно является бозоном Хиггса.

Модель с Хиггсовским бозоном позволила построить перенормируемую квантовую теорию поля.

Свойства бозона Хиггса

В апреле 2014 года коллаборация CMS сообщила, что ширина распада этого бозона меньше 22 МэВ. Как любая элементарная частица, бозон Хиггса подвергается гравитации. Бозон Хиггса обладает нулевыми спином, электрическим зарядом, цветным зарядом. Предварительно подтверждена на 125 ГэВ чётность +1. Есть 4 основных канала рождения бозона Хиггса: после слияния 2 глюонов (основной), слияние WW- или ZZ-пар, в сопровождении W- или Z-бозона, вместе с топ-кварками. Распадается на пару b-кварк-b-антикварк, на 2 фотона, на две пары электрон-позитрон и/или мюон-антимюон или на пару электрон-позитрон и/или мюон-антимюон с парой нейтрино.

На прошедшей в начале июля 2017 года конференции EPS HEP 2017 ATLAS и CMS сообщили, что они наконец-то начали видеть намёки на распад бозона Хиггса на b-кварк-антикварковую пару, что ранее невозможно было увидеть на практике (трудно отделить от фоновых процессов рождения тех же кварков другим образом); согласно Стандартной модели этот распад самый частый: в 58 % случаев. Как стало известно в начале октября 2017 года, ATLAS и CMS заявили в соответствующих статьях, что они наблюдают сигнал распада уверенно.

Эксперименты по поиску и оценке массы хиггсовского бозона

Поиски хиггсовского бозона в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) на Большом электрон-позитронном коллайдере (LEP) (в 1993 году эксперимент установил нижнюю границу массы бозона Хиггса >52 ГэВ, эксперимент завершён в 2001 году, энергия 104 ГэВ на каждый пучок, то есть суммарная энергия пучков в системе центра масс 208 ГэВ) не увенчались успехом: были зафиксированы три события-кандидата на детекторе ALEPH (англ.)русск. при массе 114 ГэВ, два — на DELPHI (англ.)русск. и одно — на L3 (англ.)русск.. Такое количество событий приблизительно соответствовало ожидавшемуся уровню фона. Предполагалось, что вопрос о существовании бозона Хиггса прояснится окончательно после вступления в строй и нескольких лет работы Большого адронного коллайдера (БАК, LHC).

В 2004 году была проведена повторная обработка данных эксперимента D0 по определению массы t-кварка, проводившегося на синхротроне Тэватрон в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми, в ходе этой обработки была получена уточнённая оценка массы, что привело к переоценке верхней границы массы бозона Хиггса до 251 ГэВ.

В 2008—2009 гг. группой российских ученых Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) и др. была представлена более точная оценка значения массы бозона Хиггса около 118(±2) ГэВ из данных по анизотропии реликтового излучения.

В 2010 году в ходе экспериментов на Тэватроне исследовательской группой DZero была обнаружена 1-процентная разница в числе образующихся при распаде В-мезона мюонов и антимюонов. Вскоре было объявлено о том, что причиной расхождения могло стать существование не одного, а пяти бозонов Хиггса — в рамках теории суперсимметрии могут существовать заряженные положительно и отрицательно, скалярные (лёгкий и тяжёлый) и псевдоскалярный бозоны. Ожидалось, что подтвердить или опровергнуть данную гипотезу помогут эксперименты на Большом адронном коллайдере.

В июле 2011 года коллаборации ATLAS и CMS выявили отклонение статистики в районе массы 130—150 ГэВ в результатах, представленных на конференции EPS-HEP’2011 в Гренобле, что, возможно, указывает на существование бозона Хиггса. Однако данные с Большого адронного коллайдера продолжали поступать, и была возможность, что последующая обработка нивелирует полученные отклонения. Между тем, на той же конференции был закрыт (с 3%-м отклонением) диапазон от 150 ГэВ до 400 ГэВ (за исключением небольших окон), где бозон Хиггса существовать не может.

В ноябре 2011 года коллаборации ATLAS и CMS сузили интервал масс возможного существования бозона до 114—141 ГэВ. Интервал от 141 до 443 ГэВ был исключён с вероятностью 99 % за исключением трёх узких окон между 220 и 320 ГэВ.

13 декабря 2011 года коллаборации ATLAS и CMS представили предварительные результаты обработки данных 2011 года, основной вывод состоял в том, что бозон Хиггса Стандартной модели, если он существует, скорее всего, имеет массу в интервале 116—130 ГэВ по данным эксперимента ATLAS, и 115—127 ГэВ — по данным CMS. Оба эксперимента наблюдают превышение сигнала над фоном в этих интервалах в различных предполагаемых каналах распада бозона Хиггса. Интересно то, что несколько независимых измерений указывали на область от 124 до 126 ГэВ. Было слишком рано говорить о том, что ATLAS и CMS открыли бозон Хиггса, но эти обновлённые результаты вызвали большой интерес в сообществе физики элементарных частиц. Тем не менее, для окончательных утверждений о существовании или несуществовании бозона Хиггса требовался больший объём данных, который ожидался в 2012 году.

2 июля 2012 года коллаборации D0 (англ.)русск. и CDF (англ.)русск. заявили, что по результатам анализа данных ускорителя Тэватрон имеется некоторый избыток, который может быть интерпретирован как вызванный бозоном Хиггса с массой в диапазоне 115—135 ГэВ со статистической значимостью 2,9 стандартных отклонения, что меньше порога в 5 сигм, необходимого для того чтобы заявить об открытии частицы.

4 июля 2012 года, на научном семинаре ЦЕРН, проходившем в рамках научной конференции ICHEP 2012 в Мельбурне, были изложены предварительные результаты экспериментов ATLAS и CMS по поиску бозона Хиггса за первую половину 2012 года. Оба детектора наблюдали новую частицу с массой около 125—126 ГэВ с уровнем статистической значимости в 5 сигм. Предполагается что данная частица — бозон, при этом она — самый тяжёлый из когда-либо обнаруженных бозонов. На семинар были приглашены физики Франсуа Энглер, Карл Хаген (англ.)русск., Питер Хиггс и Джеральд Гуральник (англ.)русск., которые являются одними из «авторов» механизма Хиггса.

В марте 2013 года в СМИ появились сообщения от отдельных участников исследований о том, что открытая ими в июле 2012 года частица действительно является бозоном Хиггса, так как она имеет совпадающую с ним чётность и измеренные вероятности распадов. Ещё в марте 2013 года исследователи с осторожностью отвечали на вопрос, является ли эта частица бозоном Хиггса, предсказанным Стандартной моделью, или это другой вариант бозона Хиггса, о котором говорят некоторые другие теории, выходящие за рамки Стандартной модели. Но уже к концу 2013 года обе коллаборации, обработав массив полученных данных, пришли к предварительным выводам: выявленный бозон Хиггса не выходит за пределы Стандартной модели и пока нет никаких экспериментальных указаний на физику за её пределами.

Нобелевская премия 2013 года по физике получена Франсуа Энглером и Питером Хиггсом за предсказание этого бозона.

В марте 2015 года коллаборации ATLAS и CMS уточнили предыдущие данные по массе бозона: 125,09±0,24 ГэВ, что примерно на 0,2 % точнее предыдущего значения.

В декабре 2015 года учёные из ЦЕРН объявили, что у них есть свидетельства существования другого бозона с массой около 700 ГэВ, который может оказаться вторым бозоном Хиггса, предсказываемого суперсимметричными расширениями Стандартной модели.

Также в декабре 2015 года со статистической значимостью 2,4σ физики ATLAS нашли возможное по интерпретации проявление заряженного бозона Хиггса с массой в районе 250—450 ГэВ.

На прошедшей в марте 2017 года серии конференций Moriond 2017 была представлена масса 125,26±0,20±0,08 ГэВ/c2, это по данным Большого адронного коллайдера 2016 года.

Краткий обзор различных семейств элементарных и составных частиц и теории, описывающие их взаимодействия. В поле элементарных частиц слева — фермионы, справа — бозоны (изображение интерактивно)

Примечания

  1. 1 2 3 4 5 6 Изучение бозона Хиггса. Архивировано 3 ноября 2014 года.
  2. Проблема поиска бозона Хиггса Архивировано 17 сентября 2012 года. // статья Д. И. Казакова в проекте ПостНаука, 9.08.2012
  3. 1 2 Удивительный мир внутри атомного ядра. Вопросы после лекции Архивировано 15 июля 2015 года., ФИАН, 11 сентября 2007 года
  4. Новости Большого адронного коллайдера: ATLAS и CMS вновь «взвесили» бозон Хиггса. old.elementy.ru. Дата обращения 30 июля 2017.
  5. LHC Higgs Cross Section Working Group; Dittmaier; Mariotti; Passarino; Tanaka; Alekhin; Alwall; Bagnaschi; Banfi (2012). “Handbook of LHC Higgs Cross Sections: 2. Differential Distributions”. CERN Report 2 (Tables A.1 – A.20). 1201: 3084. arXiv:1201.3084. Bibcode:2012arXiv1201.3084L.
  6. 1 2 К открытию бозона Хиггса Валерий Рубаков «Квант» № 5-6, 2012 Что представляет собой новая частица. Архивировано 2 апреля 2015 года.
  7. Улучшено ограничение сверху на ширину бозона Хиггса • Игорь Иванов • Новости науки на «Элементах» • Хиггсовский бозон, Детектор CMS, Проверка Стандартной модели. elementy.ru. Дата обращения 30 июля 2017. Архивировано 8 июня 2016 года.
  8. Стратегии поиска хиггсовского бозона на LHC Легкий бозон Хиггса. old.elementy.ru. Дата обращения 27 декабря 2017.
  9. Бозон Хиггса Архивировано 4 марта 2016 года. // Л. Н. Смирнова. ДЕТЕКТОР ATLAS БОЛЬШОГО АДРОННОГО КОЛЛАЙДЕРА. Кафедра общей ядерной физики физического факультета МГУ
  10. Ученые установили, на что распадается бозон Хиггса Архивировано 19 октября 2017 года.
  11. 1 2 Существует ли суперсимметрия в мире элементарных частиц?. ПостНаука. Архивировано 2 июля 2014 года.
  12. Игорь Иванов. Новый метод позволил наложить рекордное ограничение на время жизни хиггсовского бозона. Элементы.ру (17 апреля 2014). Дата обращения 11 мая 2014. Архивировано 23 апреля 2014 года.
  13. Кетов С. В. Введение в квантовую теорию струн и суперструн. — Новосибирск: Наука, 1990. — ISBN 5-02-029660-0. — С. 258 «В теории необходим по крайней мере один физический хиггсон H0 со спином 0»
  14. «Гиперпространство». Глава из книги Мичио Каку Сверхпроводящий суперколлайдер: окно в сотворение. Архивировано 17 ноября 2015 года.
  15. Алексей Понятов, Архивировано 21 июня 2015 года. // «Наука и жизнь» № 10, 2013
  16. P. W. Higgs. Broken symmetries, massless particlees and gauge fields (англ.) // Phys. Lett.. — 1964. — Vol. 12. — P. 132—133. — DOI:10.1016/0031-9163(64)91136-9.
  17. P. W. Higgs. Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons (англ.) // Phys. Rev. Lett.. — 1964. — Vol. 13. — P. 508—509. — DOI:10.1103/PhysRevLett.13.508.
  18. 1 2 CERN experiments observe particle consistent with long-sought Higgs boson Архивировано 29 октября 2012 года. — пресс-релиз CERN, 4.07.2012 (англ.)
  19. 1 2 Физики обнаружили претендента на роль бозона Хиггса Архивировано 8 марта 2016 года. // Lenta.ru 4.07.2012
  20. В ЦЕРНе объявлено об открытии хиггсовского бозона Архивировано 4 марта 2016 года. — Elementy.ru, 4.07.2012
  21. «Физическое сообщество считает, что хиггсовский бозон открыт» Архивировано 4 марта 2016 года. — Elementy.ru, 16.07.12
  22. Открытие бозона Хиггса Архивировано 1 октября 2012 года. // Лекция Д. И. Казакова в проекте ПостНаука, 27.07.2012 (видео)
  23. Главы — Почему мы решили, что бозон Хиггса найден. ПостНаука. Архивировано 23 июля 2015 года.
  24. ICHEP 2018: все основные каналы рождения и распада бозона Хиггса окончательно подтверждены
  25. Новости Большого адронного коллайдера: LHC наконец-то видит основной распад бозона Хиггса. old.elementy.ru. Дата обращения 30 июля 2017.
  26. Новости Большого адронного коллайдера: ATLAS и CMS уверенно видят основной распад бозона Хиггса. old.elementy.ru. Дата обращения 27 декабря 2017.
  27. Программа по изучению топ-кварка Что планируется изучать на LHC. Архивировано 16 марта 2015 года.
  28. Экзотические частицы. Хиггс-бозоны Архивировано 5 марта 2016 года. / Л. И. Сарычева. Введение в физику микромира — физика частиц и ядер, курс лекций для студентов 3-го курса астрономического отделения физического факультета МГУ
  29. Жизнь после Хиггса Архивировано 1 января 2015 года. Видео — 8:34-8:40
  30. Хиггса механизм Архивировано 29 декабря 2013 года. — статья в Физической энциклопедии в 5 тт., том 5, М.: БРЭ, 1999
  31. D0 Collaboration (V. M. Abazov et al.). A precision measurement of the mass of the top quark // Nature. — 2004. — Т. 429. — P. 638. — arXiv:hep-ex/0406031.
  32. Is it possible to estimate the Higgs Mass from the CMB Power Spectrum? // Invited talk at the Conference Symmetries in Physics, Dedicated to the 90th anniversary of Professor Smorodinsky’s birth, Dubna, Russia. uran.ru. Дата обращения 30 июля 2017. Архивировано 7 апреля 2014 года.
  33. . Архивировано 31 июля 2017 года.
  34. A. B. Arbuzov, B. M. Barbashov, A. Borowiec, V. N. Pervushin, S. A. Shuvalov, A. F. Zakharov. Is it possible to estimate the Higgs mass from the CMB power spectrum? Physics of Atomic Nuclei. — 2009, — V. 72, — No. 5, — P. 744—751..
  35. Автореферат диссертации Шувалова С. А. «Некоторые вопросы гамильтонового объединения Стандартной Модели и Общей Теории Относительности». podelise.ru. Дата обращения 30 июля 2017. Архивировано 7 декабря 2013 года.
  36. Бесценное расхождение: Замечательный процент Архивировано 1 июля 2010 года. // Журнал «Популярная механика»
  37. Пять бозонов Хиггса: Кто больше? Архивировано 20 июня 2010 года. // «Популярная механика»
  38. Избыточные события намекнули на бозон Хиггса. Архивировано 26 сентября 2011 года.
  39. Europhysics Conference on High-Energy Physics 2011 Combined SM Higgs search, ATLAS Detector, LHC. Архивировано 9 августа 2014 года.
  40. Europhysics Conference on High-Energy Physics 2011 Combined Results on SM Higgs Search With The CMS Detector. Архивировано 9 августа 2014 года.
  41. Geoff Brumfiel. Higgs hunt enters endgame (англ.), Nature News (18 November 2011). Архивировано 6 декабря 2011 года. Дата обращения 3 декабря 2011.
  42. The ATLAS collaboration. Combined Standard Model Higgs boson searches with up to 2.3 fb-1 of pp collisions at sqrt{s}=7 TeV at the LHC
  43. Теоретики обсуждают последние данные LHC по хиггсовскому бозону Архивировано 8 января 2012 года. «Элементы», 27.12.11
  44. ATLAS and CMS experiments present Higgs search status. Архивировано 13 декабря 2012 года.
  45. Поиски бозона Хиггса стандартной модели в эксперименте CMS на Большом адронном коллайдере в 2010—2011 годах Архивировано 14 февраля 2012 года. пресс-релиз, CMS ЦЕРН, 13.12.2011
  46. Tevatron scientists announce their final results on the Higgs particle (2 июля 2012). Дата обращения 10 января 2016. Архивировано 4 августа 2012 года.
  47. Теватрон сделал последнюю ставку на диапазон масс бозона Хиггса. РИА Новости. Архивировано 6 июля 2012 года.
  48. Элементы — новости науки: Тэватрон обновил свои результаты по поиску хиггсовского бозона.
  49. О новых результатах по поиску хиггсовского бозона объявят 4 июля Архивировано 4 марта 2016 года. // Элементы.ру, 23.06.2012
  50. Бэгготт, 2015, с. 220.
  51. Физики ЦЕРНа представят данные о возможном открытии бозона Хиггса, 03.07.2012. РИА Новости. Архивировано 3 июля 2012 года.
  52. Архивированная копия. Дата обращения 4 апреля 2013. Архивировано 17 марта 2013 года. «Физики пришли к выводу, что открытая ими частица действительно является бозоном Хиггса»
  53. 1 2 New results indicate that new particle is a Higgs boson, 14.03.2013.. CERN. Архивировано 7 декабря 2015 года.
  54. Элементы — новости науки: Распад бозона Хиггса на частицы материи еще сильнее указывает на его стандартность. 09.12.2013. Архивировано 17 декабря 2013 года.
  55. Роман Бизюков. Пять физических открытий, изменивших наш мир Бозон Хиггса. Metro International (24 октября 2014). Архивировано 23 декабря 2014 года.
  56. Европейские физики уточнили массу бозона Хиггса. Popmech.ru. Архивировано 6 мая 2015 года.
  57. БАК заподозрили в открытии второго бозона Хиггса // Lenta.ru. — 2015. — 14 декабря. Архивировано 27 декабря 2015 года.
  58. Элементы — новости науки: ATLAS видит отклонение, напоминающее заряженный бозон Хиггса. Архивировано 29 декабря 2015 года.
  59. Хиггсовский бозон выглядит стандартным в данных 2016 года Распад H→ZZ*→4 лептона. Элементы.ру.
  60. Шум с передовой. Архивировано 14 июля 2014 года.
  61. Алексей Левин. Мост в скрытый мир: Бозон Хиггса в народном хозяйстве (рус.) // Популярная механика. — 2012. — 22 февраля. Архивировано 27 августа 2016 года.
  62. Грани.Ру: ‘Частица бога’ не откроет тайну американцам — Общество / Наука. Архивировано 27 июля 2008 года.
  63. Taking a closer look at LHC — Home.

Ссылки

Бозон Хиггса на Викискладе

  • Поиск хиггсовского бозона на LHC
  • Gordon Fraser. Season of Higgs and melodrama CERN Courier Vol.41, № 2, pp.24-26 (March 2001), перевод Н. Никитина
  • Higgs physics at the LHC (англ.)
  • ЦЕРН о Бозоне Хиггса (англ.)
  • Хиггсовский бозон: открытие и планы на будущее
  • Долгожданное открытие: бозон Хиггса — Наука и жизнь. — № 10, 2012 г.
  • Физики обнаружили претендента на роль бозона Хиггса // Lenta.ru 4.07.2012
  • В ЦЕРНе объявлено об открытии хиггсовского бозона // Elementy.ru, 4.07.2012
  • Хиггсовский бозон: открытие и планы на будущее // Elementy.ru, 16.07.2012
  • Представлены объединенные результаты CMS и ATLAS по хиггсовскому бозону
  • Элементы — новости науки: ATLAS и CMS обнародовали совместное измерение массы хиггсовского бозона.
  • Бозон Хиггса // Лекция Д. И. Казакова в проекте ПостНаука, 09.06.2012 (видео)
  • «Жизнь после Хиггса» — Лекция Андрея Семихатова (видео)
  • Двойник бозона Хиггса «Радион» (видео)
  • Технонаука Философ Ольга Столярова о материальной базе науки, условиях открытия бозона Хиггса и Сколково как технонауке (видео)
  • Структура материи Бозон Хиггса
  • д/ф «Бозон Хиггса» // BBC Horizon
  • д/ф «Is There a God Particle?» из цикла «Сквозь кротовую нору с Морганом Фрименом» (Discovery Science, 2012)
  • Хиггс из релаксиона. Физики предложили объяснение расхождению масс частиц во Вселенной // Lenta.ru 26.11.2015

Бозон Хиггса: одно из самых важных открытий в науке

В июле 2012 года ученые, работающие на Большом адронном коллайдере, объявили о своем триумфе. Физики, наконец, разрешили проблему, над которой бились более 40 лет. Пока все остальные пожимали друг другу руки, один мужчина почтенного возраста расплакался: им был Питер Хиггс. Его предсказание новой фундаментальной частицы — необходимой части семьи фундаментальных частиц в Стандартной модели физики частиц — подтвердилось.

Открытие бозона Хиггса ждали с особым нетерпением. Его даже прозвали «частицей Бога». Почему же это открытие было таким важным? Попробуем разобраться.

Начнем с «простого»

Благодаря квантовой физике науке известно, что пространство не пустое. Помимо обычных веществ — вроде протонов, электронов и нейтронов, из которых состоят строительные блоки всей материи, — Вселенная наполнена квантовыми полями и кишит появляющимися и исчезающими элементарными частицами. Физика частиц — наука обо всех субатомных частицах и взаимодействующих с ними силах.

Стандартная модель физики элементарных частиц / © Wikipedia

Субатомные частицы крайне сложно наблюдать из-за их размера. Они меньше атома и длины волны видимого света. Единственный доступный нам способ зарегистрировать их и наблюдать их поведение — это столкнуть атомные ядра, состоящие из частиц, друг с другом на невероятных скоростях (близких к скорости света). Это производит большие количества экзотических частиц, которые создаются только на высоких энергиях. Физики считают, что эти столкновения напоминают условия, при которых развивалась Вселенная сразу после Большого взрыва. Благодаря таким ускорителям частиц, как Большой адронный коллайдер (БАК), Релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC) и уже нефункционирующий Тэватрон, физики достигли немалого прогресса в разработке «теории всего». Эта теория постулирует, как работают все субатомные частицы во Вселенной и как именно они взаимодействуют, образуя Вселенную, какой мы ее знаем. Одна из самых полных моделей, максимально приблизившихся к тому, чтобы разработать «теорию всего», — Стандартная модель физики элементарных частиц, описывающая взаимодействие частиц и сил. В стандартную модель также входит три из четырех фундаментальных сил природы на субатомном масштабе.

Фундаментальные силы природы — это:

1. Сильное взаимодействие, отвечающее за связь между кварками в адронах и притяжение между протонами и нейтронами в атомных ядрах;

2. Слабое взаимодействие, отвечающее за радиоактивный распад и взаимодействия нейтрино;

3. Электромагнитное взаимодействие, отвечающее за формирование атомов и их свойства;

4. Гравитационное взаимодействие, отвечающее за взаимное притяжение вещества.

И тут в игру вступает бозон Хиггса. Не известно, почему у определенных частиц есть масса, так как принято считать, что все переносящие взаимодействия частицы массой обладать не должны. Тем не менее, как выяснилось, частицы, переносящие слабое взаимодействие, обладают массой. Но почему у частицы, которая должна быть безмассовой, масса имеется?

Частица, которая объяснит почти все

Бозон Хиггса мог бы помочь объяснить, каким образом эти частицы получают свою массу. В 1960-х Питер Хиггс — тот самый физик, в честь которого назвали неуловимую частицу, и который в 2013 году был удостоен Нобелевской премии по физике — разработал теорию, объясняющую, как частицы, переносящие электромагнитное или слабое взаимодействие, могли получить разные массы в процессе постепенного остывания Вселенной. Его предположение заключалось в том, что частицы вроде протонов, нейтронов и кварков получают массу через взаимодействие с невидимым электромагнитным полем, известным как поле Хиггса (или хиггсовское поле). Некоторые частицы способны проходить через это поле, не получая массы, в то время как другие «вязнут» в нем и накапливают ее. Если это так, то «невидимое» поле должно иметь связанную с ним частицу — бозон Хиггса, — которая контролирует взаимодействия с другими частицами и хиггсовским полем, изменяя при помощи него виртуальные частицы Хиггса.

Питер Хиггс / © Claudia Marcelloni/CERN

Так как бозон Хиггса быстро распадается на более стабильные частицы, его сложнее наблюдать, чем другие субатомные частицы, производимые в процессе столкновений в ускорителях. Считается, что до распада он существует всего одну септиллионную секунды, что серьезно осложняет работу по его обнаружению среди триллионов столкновений.

Когда в 2012 году ученые объявили об обнаружении бозона Хиггса, они сообщили, что наблюдали новый бозон массой 125,3 ГэВ +/- 0,6 на 4,9 сигмы («золотой стандарт» научных открытий). Это означало, что бозон Хиггса был подтвержден с точностью до 99,99997% в диапазоне масс 125 ГэВ. Однако крайне редко что-либо связанное с физикой бывает настолько ясным и точным.

Божественная заминка

Спустя несколько месяцев после объявления об открытии физики сообщили о неожиданной находке. Бозон, который они наблюдали в ЦЕРН, похоже, распадался двумя разными способами. В одном из сценариев частица массой 126,6 ГэВ распадалась на два фотона. В другом случае частица массой 123,5 ГэВ распадалась на четыре лептона. Некоторые посчитали, что это две разные частицы Хиггса. Другие же решили, что это статистическое совпадение, так как разница между частицами слишком незначительна.

Событие, зарегистрированное в 2012 году Компактным мюонным соленоидом (CMS) на Большом адронном коллайдере в протон-протонных столкновениях на 8 ТэВ энергии центра масс. В этом событии образовалась пара Z-бозонов, один из которых распался на пару электронов (зеленые линии и зеленые башенки), тогда как второй Z-бозон распался на пару мюонов (красные линии). Совместная масса двух электронов и двух мюонов была близка к 126 ГэВ. Это означает, что была получена частица массой 126 ГэВ, распавшаяся на два Z-бозона в точности с ожиданиями в случае, если наблюдаемая частица является бозоном Хиггса / © 2012 CERN Вакуум нестабилен

Итак, почему масса частицы имеет значение? Оказывается, передача такой большой массы бозоном Хиггса указывает на то, что вакуум Вселенной может быть нестабилен по своей природе, существуя в постоянном «метастабильном» состоянии. Многие физики обсуждали вероятность того, что Вселенная долгое время колеблется на грани стабильности. В частности, физики Фрэнк Вильчек и Майкл Тернер, опубликовавшие в 1982 году статью в журнале Nature, предположили неутешительный сценарий: где-нибудь во Вселенной без какого-либо предупреждения может зародиться пузырь истинного вакуума, который будет передвигаться через пространство на скорости света, но прежде чем мы осознаем, что происходит, наши фотоны распадутся.

Как бы то ни было, открытие бозона Хиггса положило начало новым исследованиям и иному пониманию реальности. Ученые надеются, что это открытие приведет к разработке симметричной или даже суперсимметричной теории, которая расширит Стандартную модель и закроет присутствующие в ней дыры. Это, в свою очередь, поможет выяснить, что же такое темная материя — поле, которое, похоже, более неуловимо, чем поле Хиггса.

Фейнмановская диаграмма, описывающая один из важнейших способов произведения бозона Хиггса и его последующего распада в Большом адронном колайдере. Два сталкивающисхся протона испускают по W-бозону. Затем, W-бозоны сталкиваются и производят бозон Хиггса, который далее распадается на два Z-бозона, которые в свою очередь распадаются на электрон и позитрон либо на мюон и антимюон / © Encyclopædia Britannica, Inc. Что дальше?

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

Исследования продолжаются, и ученые, работающие на Большом адронном коллайдере и других ускорителях частиц, достигают все больших энергий — и даже добились создания капель кварк-глюонной плазмы (сегодня она считается первичным веществом, которым было заполнено все пространство сразу после Большого взрыва). К 2030 году в Китае планируют построить самый большой и мощный ускоритель частиц, который поможет проводить новые эксперименты на более высоких энергиях. Будем надеяться, что он поможет заглянуть глубже в саму структуру реальности. А пока нам остается только ждать и следить за результатами экспериментов.

Стандартная модель и бозон Хиггса

Начнем с самого начала. Частицы делятся на бозоны и фермионы. Бозоны – это частицы с целым спином. Фермионы — с полуцелым.

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

Понятно? Не очень. Чтобы стало понятнее, нужно рассказать про Стандартную модель.

Питер Хиггс, предсказавший существование бозона Хиггса.

Стандартная модель – одна из основных современных моделей описания мира. Она описывает взаимодействие элементарных частиц. Как мы знаем, в мире есть 4 фундаментальных взаимодействия: гравитационное, сильное, слабое и электромагнитное. Гравитационное мы сразу не рассматриваем, т.к. оно имеет иную природу и не входит в модель. А вот сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия описываются в рамках стандартной модели. Причем, согласно этой теории вещество состоит из 12 фундаментальных элементарных частиц-фермионов. Бозоны же являются переносчиками взаимодействий. Оформить дипломную работу на заказ вы можете прямо у нас на сайте.

Стандартная модель. Частицы.

Так вот, из всех частиц, предсказанных в рамках стандартной модели, не обнаруженным экспериментально оставался бозон Хиггса. Согласно Стандартной модели этот бозон, являясь квантом поля Хиггса, отвечает за то, что у элементарных частиц есть масса. Представим, что частицы – это бильярдные шары, помещенные на сукно стола. В данном случае сукно – это и есть поле Хиггса, обеспечивающее массу частиц.

Как искали бозон Хиггса?

На вопрос, когда открыли бозон Хиггса, нельзя ответить точно. Ведь теоретически его предсказали в 1964 году, а подтвердили существование экспериментально только в 2012. И все это время неуловимый бозон искали! Искали долго и упорно. До БАК в ЦЕРНе работал другой ускоритель, электрон-позитронный коллайдер. Также был Теватрон в Иллинойсе, но и его мощностей не хватило для выполнения задачи, хотя эксперименты, конечно же, дали определенные результаты.

Дело в том, что бозон Хиггса – частица тяжелая, и обнаружить его очень непросто. Суть эксперимента проста, сложна реализация и интерпретация результатов. Берутся два протона на околосветовой скорости и сталкиваются лоб в лоб. Протоны, состоящие из кварков и антикварков, от такого мощного столкновения разваливаются и появляется множество вторичных частиц. Именно среди них и искали бозон Хиггса.

Поиски бозона Хиггса

Проблема еще и в том, что подтвердить существование этого бозона можно лишь косвенно. Период, в который существует бозон Хиггса, крайне мал, как и расстояние между точками исчезновения и возникновения. Измерить такие время и расстояние напрямую невозможно. Зато Хиггс не исчезает бесследно, и его можно вычислить по «продуктам распада».

Хотя такой поиск очень похож на поиск иголки в стоге сена. И даже не в одном, а в целом поле стогов. Дело в том, что бозон Хиггса распадается с разной вероятностью на разные «наборы» частиц. Это может быть пара кварк-антикварк, W-бозоны или самые массивные лептоны, тау-частицы. В одних случаях эти распады крайне трудно отличить от распадов других частиц, а не именно Хиггса. В других – невозможно достоверно зафиксировать детекторами. Несмотря на то что детекторы БАК – самые точные и мощные измерительные приборы, созданные людьми, они могут измерить не все. Лучше всего фиксируется детекторами превращение Хиггса в четыре лептона. Однако вероятность этого события очень мала — всего 0,013%.

Детектор ATLAS

Тем не менее, за полгода экспериментов, когда за одну секунду в коллайдере происходят сотни миллионов столкновений протонов, было выявлено целых 5 таких четырехлептонных случаев. Причем зафиксированы они были на двух разных детекторах-гигантах: ATLAS и CMS. Согласно независимому расчету с данными одного и другого детектора, масса частицы составляла примерно 125ГэВ, что соответствует теоретическому предсказанию для бозона Хиггса.

Для полного и точного подтверждения того, что обнаруженная частица была именно именно бозоном Хиггса, пришлось провести еще очень много опытов. И несмотря на то, что сейчас бозон Хиггса обнаружен, эксперименты в ряде случаев расходятся с теорией, так что Стандартная модель, как считают многие ученые, скорее всего является частью более совершенной теории, которую еще предстоит открыть.

Детекторы БАК

Открытие бозона Хиггса, определенно, одно из главных открытий 21 века. Его открытие — огромный шаг в понимании устройства мира. Если бы не он, все частицы были бы безмассовыми, как фотоны, не существовало бы ничего, из чего состоит наша материальная Вселенная. Бозон Хиггса — шаг к пониманию того, как устроена вселенная. Бозон Хиггса даже назвали частицей бога или проклятой частицей. Впрочем, сами ученые предпочитают называть его бозоном бутылки шампанского. Ведь такое событие, как открытие бозона Хиггса, можно отмечать годами.

Друзья, сегодня мы взрывали мозг бозоном Хиггса. А если Вы уже устали взрывать свой мозг бесконечными рутинными или непосильными заданиями по учебе, обратитесь за помощью к авторам нашей компании. Как всегда мы поможем Вам быстро и качественно решить любой вопрос.