Что такое бозон Хиггса и как его нашли: простое объяснение «частицы Бога»
В 2012 году Европейская организация по ядерным исследованиям, CERN, объявила об открытии новой частицы. У нее была масса, не было электрического заряда, и почти сразу после рождения она распадалась на более мелкие частицы. Это был бозон Хиггса, теперь более известный широкой публике как «частица Бога».
Это открытие стало итогом десятилетий поисков и одновременно проверкой одной из ключевых идей современной физики. Бозон Хиггса долго оставался последним недостающим элементом Стандартной модели — теории, которая описывает элементарные частицы и их взаимодействия. Разберемся, что это за частица, как ее нашли и какое место она занимает в современной физике.
Что такое бозон Хиггса
Бозон Хиггса — это элементарная частица, квант поля Хиггса, то есть самое минимальное его возбуждение. Элементарными мы называем частицы без внутренней структуры, те, которые нельзя разделить на что-то более простое. Это самые базовые кирпичики мироздания. Но атомы, что важно, такими кирпичиками не являются. Они состоят из более мелких компонентов — протонов, нейтронов и электронов. Электроны относятся к элементарным частицам, а вот протоны и нейтроны — нет. Они, в свою очередь, состоят из других элементарных частиц — кварков.
Где у этого предел, мы пока не знаем. Но на сегодняшний день наше лучшее описание микромира — это Стандартная модель. В ней есть два главных класса элементарных частиц: фермионы, из которых состоит материя, и бозоны, которые переносят взаимодействия.
Однако современная физика смотрит на элементарные частицы не как на крошечные твердые объекты. Квантовая механика описывает их как возбуждения соответствующих полей.
С электрическими и магнитными полями многие знакомы. Когда в таком поле возникает возмущение, появляется волна — например, электромагнитная. Свет, рентгеновское излучение, радиоволны, Wi-Fi — все это разные проявления электромагнитных волн. Если бы можно было рассмотреть такую волну вблизи, оказалось бы, что она состоит из фотонов. Поэтому фотон и называют квантом электромагнитного поля.
Та же логика работает и для других частиц. Есть электронное поле, есть кварковое поле, есть глюонное поле, есть поле Хиггса. Когда в одном из них возникает возмущение, мы наблюдаем частицу. Чтобы появился бозон Хиггса, поле Хиггса нужно возбудить, то есть передать ему энергию. Например, если бросить камень в воду, на поверхности возникнет всплеск. В такой аналогии вода — это поле, а всплеск — бозон.
Частицы часто сравнивают по их свойствам, например по массе. Мы умеем измерять массу, но долгое время не понимали, откуда она берется и почему у разных частиц она разная. В 1964 году Питер Хиггс, Франсуа Энглер и еще несколько физиков предложили объяснение: они предположили, что все пространство заполнено особым невидимым полем, полем Хиггса. Из этого автоматически следовало, что у поля должен быть собственный квант — новая частица, позже получившая название бозон Хиггса.
Получается, что масса не обязательно является врожденным свойством частицы. Она может возникать из взаимодействия с полем Хиггса. Чем сильнее частица взаимодействует с этим полем, тем больше ее масса. Электроны, кварки и другие частицы взаимодействуют с ним по-разному, поэтому и массы у них разные. Фотоны с полем Хиггса не взаимодействуют, поэтому массы у них нет.
Когда открыли бозон Хиггса
Идея бозона Хиггса появилась задолго до экспериментов — еще в 1960-х годах. Тогда физики пытались построить теорию, которая объединила бы электромагнитное и слабое взаимодействия. Уравнения получались красивыми и согласованными, но в них все частицы оказывались безмассовыми — чего явно быть не может. Поле Хиггса и его квант должны были решить эту проблему.
К 2012 году физики искали бозон Хиггса почти полвека. За это время сменилось несколько поколений ускорителей и экспериментов. Обычно этот поиск делят на три этапа: LEP, Tevatron и LHC.
Первый этап — ускоритель LEP в CERN, который работал с 1989 по 2000 год. Он сталкивал электроны и их античастицы (позитроны). Сам бозон Хиггса увидеть нельзя: он почти мгновенно распадается. Поэтому ученые искали не его, а продукты распада.
Антиматерия: что это такое, как выглядит, где используется и почему такая дорогая
Они постепенно увеличивали энергию столкновений и проверяли, не появляется ли в данных сигнал, который нельзя объяснить уже известными процессами. Такой сигнал мог бы указывать на рождение бозона Хиггса и его последующий распад. Но даже на максимуме LEP не хватало, чтобы его поймать. В итоге ученые смогли только установить нижнюю границу: если бозон Хиггса существует, его масса должна быть больше 114 ГэВ (гигаэлектронвольт). ГэВ — это единица энергии, которой в физике частиц измеряют массу.
Следующий этап — Tevatron в Fermilab (США), работавший до 2011 года. Это был более мощный ускоритель, который сталкивал протоны и антипротоны. На нем энергии уже хватало, чтобы в столкновениях мог рождаться бозон Хиггса. Но появилась другая проблема: продукты его распада было слишком трудно отличить от следов других процессов, которые в таких столкновениях происходят постоянно.
Чтобы обойти это, ученые искали случаи, где он рождался бы вместе с W- или Z-бозоном — это частицы, которые переносят слабое взаимодействие. Такие процессы возникают реже, зато их легче выделить из общего шума по продуктам распада. Это позволило сузить диапазон возможных масс бозона Хиггса, но данных все равно не хватило, чтобы объявить об открытии.
Решающим стал третий этап — Большой адронный коллайдер. Он начал работать в 2010 году и стал сталкивать протоны уже на энергиях в тысячи гигаэлектронвольт. Это дало два преимущества. Во-первых, бозоны Хиггса стали возникать чаще. Во-вторых, новые детекторы были точнее и позволяли лучше разбирать сложные события.
По мере накопления данных в экспериментах ATLAS и CMS стал появляться один и тот же сигнал: в области около 125 ГэВ наблюдался избыток событий, который нельзя было объяснить уже известными процессами. Именно этот «горб» в данных и стал главным признаком новой частицы.
4 июля 2012 года CERN объявил, что две независимые экспериментальные группы — ATLAS и CMS — обнаружили новую частицу с массой около 125 гигаэлектронвольт. Позже стало ясно, что ее свойства соответствуют бозону Хиггса.
Масса бозона Хиггса
Масса бозона Хиггса составляет около 125 ГэВ (гигаэлектронвольт). Это около 2,2 × 10⁻²⁵ килограмма. Для сравнения: протон имеет массу около 1 ГэВ, то есть бозон Хиггса примерно в 130 раз тяжелее протона.
Эта величина важна потому, что от массы зависит, как распадается бозон Хиггса. Он существует очень недолго и почти сразу превращается в другие частицы. Какие именно частицы появятся в итоге и как часто это будет происходить, определяется его массой.
После 2012 года физикам нужно было убедиться, что они нашли не просто новую частицу, а именно бозон Хиггса. Для этого они проверяли, совпадают ли ее свойства с расчетами Стандартной модели. Масса около 125 ГэВ оказалась как раз той, при которой теория предсказывает наблюдаемые распады. Это было одним из ключевых аргументов в пользу того, что обнаруженная в 2012 году частица действительно является бозоном Хиггса, а не чем-то другим.
Кварк или бозон Хиггса: что меньше
Вопрос «что меньше» для элементарных частиц не совсем корректен. У них нет размера: они неделимы и не имеют внутренней структуры. Поэтому корректнее сравнивать их не по размеру, а по массе.
Кварки — это элементарные частицы, из которых состоят протоны и нейтроны, а значит и все атомные ядра. Если сравнивать массы, то почти все кварки легче бозона Хиггса. Исключение только одно: верхний кварк — самый тяжелый из всех кварков — имеет массу около 173 ГэВ и поэтому тяжелее бозона Хиггса.
Остальные элементарные частицы тоже значительно легче: электроны и нейтрино имеют гораздо меньшую массу, а у фотона она вообще равна нулю.
Почему открытие бозона Хиггса важно
Главное, что дало его открытие, — это подтверждение существования поля Хиггса. Без него Стандартная модель не могла бы объяснить, почему некоторые элементарные частицы имеют массу. Кроме того, бозон Хиггса стал последней недостающей частью Стандартной модели. Все остальные частицы из этой теории уже были обнаружены.
Сегодня его продолжают изучать. Физики измеряют, как он распадается и с какими частицами взаимодействует. Если в этих свойствах найдутся отклонения от расчетов, это может указывать на новую физику — то есть на частицы или процессы, которые не описывает Стандартная модель.
Частые вопросы
Какие практические применения могут быть у изучения бозона Хиггса в будущем?
Прикладного применения у бозона Хиггса нет. Его не используют в технологиях и вряд ли будут использовать в обозримом будущем. Тем не менее, изучение бозона Хиггса позволяет проверять, насколько точно работает Стандартная модель. Если в его свойствах найдутся отклонения, это может указать на новую физику — например, на существование неизвестных частиц или взаимодействий. [1]
Существуют ли другие гипотетические частицы, похожие на бозон Хиггса?
Да, физики допускают, что открытый в 2012 году бозон Хиггса может быть не единственным. Стандартная модель описывает только один такой бозон, но некоторые более широкие теории предлагают, что хиггсовских частиц может быть несколько, и у каждой будут свои масса, заряд и способы распада.
Например, в теориях вроде суперсимметрии вместо одного поля Хиггса появляются сразу несколько. А значит, и частиц, связанных с этим полем, тоже должно быть больше. Некоторые из них могут не иметь электрического заряда, как обычный бозон Хиггса, а другие — наоборот, быть заряженными и взаимодействовать с электромагнитным полем. Пока ни одной такой частицы не найдено, но их продолжают искать на коллайдерах. [2]
Как бозон Хиггса помогает ученым изучать раннюю Вселенную?
Поле Хиггса играло важную роль в первые моменты после Большого взрыва. В очень ранней Вселенной температуры были настолько высокими, что частицы вели себя не так, как сейчас, и массы в привычном виде у них, вероятно, еще не было.
Когда Вселенная начала остывать, поле Хиггса перешло в свое нынешнее состояние, и частицы стали приобретать массу. Изучая свойства бозона Хиггса сегодня, физики пытаются понять, как именно происходил этот переход. [3]
Почему бозон Хиггса называют «частицей бога»?
Прозвище «частица Бога» пришло не из науки, а из популярной культуры. Оно закрепилось после выхода книги физика Леона Ледермана The God Particle в 1993 году. По одной из версий, изначально он хотел назвать ее The Goddamn Particle — «чертовa частица», из-за того, насколько трудно было ее обнаружить. Но издатель посчитал такое название слишком грубым и сократил его до The God Particle. Выражение прижилось, хотя физики его не любят. [4]
Главное о бозоне Хиггса
Бозон Хиггса — это элементарная частица, квант поля Хиггса, то есть его минимальное возбуждение.
Поле Хиггса, как считается, заполняет все пространство и связано с механизмом появления массы у элементарных частиц.
Идея поля Хиггса появилась в 1960-х годах в рамках теории, объединяющей электромагнитное и слабое взаимодействия.
Бозон Хиггса открыли 4 июля 2012 года на Большом адронном коллайдере в CERN.
Его масса составляет около 125 ГэВ, что примерно в 130 раз больше массы протона.
Бозон Хиггса живет крайне недолго и почти сразу распадается, поэтому его обнаруживают по продуктам распада.
До открытия его искали несколько десятилетий на разных ускорителях, включая LEP и Tevatron.
Читайте также:
