Что такое бозон Хиггса, и почему его так искали?

Бозон Хиггса в физике представляет собой элементарную частицу, которая, по мнению ученых, играет фундаментальную роль в образовании массы во Вселенной. Подтверждение или опровержение существования этой частицы являлось одной из основных целей использования Большого Адронного Коллайдера (БАК) - самого мощного ускорителя частиц в мире, который находится в Европейской лаборатории физики элементарных частиц (ЦЕРН) недалеко от Женевы.

Почему так было важно найти бозон Хиггса

В современной физике элементарных частиц существует некоторая стандартная модель. Единственной частицей, которую предсказывает эта модель, и которую ученые пытались долго обнаружить, является названный бозон. Стандартная модель частиц (согласно экспериментальным данным) описывает все взаимодействия и превращения между элементарными частицами. Однако оставалось единственное "белое пятно" в этой модели - отсутствие ответа на вопрос о происхождении массы. Важность массы не вызывает сомнения, ведь без нее Вселенная была бы совершенно другой. Если бы у электрона не было массы, то не существовали бы атомы и сама материя, не было бы биологии и химии, не было бы, в конце концов, человека.

Чтобы объяснить концепцию существования массы, несколько физиков, среди которых был британец Питер Хиггс, еще в 60-х годах прошлого столетия выдвинули гипотезу о существовании так называемого поля Хиггса. По аналогии с фотоном, который является частицей электромагнитного поля, поле Хиггса также требует существование его частицы-носителя. Таким образом, бозоны Хиггса простыми словами – это частицы, из множества которых образуется поле Хиггса.

Частица Хиггса и поле, которое она создает

Все элементарные частицы можно разделить на два типа:

• Фермионы.
• Бозоны.

Фермионы - это те частицы, которые образуют известную нам материю, например, протоны, электроны и нейтроны. Бозоны являются элементарными частицами, которые обуславливают существование различного типа взаимодействия между фермионами. Например, бозонами являются фотон - носитель электромагнитного взаимодействия, глюон - носитель сильного или ядерного взаимодействия, бозоны Z и W, которые отвечают за слабое взаимодействие, то есть за превращения между элементарными частицами.

Если говорить простым языком о бозоне Хиггса и о смысле гипотезы, которая объясняет появление массы, то следует представить, что эти бозоны распределены в пространстве Вселенной и образуют непрерывное поле Хиггса. Когда какое-либо тело, атом или элементарная частица испытывают "трение" об это поле, то есть взаимодействуют с ним, то это взаимодействие проявляется как существование массы у данного тела или частицы. Чем сильнее тело "трется" частица о поле Хиггса, тем больше его масса.

Как можно обнаружить, и где копать бозон Хиггса

Прямым способом этот бозон обнаружить не удается, поскольку (согласно теоретическим данным) после его появления он мгновенно распадается на другие более устойчивые элементарные частицы. А вот появившиеся после распада бозона Хиггса частицы уже можно обнаружить. Именно они являются "следами", свидетельствующими о существовании этой важной частицы.

Ученые, чтобы обнаружить частицу бозон Хиггса, сталкивали высокоэнергетические пучки протонов. Огромная энергия протонов при столкновении способна перейти в массу, согласно известному уравнению Альберта Эйнштейна E = mc². В зоне столкновения протонов в коллайдере расположено множество детекторов, которые позволяют регистрировать появление и распад любых частиц.

Масса бозона Хиггса теоретически не была установлена, а был определен лишь возможный набор ее значений. Для обнаружения частицы требуются мощные ускорители. Большой Адронный Коллайдер (БАК) является самым мощным на данный момент ускорителем на планете Земля. С его помощью удавалось сталкивать протоны с энергией, близкой к 14 тетраэлектронвольтам (ТэВ). В настоящее время он работает с энергиями около 8 ТэВ. Но даже этих энергий оказалось достаточно для обнаружения бозона Хиггса или частицы Бога, как ее еще называют многие.

Случайные и реальные события

В физике элементарных частиц существование того или иного события оценивается с определенной вероятностью "сигма", которая определяет случайность или реальность этого события, полученного в эксперименте. Чтобы увеличить вероятность какого-либо события, необходимо проанализировать большое число данных. Поиски и открытие бозона Хиггса относятся к подобного рода вероятным событиям. Для обнаружения этой частицы в БАК генерировалось около 300 млн столкновений за одну секунду, таким образом количество данных, которое нужно было проанализировать, являлось огромным.

Можно говорить о реальном наблюдении конкретного события с уверенностью, если его "сигма" будет равна 5 и больше. Это эквивалентно событию с монетой (если ее подбросить, и она 20 раз подряд упадет решкой). Такой результат соответствует вероятности менее 0,00006%.

Как только обнаружено это "новое" реальное событие, необходимо детально его изучить, ответив на вопрос, точно это событие соответствует частице Хиггса или это какая-то другая частица. Для этого необходимо тщательно изучать свойства продуктов распада этой новой частицы и сравнивать их с результатами теоретических предсказаний.

Эксперименты БАК и открытие частицы массы

Поиски частицы массы, которые выполнялись на коллайдерах БАК в Женеве и Теватрон в лаборатории Ферми в США, установили, что частица Бога должна обладать массой большей, чем 114 гигаэлектронвольт (ГэВ), если ее выражать в энергетическом эквиваленте. Для примера скажем, что масса одного протона приблизительно соответствует 1 ГэВ. Другие эксперименты, которые были направлены на поиск данной частицы, выяснили, что ее масса не может превышать 158 ГэВ.

Первые результаты поиска бозона Хиггса в БАК были представлены еще в 2011 году, благодаря анализу данных, которые собирались в коллайдере в течение одного года. За это время было проведено два основных эксперимента по указанной проблеме - ATLAS и CMS. Согласно этим экспериментам, бозон имеет массу между 116 и 130 ГэВ или между 115 и 127 ГэВ. Интересно отметить, что в обоих названных экспериментах в БАК по многим признакам масса бозона находится в узкой области между 124 и 126 ГэВ.

Питер Хиггс вместе со своим коллегой Франком Энглертом 8 октября 2013 года получили Нобелевскую премию за открытие теоретического механизма понимания существования массы у элементарных частиц, который был подтвержден в экспериментах ATLAS и CMS на БАК в ЦЕРН (Женева), когда был обнаружен экспериментально предсказанный бозон.

Важность открытия частицы Хиггса для физики

Поясняя об открытии бозона Хиггса просто, можно сказать, что оно положило начало новому этапу в физике элементарных частиц, поскольку это событие предоставило новые пути для дальнейшего исследования феноменов Вселенной. Например, изучение природы и особенностей черной материи, которая по общим оценкам составляет около 23% всей известной Вселенной, но свойства которой остаются тайной до настоящего времени. Открытие частицы Бога позволило продумать и поставить новые эксперименты в БАК, которые помогут прояснить данный вопрос.

Свойства бозона

Многие свойства частицы Бога, которые описываются в стандартной модели элементарных частиц, в настоящее время полностью установлены. Этот бозон имеет нулевой спин, у него нет электрического заряда и цвета, поэтому он не взаимодействует с другими бозонами, такими как фотон и глюон. Однако он взаимодействует со всеми частицами, которые обладают массой: кварками, лептонами и бозонами слабых взаимодействий Z и W. Чем больше масса частицы, тем сильнее она взаимодействует с бозоном Хиггса. Кроме того, этот бозон является античастицей для самого себя.

Масса частицы, ее среднее время жизни и взаимодействие между бозонами не предсказывает теория. Эти величины могут быть измерены только экспериментальным путем. Результаты экспериментов на БАК в ЦЕРН (Женева) установили, что масса этой частицы лежит в пределах 125-126 ГэВ, а время ее жизни составляет приблизительно 10^-22 секунды.

Открытый бозон и космический апокалипсис

Открытие этой частицы считается одним из самых важных за всю историю человечества. Эксперименты с этим бозоном продолжаются, а ученые получают новые результаты. Одним из них стал тот факт, что бозон может привести Вселенную к гибели. Причем этот процесс уже начался (согласно мнению ученых). Суть проблемы заключается в следующем: бозон Хиггса может сколлапсировать самостоятельно в какой-либо части Вселенной. Это создаст энергетический пузырь, который постепенно распространится, поглощая все на своем пути.

На вопрос, будет ли конец света, каждый ученый отвечает положительно. Дело в том, что существует теория, которая называется "Звездная модель". В ней постулируется очевидное утверждение: все имеет свое начало и свой конец. Согласно современным представлениям, конец Вселенной будет выглядеть следующим образом: ускоренное расширение Вселенной приводит к распылению материи в пространстве. Этот процесс будет продолжаться, пока не погаснет последняя звезда, после этого Вселенная погрузится в вечный мрак. Через сколько это произойдет, никто не знает.

С открытием бозона Хиггса появилась еще одна теория конца света. Дело в том, что некоторые физики считают, что полученная масса бозона является одной из возможных временных масс, существуют другие ее значения. Эти значения массы также могут реализоваться, поскольку (говоря простым языком) бозон Хиггса - это элементарная частица, которая может проявлять волновые свойства. То есть существует вероятность его перехода в более устойчивое состояние, соответствующее большей массе. Если такой переход произойдет, то все, известные человеку природные законы, приобретут другой вид, поэтому наступит конец известной нам Вселенной. Кроме того, данный процесс уже мог произойти в какой-либо части Вселенной. Человечеству остается не так много времени для своего существования.

Польза БАК и других ускорителей элементарных частиц для общества

Технологии, которые разрабатываются для ускорителей частиц, являются полезными и для медицины, информатики, индустрии, окружающей среды. Например, магниты коллайдера, изготовленные из суперпроводящих материалов, с помощью которых разгоняются элементарные частицы, могут применяться для медицинский технологий диагностики. Современные детекторы различных частиц, образующихся в коллайдере, могут использоваться в позитронной томографии (позитрон - это античастица электрона). Кроме того, технологии формирования пучков из элементарных частиц в БАК могут использоваться для терапии различных заболеваний, например, раковых опухолей.

Что касается пользы исследований с помощью БАК в ЦЕРН (Женева) для информационных технологий, то следует сказать, что глобальная компьютерная сеть GRID, а также сам интернет обязаны своему развитию во многом экспериментам с ускорителями элементарных частиц, которые производили огромное количество данных. Необходимость в обмене этими данными между учеными всего мира привела к созданию в ЦЕРН Тимом Бернелсом-Ли языка World Wide Web (WWW), на котором основан Интернет.

Пучки частиц, которые формировались и формируются в различного рода ускорителях, в настоящее время широко используются в индустрии исследования свойств новых материалов, структуры биологических объектов и продуктов химической промышленности. Достижения физики элементарных частиц применяются для конструирования солнечных энергетических панелей, для переработки радиоактивных отходов и так далее.

Влияние открытия частицы Хиггса на литературу, кино и музыку

Следующие факты свидетельствуют о сенсационности новости открытия частицы массы в физике:

• После обнаружения этой частицы была опубликована научно-популярная книга "Частица Бога: если Вселенная - это ответ, то каков же вопрос?" Льва Лидермана. Физики считают, что называть бозон Хиггса частицей Бога является преувеличением.
• В фильме "Ангелы и демоны", который основан на одноименной книге, используется также название бозона "частица Бога".
• В фантастическом фильме "Солярис", в котором главными героями являются Джордж Клуни и Наташа Макэлхоун, выдвигается теория, где упоминается поле Хиггса, и его важная роль в стабилизации субатомных частиц.
• В научно-фантастической книге "Флэшфорвард", написанной Робертом Савьером (Robert Sawyer) в 1999 году, два ученых становятся причиной мировой катастрофы, когда ставят эксперименты по обнаружению бозона Хиггса.
• Испанский сериал "Ковчег" повествует о мировой катастрофе, при которой все континенты оказались затопленными в результате экспериментов на Большом Адронном Коллайдере, а выжили только люди на корабле "Полярная Звезда".
• Музыкальная группа из Мадрида "Aviador Dro" в своем альбоме "Голос науки" посвятило песню найденному бозону массы.
• Австралийский певец Ник Кейв в своем альбоме "Push the Sky Away" одну из песен назвал "Синий бозон Хиггса".