Новая теория может объяснить массу Хиггса (5 фото). Новая теория может объяснить массу Хиггса (5 фото) Через год после открытия бозона Хиггса Нобелевскую премию получили Питер Хиггс и Франсуа Энглер. За что

На вопрос очень популярно и доходчиво о бозоне хиггса заданный автором Александр Саенко лучший ответ это Бозон Хиггса, или Хиггсовский бозон - теоретически предсказанная элементарная частица, квант поля Хиггса, с необходимостью возникающая в Стандартной Модели вследствие хиггсовского механизма спонтанного нарушения электрослабой симметрии. По построению, хиггсовский бозон является скалярной частицей, то есть обладает нулевым спином. Постулирован Питером Хиггсом в 1960 году (по другим данным, в 1964 году) , в рамках Стандартной Модели отвечает за массу элементарных частиц.
В теории, при минимальной реализации хиггсовского механизма должен возникать один нейтральный хиггсовский бозон; в расширенных моделях спонтанного нарушения симметрии может возникнуть несколько хиггсовских бозонов различной массы, в том числе и заряженные.
Впрочем, существуют модели, не требующие введения бозона Хиггса для объяснения масс наблюдаемых частиц Стандартной Модели, так называемые бесхиггсовские модели. Отрицательный результат поисков бозона Хиггса послужил бы косвенным аргументом в пользу подобных моделей.
Эксперименты по поиску и оценке массы хиггсовского бозона
Поиски хиггсовского бозона в Европейском центре ядерных исследований на Большом электрон-позитронном коллайдере (LEP) (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 при массе 114 ГэВ, два - на DELPHI и одно - на L3. Такое количество событий приблизительно соответствовало ожидавшемуся уровню фона. Предполагается, что вопрос о существовании бозона Хиггса прояснится окончательно после вступления в строй и нескольких лет работы Большого адронного коллайдера (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 2010 году в ходе экспериентов на Тэватроне исследовательской группой DZero было обнаружено 1-процентное отклонение результатов от теоретически предсказанных стандартной моделью. 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 (легкий и тяжелый) и псевдоскалярный бозоны. Ожидается, что подтвердить или опровергнуть данную гипотезу помогут эксперименты на большом адронном коллайдере.
Бозон Хиггса в массовом сознании
Бозон Хиггса - последняя до сих пор не найденная частица Стандартной модели. Частица Хиггса так важна, что нобелевский лауреат Леон Ледерман назвал её «частицей-богом» . В средствах массовой информации бозон Хиггса охарактеризован как «частица Бога». С другой стороны, невозможность открыть этот бозон может скомпрометировать текущую реализацию Стандартной модели, однако в физике элементарных частиц уже разработаны её расширения (бесхиггсовские модели) .

Ровно пять лет назад, 4 июля 2012 года, в главной аудитории CERN две крупнейшие коллаборации Большого адронного коллайдера сообщили об открытии бозона Хиггса. Это последняя частица, предсказанная в Стандартной модели - поиски неуловимой частицы продлились почти полвека. Как только бозон ни называли, дело доходило даже до «божественной частицы», по одноименной книге физика Леона Ледермана. Как признался автор, сначала он хотел назвать книгу «Goddamn particle» («Чертова (проклятая) частица»), но такое название не пропустил издатель. Хотя с момента открытия прошло уже порядочно времени, физики, по сути, только начали исследовать свойства бозона Хиггса. В честь годовщины мы предлагаем вам небольшой тест об этой примечательной частице.

1. Зачем вообще пришлось вводить бозон Хиггса в Стандартную модель?

2. Через год после открытия бозона Хиггса Нобелевскую премию получили Питер Хиггс и Франсуа Энглер. За что?

3. Какая часть массы атома водорода возникает благодаря механизму Хиггса?

4. Как долго «живет» бозон Хиггса?

5. Поле Хиггса обеспечивает массами все элементарные частицы, в том числе и сам бозон Хиггса. Есть ли элементарные частицы, тяжелее бозона Хиггса?

Я, извините, про высокие технологии.
Столько шуток низкопробных, столько ерничества по поводу науки, бозона Хиггса, БАК (большого хардронного коллайдера) - что противно и грустно за человечество (которое его, БАК, собственно, и создало).
Так вот, максимально доступно про бозон, который у всех на слуху и про который не знает толком почти никто, а значит, говорят что попало.
Готов таки поспорить на крупную сумму, что большинство из читателей этого поста (в том числе и люди, ещё интересующиеся наукой) не представляют себе, что же такое нашли физики на большом хардронном коллайдере, почему они это так долго искали, и что будет дальше.
Люди вообще очень плохо умеют представлять в уме, что творится в микромире, на масштабе элементарных частиц. Скажем, многие со школы представляют себе, что электроны - такие маленькие желтые шарики, вроде мини-планет, вращающихся вокруг ядра атома, а то похоже на ягоду малины, составленную из красных и синих протонов-нейтронов. Те, кто немного знаком с квантовой механикой по популярным книгам, представляют элементарные частицы в виде этаких размытых облачков. Когда нам пишут, что любая элементарная частица одновременно является волной, мы представляем себе волны на море (или в океане): поверхность трехмерной среды, которая периодически колеблется. Если нам сказать, что частица представляет собой событие в некотором поле, мы представим себе поле (что-то такое гудит в пустоте, как трансформаторная будка).
И всё это очень плохо. Слова «частица», «поле» и «волна» крайне плохо отражают реальность, и представлять их себе нельзя никак. Какой бы визуальный образ ни пришел вам в голову, он будет неверным и будет мешать пониманию. Элементарные частицы не являются чем-то, что в принципе можно увидеть или «пощупать», а мы, потомки обезьян, рассчитаны на то, чтобы представлять себе только такие вещи. Неправда, что электрон (или фотон, или бозон Хиггса) «являются одновременно частицей и волной»; это нечто третье, для чего слов в нашем языке никогда не было (за ненадобностью). Мы (в смысле, человечество) знаем, как они себя ведут, мы можем производить какие-то расчеты, мы можем устраивать с ними эксперименты, но мы не можем подобрать для них хороший мысленный образ, потому что штуки, хотя бы примерно похожие на элементарные частицы, на наших масштабах не встречаются вообще.
Профессиональные физики и не пытаются визуально (или как угодно ещё в терминах человеческих чувств) представлять себе то, что творится в микромире; это плохой путь, он никуда не ведет. У них постепенно вырабатывается некоторая интуиция насчет того, какие там объекты обитают, и что с ними случится, если сделать то-то и то-то, но непрофессионал вряд ли сможет её продублировать.
Так, надеюсь, вы больше не думаете о маленьких шариках. Теперь о том, что же все-таки искали и нашли на Большом Адронном Коллайдере.
Общепринятая теория того, как устроен мир на самых маленьких масштабах, называется Стандартная Модель. Согласно ей, наш мир устроен так. В нём есть несколько принципиально разных типов вещества, которые различными способами взаимодействуют друг с другом. О таких взаимодействиях иногда удобно говорить как об обмене некими «объектами», для которых можно измерить скорость, массу, можно разогнать их или столкнуть друг с другом и т.п. В каких-то случаях удобно называть их (и думать о них) как о частицах-переносчиках. Таких частиц в модели 12 разновидностей. Напоминаю, что всё, о чем я сейчас пишу, все равно неточно и профанация; но, надеюсь, всё же гораздо меньшая, чем сообщения большинства СМИ. (Например, «Эхо Москвы» 4-го июля отличилось фразой «5 баллов по шкале сигма»; знающие оценят).
Так или иначе, 11 из 12 частиц Стандартной модели уже наблюдались ранее. 12-я - бозон, соответствующий полю Хиггса - то, что придает многим остальным частицам массу. Очень хорошая (но, конечно, тоже неверная) аналогия, которую придумал не я: представьте себе идеально гладкий бильярдный стол, на котором находятся бильярдные шарики-элементарные частицы. Они легко разлетаются в разные стороны и движутся куда угодно без помех. Теперь представьте себе, что стол покрыт некой липкой массой, затрудняющей движение частиц: это поле Хиггса, а то, насколько частица прилипает к такому покрытию - и есть его масса. С некоторыми частицами поле Хиггса не взаимодействует никак, например, с фотонами, и их масса, соответственно, равна нулю; можно представить себе, что фотоны похожи на шайбу в аэрохоккее, и покрытие не замечают вообще.
Вся эта аналогия неверна, например, потому что масса, в отличие от нашего липкого покрытия, мешает частице не двигаться, а ускоряться, но какую-то иллюзию понимания дает.
Бозон Хиггса - это частица, соответствующая этому «липкому полю». Представьте себе очень сильный удар по бильярдному столу, повредивший сукно и смявший небольшое количество липкой массы в складку-пузырик, которая очень быстро растечется обратно. Вот, это он и есть.
Собственно, именно этим Большой адронный коллайдер и занимался все эти годы, и примерно так процесс получения бозона Хиггса и выглядел: лупим изо всех сил по столу до тех пор, пока само сукно не начнет превращаться из очень статичной, твердой и липкой поверхности во что-то более интересное (или пока не случится что-нибудь ещё более чудное, теорией не предсказанное). Именно поэтому БАК настолько большой и мощный: с меньшей энергией «по столу» бить уже пытались, но безуспешно.
Теперь насчет пресловутых 5 сигма. Проблема вышеописанного процесса заключается в том, что мы можем только стукнуть и надеяться, что из этого что-то выйдет; гарантированного рецепта получения именно бозона Хиггса нет. Хуже, когда он все-таки родился на свет, мы должны успеть его зарегистрировать (увидеть его, естественно, нельзя, да и существует он лишь ничтожную долю секунды). Каким бы детектором мы ни пользовались, мы можем лишь сказать, что кажется, возможно, мы наблюдали нечто похожее.
Теперь представьте себе, что у нас есть особая игральная кость; она падает случайно на одну из шести граней, но если рядом с ней как раз в это время находится бозон Хиггса, то шестерка не выпадет никогда. Это типичный детектор. Если мы кинем кость один раз и одновременно стукнем изо всех сил по столу, то вообще никакой результат нам ровно ни о чем не скажет: выпало 4? Вполне вероятное событие. Выпало 6? Возможно, мы просто стукнули по столу слегка не в тот момент, и бозон, хотя и существующий, не успел родиться в нужный момент, или наоборот, успел распасться.
Но мы можем проделывать этот эксперимент несколько раз, и даже много раз! Отлично, давайте кинем кость 60 000 000 раз. Допустим, при этом шестерка выпала «всего лишь» 9 500 000 раз, а не 10 000 000; значит ли это, что бозон время от времени появляется, или это всего лишь допустимая случайность - мы же не верим, что кость должна лечь шестеркой ровно 10 миллионов раз из 60?
Ну ээээ. На глазок такие вещи не оцениваются, нужно считать, насколько велико отклонение, и как оно соотносится с возможными случайностями. Чем больше отклонение, тем меньше вероятность того, что кость просто случайно так ложилась, и тем больше вероятность того, что время от времени (не всегда) возникала новая элементарная частица, мешавшая ей лечь шестеркой. Отклонение от среднего удобно выражать в «сигмах». «Одна сигма» - это такой уровень отклонения, который является «наиболее ожидаемым» (его конкретное значение может вычислить любой третьекурсник физ- или матфакультета). Если экспериментов достаточно много, то отклонение в 5 сигма - это тот уровень, когда мнение «случайность маловероятна» превращается в абсолютно твердую уверенность.
О достижении примерно этого уровня отклонений сразу на двух разных детекторах и объявили физики 4 июля. Оба детектора вели себя очень похоже на то, как они бы вели себя, если бы получаемая в результате сильных ударов по столу частица действительно была бозоном Хиггса; строго говоря, это ещё не значит, что перед нами именно он, нужно измерить всякие прочие его характеристики всякими другими детекторами. Но сомнений осталось уже мало.
Наконец, о том, что нас ждет в будущем. Была ли открыта «новая физика», и был ли совершен прорыв, который пригодится нам для создания гиперпространственных двигателей и абсолютного топлива? Нет; и даже наоборот: стало ясно, что в той части физики, которая изучает элементарные частицы, чудес не происходит, и природа устроена практически так, как физики всю дорогу и предполагали (ну, или почти так). Это даже немного грустно.
Ситуация осложняется тем, что нам совершенно твердо известно, что она в точности так устроена быть не может в принципе. Стандартная модель чисто математически не совместима с общей теорией относительности Эйнштейна, и то, и другое одновременно быть верно просто не может.
И куда теперь копать, пока не очень понятно - не то чтобы мыслей совсем нет, скорее, наоборот: различных теоретических возможностей слишком много, а способов их проверить гораздо меньше. Дальше реальность выходит за пределы моей компетенции. Но примерно вот так.

В поисках бозона принимали участие ученые мира, в том числе специалисты из России. В итоге обнаружить признаки его существования удалось, разогнав до скорости света пучки протонов в 27-километровом туннеле коллайдера и проанализировав результаты их столкновения.

Бозон Хиггса — последнее недостающее звено для стандартной модели Вселенной. Но, возможно, он станет первым звеном новой модели. Эту частицу можно сравнить со Святым Граалем. Долгие годы ученые, действительно, прилагали все усилия, чтобы получить информацию о ее существовании.

Уже известно, что в 2013 году коллайдер приостановит свою работу примерно на полтора года. Во время этого длительного перерыва будет происходить подготовка гигантской машины к переходу на полную мощность. Это поможет поднять точность измерения массы бозона Хиггса. Огромный интерес также представляет и поиск других гипотетических частиц, предсказываемых некоторыми теориями, так что не исключено, что обнаружение бозона Хиггса — это лишь первый шаг в череде фундаментальных открытий, которые принесут эксперименты на БАК.