Маленький, да удаленький. Почему Бозон Хиггса так важен для современной науки?

smapse — 11.05.2022

Многие из нас слышали о Бозоне Хиггса, а уж про Большой Адронный Коллайдер в годы его запуска не пошутила только ленивая команда КВН. 

Да, в этой статье будут сложные термины и физические теории, но мы постараемся всем и каждому объяснить, что ж ученые со всего мира так долго ловили загадочный бозон и чем он так важен для будущего науки (и, кстати, не только физики).

Основы теории: что исследовали-то?

Квантовая физика доказала, что пространство не является пустым: обычные, уже привычные со школьной скамьи частицы (протоны, нейтроны, электроны) в нем соседствуют с квантовыми полями.

Если протоны, электроны и иже с ними служат главными строительными кирпичиками для любой материи, то элементарные частицы, населяющие квантовые поля, создания куда более неуловимые: они появляются и распадаются столь быстро, что отследить их практически невозможно. Изучением субатомных частиц и сил взаимодействия между ними занимается, собственно, физика частиц.

Мало того, что эти субатомные частницы неуловимы — они еще и малышки: меньше атома, короче длины волны видимого света. «Поймать» их можно только во время столкновения атомных ядер на суперскорости (практически на скорости света). По сути, физики в подобных опытах пытаются воссоздать Большой Взрыв, который и образовал нашу Вселенную, используя для этого новейшее оборудование:

• Большой адронный коллайдер (БАК)
• Релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC)
• «Тэватрон» (больше не используется).

Формулируется даже своеобразная «теория всего»: она пытается объяснить принцип «работы» всех субатомных частиц во Вселенной, их взаимодействия. Уже создана достаточно стройная Стандартная модель физики элементарных частиц, помимо самых «малышек» описывающая фундаментальные силы природы, работающие на субатомном масштабе:

1. Сильное взаимодействие (связь кварков в адронах, притяжение внутри атомных ядер протонов и нейтронов)
2. Слабое взаимодействие (взаимодействия нейтрино, радиактивный распад)
3. Гравитационное взаимодействие (взаимное притяжение вещества)
4. Электромагнитное взаимодействие (как формируются атомы и какие свойства приобретают).

Конечно, большинство частиц обладают массой (пусть и крошечной), а вот частицы, переносящие взаимодействия, этой массой не должны были обладать. И вот тут-то слово Бозону Хиггса: у нее, по умолчанию безмассовой, масса имеется! Бозон удалось «поймать» в июле 2012 года, после почти 40 лет дискуссий и теоретических выкладок.

«Частица Бога»

Ученый Питер Хиггс, в честь которого и назвали новую фундаментальную частицу, уже предсказывал ее открытие, потому, по слухам, даже расплакался, когда получил реальное подтверждение своему предположению.

Питер Хиггс (Нобелевская премия по физике 2013 года) еще в 60-х годах сформировал теорию: как частицы, переносящие слабое/электромагнитное взаимодействие, в процессе остывания Вселенной могут получать разную массу:

Мельчайшие частицы (кварки, нейтроны, протоны) проходят через невидимое магнитное поле (поле Хиггса) и в этот момент приобретают массу. Есть те, которые проходят через хиггсовское поле свободно, но некоторые в нем «вязнут», накапливая массу. Если утверждение верно, то такое поле должно иметь связанную с ним частицу, которая и взаимодействует с «пролетающими». Эта частица магнитного поля и есть Бозон Хиггса.

Несмотря на довольно-таки стройную теорию, много лет загадочный бозон засечь не удавалось: он чрезвычайно быстро распадается на более стабильные частицы, существуя только одну септилионную секунды. А ведь чтобы его найти, нужно наблюдать даже не тысячи — триллионы атомных столкновений!

Но вот в 2012 году ученые нашли новый бозон массой 125,3 ГэВ +/- 0,6 на 4,9 сигмы — если не вдаваться в расшифровку цифр и символов, на 99,99997% (в диапазоне масс 125 ГэВ) можно было сказать с уверенностью: бозон Хиггса обнаружили.

Позже он смог их удивить еще больше — оказалось, распадаться он может даже разными способами:

1. частица массой 126,6 ГэВ распадалась на два фотона
2. частица массой 123,5 ГэВ распадалась на четыре лептона.

Разница между частицами была слишком мала, так что эту необычность списали на статистическую погрешность.

Почему вообще несовпадение масс вызвало удивление и резонанс? Для супермалых частиц вроде бозона эта масса довольно велика. Соответственно, ученые, видя передачу такой «большой» массы, считают, что вакуум Вселенной нестабилен (или «метастабилен»).

В журнале Nature (1982 год) даже была опубликована статья (авторы Фрэнк Вильчек и Майкл Тернер), в которой утверждалось о наличии во Вселенной пузыря истинного вакуума (по крайней мере, утверждалась вероятность его появления). 

Этот пузырь сможет передвигаться со скоростью света, и мы даже не успеем осознать, что он к нам приближается, как наши фотоны и прочие «кирпичики» материи распадутся.

Бозон Хиггса поможет ускорить современные физические исследования, ближе рассмотреть законы и закономерности Вселенной и нашей реальности. 

Стандартная модель физики элементарных частиц сможет быть улучшена, расширена, дополнена, в ней закроются теоретические «дыры». 

Кто знает, может, и раскрытие секретов темной материи уже не за горами и свершится на нашем веку?

Оставить комментарий

Популярные посты:

bafostri

Качественные входные двери спб: на что обратить внимание перед покупкой?

vikond65

Это балконы или что?

a_nalgin

О проклятых отщепенцах, изменниках и предателях Разрыв шаблона?

a_simakoff

Конкурс знатоков кинов

andyburg54

О средней ЗП в СССР замолвлю я слово...

magman67

Еженедельники

bluxer

Предположим, 2 человека работают в офисе на одном этаже,

troll_lol_o

Вообще-то это значит "от себя"

uctopuockon_pyc

Цирк-шапито

• Ранее
• Архив