Бозон Хиггса: одно из самых важных открытий в науке — Naked Science
Редакция
13

Бозон Хиггса: одно из самых важных открытий в науке

3.7

Почти каждый из нас слышал словосочетание «бозон Хиггса», но в чем настоящая ценность открытия этой частицы, понятно немногим. Попробуем разобраться, почему этот бозон так важен для науки.

Бозон Хиггса
©Wikipedia

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. 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Вчера, 11:04
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

Вчера, 21:04
Мария Азарова

Ученые подтвердили связь между коронавирусной инфекцией и снижением когнитивных способностей на основе анализа данных более чем 81 тысячи человек.

Позавчера, 11:36
Ольга Иванова

Своими корнями история Армении уходит в глубокую древность и неразрывно связана с историей всего Древнего мира. Но зачастую, зная в деталях историю Рима и Древней Греции, мы в гораздо меньшей степени осведомлены о событиях, происходивших в Античное время в Армении, оказавшейся на перекрестке цивилизаций Запада и Востока. В силу многих причин она не попала в должном объеме в учебники и незнакома тем, кто интересуется историей. Попытаемся хоть немного исправить эту несправедливость.

Вчера, 11:04
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

Вчера, 21:04
Мария Азарова

Ученые подтвердили связь между коронавирусной инфекцией и снижением когнитивных способностей на основе анализа данных более чем 81 тысячи человек.

Позавчера, 11:36
Ольга Иванова

Своими корнями история Армении уходит в глубокую древность и неразрывно связана с историей всего Древнего мира. Но зачастую, зная в деталях историю Рима и Древней Греции, мы в гораздо меньшей степени осведомлены о событиях, происходивших в Античное время в Армении, оказавшейся на перекрестке цивилизаций Запада и Востока. В силу многих причин она не попала в должном объеме в учебники и незнакома тем, кто интересуется историей. Попытаемся хоть немного исправить эту несправедливость.

13 июля
Ольга Иванова

Международная команда ученых идентифицировала ДНК из почвы в грузинской пещере. Благодаря этому исследователям удалось восстановить геном человека возрастом 25 тысяч лет, не имея никаких скелетных останков.

Вчера, 11:04
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

8 июля
Василий Парфенов

Подросток из бельгийского города Остенде стал вторым самым юным обладателем высшего образования в обозримой истории. Он с отличием окончил курс физики в Антверпенском университете и теперь собирается защитить магистерскую степень, а затем и докторскую диссертацию в этой области. Цель у него простая и понятная: увеличение продолжительности жизни человека вплоть до полного бессмертия за счет замены частей тела и органов механическими или искусственными.

[miniorange_social_login]

Комментарии

13 Комментариев

-
0
+
Поле Хиггса, это пространственно временному энергетическому континууму (ПВЭК) или пространство нашей вселенной, а точнее сеть взаимосвязанных струн потока, которая наделяет материю массой. Чем больше область ПВЭК занята материальным телом, и чем больше плотность энергии в этом теле, тем больше надо приложить усилий для ускорения этого тела. Для примера возьмём нуклон. При передвижении, он движется вместе с фрагментом пространства, ограниченного его структурой. При движении передний фронт струн потока пространства нуклона взаимодействует с окружающим пространством. Струны переключаются и присоединяются к пространству нуклона. На заднем фронте происходит обратный процесс. При равномерном движении количество присоединившихся струн равно количеству отсоединившихся, суммарная энергия нуклона неизменна. При ускоренном движении количество присоединившихся струн больше отсоединившихся, энергия нуклона растет за счёт захваченных струн пространственного вакуума. При замедленном движении, происходит обратный процесс, энергия нуклона падает. Так возникает инерция, а, следовательно, и масса. Механизм появления сил инерции для нуклона справедлив для тел любого размера. Теперь, когда мы имеем представление о том, что такое поле Хиггса, возникает вопрос. А что такое бозон Хиггса? Бозон Хиггса это квант энергии, распространяющийся со скоростью света в поле Хиггса, как импульс плотности. Бозон Хиггса имеет массу -125,26±0,21 ГэВ/с2 Электрический заряд, спин =0 Время жизни 1,56•10^-22 с. Схемы рождения бозона Хиггса объединяет одна особенность, все эти процессы связаны с выделением энергии при аннигиляции частиц (W-W+,Z) или выделении энергии при суммарном электрическом заряде = 0. Фактически это «пинок» по ПВЭК способный вызвать волну с определённой плотностью энергии, эта волна тут же отдаёт свою энергию струнам потока, преобразуясь в пару кварк анти кварк, или пару фотонов, или W-W+, с последующим распадом. Бозон Хиггса, сам по себе не наделяет материю массой, но служит экспериментальным подтверждением существования материальной структуры пространственного вакуума, которая существует как единая среда. Именно эта среда наделяет материю, от элементарных частиц, до планет, галактик и метагалактик массой. Именно эта среда обеспечивает справедливость уравнений Максвелла, а так же законы механики, вплоть до ОТО и СТО. Именно эта среда, в совокупности с Хаосом порождает законы квантовой механики и устраняет противоречие между вышеперечисленными законами. Эта среда и есть поле Хиггса: - или пространство нашей вселенной; - или ПВЭК; - или Большой квантовый компьютер (размером более 10^90 кудитов) с временем декогерентности равным времени жизни вселенной; - или информационное пространство. Всё перечисленное эквивалентно и справедливо!!! Подробнее: https://orcid.org/0000-0001-5343-6498 или http://doi.org/10.5281/zenodo.4278471.
    Очень интересно, но не особо понятно. Как я понимаю, тут много теории струн. Но при чем здесь Хаос и Большой квантовый компьютер?
    +
      ещё комментарии
      -
      0
      +
      Теория струн более 10^100 вариантов возможных реальностей, но ответить на вопрос какая из них наша не в состоянии. Вопрос о структуре пространства и его происхождения, тоже повис в воздухе из-за отсутствия вразумительной теории объясняющей все известные факты. Даже Дирак, «не мудрствуя лукаво», для объяснения квантового скачка электрона ввел оператор его уничтожения и рождения. Появился принцип: не думай, считай. Срочно требуется теория пространства, способная объяснить всю совокупность существующих фактов и доказанных закономерностей!!! Предлагаю каркас такой «Теории Всего», пока это гипотеза, для заполнения этого каркаса может не хватить жизни… Но попробуем. Что касается Хаоса, то только на его основе (в интерпретации изложенной в моей статье) можно объяснить все парадоксы квантовой механики, структуру и происхождение пространства, в том числе и квантовые компьютеры. Ведь каждая струна потока электрического или магнитного поля имеет, как минимум девять уровней в состоянии суперпозиции (в трёхмерном пространстве) и является сложным кудитом (многоуровневая разновидность кубита). Получается, что даже микроскопические объёмы пустого пространства содержат колоссальный объём информации (подробнее в моей статье http://doi.org/10.5281/zenodo.4278471 ), которая постоянно циркулирует преобразуясь и отражая все физические процессы во вселенной по многоуровневому голографическому принципу.
        Зачем здесь эти ссылки? Еще один непризнанный гений или действительно разработали что-то важное? Если второе -- прямая дорога в рецензируемые журналы. Там и комментарии по делу дадут и укажут на нестыковки. Наличие DOI еще не делает публикацию научной.
-
0
+
Интересно, кто нибудь скажет, а что отвечает за уже за массу бозона Хиггса? Видимо, какой-то другой бизон со своей массой. И так до бесконечности. Между тем масса - величина мнимая...
14.02.2020
-
-1
+
Бозон Хиггса: одно из самых важных "закрытий" в науке!
18.01.2020
-
0
+
Есть высший разум Это бог! Человеческий разум имеет границы понимания.
10.03.2019
-
-1
+
Желание что-то "открыть" пересиливает желание понять, но природе не слишком нравится наш диктат и всё происходит по её законам, а не нашим: w=rc*rc/t=m*vˇ2=h/t, так всё-таки вернее будет и не надо гравитацию высасывать из Хиггса, просто чем больше скорость, тем круче траектория.
-
-1
+
Re: Строение среды Цитировать ЯДРО ОБЫЧНОЙ ЗВЕЗДЫ ПРИ РАССЛОЕНИИ ЭЛЕКТРОННОЙ ПЛОТНОСТИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РАЗРЯДАХ ОБРАЗОВЫВАЕТ ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ И МЕДЛЕННО ПРЕВРАЩАЮТСЯ В ПЛАНЕТУ.НОВАЯ ЗВЕЗДА ОБРАЗОВЫВАЕТ В ОСНОВНОМ ВОДОРОД И РАССЕИВАЕТ ЕГО ПО ПРОСТРАНСТВУ ВСЕЛЕННОЙ. ... Да, ты прав, говоря о СРЕДЕ Вселенной! Но, эта парадигма не отвечает на вопрос до конца, - что из себя представляло и представляет ДО-ВСЕЛЕНСКОЕ ПРОСТРАНСТВО Мироздания? Т.е. - за ГРАНИЦЕЙ Вселенной - СРЕДЫ! А, вот, здесь нам не обойтись без ОБОЛОЧКИ между СРЕДОЙ Вселенной и пространством Мироздания. И, чтобы выйти в пространство Мироздания необходимо иметь некую Большую Вселенную, внутри которой находится бесчисленное количество Малых Вселенных. Конструкцию Большой Вселенной мы описали ранее! Итак, каждая Малая Вселенная, из бесчисленного множества, находясь внутри Большой Вселенной, имеет свою водородную оболочку, между которыми находится СУБСТАНЦИЯ ЭФИРА/ТЭ+ТМ - "пена" субстанции пространства Мироздания, в которой, точечными силами векторов ЭНЕРГИИ поддерживается/"плавает" каждая Малая Вселенная, имеющие точки касания для перетока избыточной энергии СРЕДЫ, априори "золотой пропорции" 75:20:5 по Закону круговорота, сохранения энергии в Мироздании, в механике перетока одной М.Вселенной в другую. Толщины этих атомарно-водородных оболочек Малых Вселенных постоянно подпитываются атомами водорода - "производством" ЭФИРИЧЕСКОГО ВИХРЯ Мироздания! Эти толщины оболочек гарантированно обеспечивают НЕ СТАЛКИВАНИЕ Малых Вселенных априори идентичных электромагнитных полей. Следовательно, космологический ХАОС ИСКЛЮЧЁН! Однако, внутри Малых Вселенных продолжает кипеть "ЖИЗНЬ", априори Закона борьбы противоположностей структур - борьбы подобных вихрей чистого ЭФИРА между собой уже в комплексной СРЕДЕ Малых Вселенных. Эта модель позволяет предположить КОНЕЧНОСТЬ Малых Вселенных, в гармонии "рождения Новой Вселенной в совмещённом ЦЕНТРЕ Мироздания, Большой Вселенной, но в точке центра умершей Малой Вселенной, т.е. на той же оси/"игле", зарождение которой проталкивает точками касания оболочек вышестоящие Малые Вселенные ВЫШЕ на ОСИ общей пространственной ВРЕМЕНИ, в результате чего каждая Малая Вселенная имеет свой возраст с рождения ВИХРЕМ ЭФИРА Мироздания Первого атома водорода. Итак, на "иглах" Мироздания-Большой Вселенной-Малых Вселенных, формируется ЕДИНЫЙ ПОРЯДОК Мироздания, априори исполнения Закона КРУГОВОРОТА, обмена и сохранения ЭНЕРГИИ в бесконечно-большом пространстве Мироздания! Но, как мы с Евгением описали, ПОРЯДОК Мироздания обеспечивает следующая атомарно-водородная ОБОЛОЧКА между шарообразной сферой Большой Вселенной и бесконечно-большим пространством Мироздания - ЭФИРОМ. Механизм этой оболочки заключается в постепенном уменьшении количества атомов водорода - разряжении - по мере углубления в чистое пространство ЭФИРА - субатомное пространство Мироздания/"пену" ЭФИРА. Как мы предполагаем, что только подобная МОДЕЛЬ Мироздания может обеспечить действие ЗАКОНА КРУГООБОРОТА, сохранения и обмена энергии в пространстве Мироздания, без всякого БВ и сингулярности. Итак, космологическая МОДЕЛЬ: бесконечно-большое шарообразное пространство ЭФИРА Мироздания/"пена", как субатомарно-водородная СУБСТАНЦИЯ, между Мирозданием и Большой Вселенной, далее, - субатомарно/атомарно-водородные ОБОЛОЧКИ Малых Вселенных, внутри космологического пространства Большой Вселенной! И, за атомарно-водородной оболочкой каждой Малой Вселенной - внутри - ЖИЗНЬ-БОРЬБА с кульминацией рождения СУПЕРНОВЫХ ГИГАНТОВ, в результате которой, образно выражаясь, и происходит "волшебство" ПОРЯДКА по табл. ДМ. Менделеева, вплоть до рождения элементов ГРУППЫ элементов ТЯЖЁЛЫХ МЕТАЛЛОВ, что во времени и приводит к СМЕРТИ галактик, всех звёзд, чёрных дыр и т.д. превращая 5,0-ть процентов СРЕДЫ в безжизненный пепел, свободно поднимающийся, априори "положительной плавучести" сквозь ЭФИР и оседающий в виде конденсата в иных Малых Вселенных в поясах типа ООрты и Койпера, как отработанный шлак-пепел и лёд... Если коротко и популярно... В.А. Сознание определяет бытие!
-
0
+
Ясно - собирались всё понять,а в итоге ещё больше запутались.
-
2
+
Опять комментарии от ведущих диванных физиков. Что их побуждает сюда заходить?
-
-1
+
Долбня Н. Очевидно, что при стихийном столкновении двух и более протонов (в ЦЕРН-е) может получиться только осколки этих протонов, которые состоят из 10(12) амеров каждый. Поскольку эти образования созданы не Природой, они рассеиваются на амеры в Эфире. И назвать их элементарными частицами, тем более "частицами Бога", может только недобросовестный человек (не говоря уж об ученом). Подробней в моей книге "Раскрытие тайн Вселенной" . Интернет.
Подтвердить?
Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: