Бозон хиггса

Первое свидетельство редкого распада бозона Хиггса является косвенным доказательством существования частиц, выходящих за рамки Стандартной модели.

Открытие бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРН в 2012 году ознаменовало собой важную веху в физике элементарных частиц. Все потому, что бозон Хиггса или «частица Бога» отвечает за механизм появления масс у некоторых других элементарных частиц и подтверждает правильность Стандартной модели. Обнаружение этой неделимой частицы привело к лучшему пониманию Вселенной, а на протяжении последних десяти лет физики изучали бозона Хиггса, пытаясь установить различные способы его образования и распада. Так, согласно Стандартной модели, бозон Хиггса с массой около 125 миллиардов электронвольт может распадаться на Z-бозон и фотон, однако другие модели элементарных частиц прогнозируют иную скорость деградации. Это означает, что редкие случаи распада частицы Бога один из которых ученые наблюдали совсем недавно могут изменить наше представление о мироздании.

Современная физика частиц основана на Стандартной модели, описывающей электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех известных элементарных частиц.

Поле Хиггса

Давайте начнем с основ: квантовая теория поля утверждает, что все частицы, вращающиеся или нет, являются локальными возбуждениями или флуктуациями внутри квантовых полей. Эти поля играют важную роль в обеспечении соблюдения законов природы. Электромагнитное поле, гравитационное поле, электронное поле, поле Хиггса все это поля, которые пронизывают пространство.

Более того, существует квантовое поле для каждой из 12 известных частиц материи, а также поля для всех четырех фундаментальных взаимодействий. Выходит, в нынешнем описании природы каждая частица это волна в поле. Наиболее ярким примером является свет, способный быть и волной в электромагнитном поле и потоком частиц, называемых фотонами, одновременно. А в случае с бозоном Хиггса на первом месте стоит поле.

Согласно теории, через поле Хиггса, заполняющее пространство Вселенной, проходят абсолютно все частицы, из которых строятся атомы.

Поле Хиггса поле, обеспечивающее спонтанное нарушение симметрии электрослабых взаимодействий благодаря нарушению симметрии вакуума. Квантом этого поля является бозон Хиггса, получивший свое название в честь британского физика Питера Хиггса.

Впервые поле Хиггса было предложено в 1964 году как новый вид поля, заполняющего всю Вселенную и придающее массу всем элементарным частицам. Это означает, что собственной массы у частиц нет, они приобретают ее, взаимодействуя с полем Хиггса. И чем сильнее это взаимодействие, тем тяжелее становится частица. Фотоны, например, не взаимодействуют с этим полем и, следовательно, не имеют массы.

Как обнаружить бозон Хиггса?

Интересно, что просто взять и «обнаружить» где-нибудь бозон Хиггса нельзя его можно создать сталкивая частицы между собой. В результате столкновения бозон Хиггса преобразуется или распадается в другие частицы, обнаружить которые можно с помощью детекторов.

Большой адронный коллайдер (БАК) разгоняет протоны до околосветовой скорости и сталкивает их друг с другом, создавая каскад быстро распадающихся частиц.

Проблема заключается в том, что бозон Хиггса появляется примерно в одном из миллиарда столкновений в БАК. Тщательный статистический анализ огромных объемов данных выявил слабый сигнал этой неуловимой частицы в 2012 году.

Бозон Хиггса скалярная частица, а значит, не имеет спина (не вращается)

4 июля 2012 года коллаборации ATLAS и CMS объявили об открытии новой частицы. Несмотря на то, что открытие частицы Бога укрепило Стандартную модель, исследования на этом не закончились. Более того, одним из главных открытий, сделанных с 2012 года, связано с наблюдением крайне редкого распада бозона Хиггса.

Свойства бозона Хиггса

По данным ЦЕРН, масса бозона Хиггса составляет 125 миллиардов электронвольт. Это означает, что частица Бога в 130 раз массивнее протона, не заряжена и имеет нулевой спин квантово-механический эквивалент углового момента. Бозон Хиггса единственная элементарная частица без спина.

Больше по теме: Что такое бозон Хиггса и почему ученые хотели его открыть

Бозон Хиггса нельзя просто где-то обнаружить. Но его можно создать сталкивая частицы между собой на околосветовых скоростях

Исследователи полагают, что бозон Хиггса существовал в ранней Вселенной в условиях высоких энергий, из-за чего его распад происходит слишком быстро. Вот почему идентифицировать его удалось наблюдая за распадом частиц, которые указывали на частицу без спина и соответствовали теоретическим предсказаниям для «отсутствующего бозона».

Интересный факт
Фундаментальные частицы, такие как электроны и кварки, получают большую массу взаимодействуя с полем Хиггса (даже сам бозон Хиггса получает свою массу в результате взаимодействия с полем Хиггса). При этом протоны, состоящие из кварков, получают большую часть своей массы за счет энергии, которая удерживает их составляющие вместе.

Распад «частицы Бога»

Согласно Стандартной модели, если масса бозона Хиггса составляет около 125 миллиардов электронвольт, то бозон Хиггса распадется на Z-бозон (электрически нейтральный переносчик слабого взаимодействия) и фотон (переносчик электромагнитного взаимодействия) с вероятностью всего 0,15%. Словом, этот распад является невероятно редким событием, а его наблюдение может стать косвенным доказательством существования частиц, выходящих за рамки Стандартной модели.

И так как другие теории, расширяющие Стандартную модель, предсказывают иную скорость распада, измерение его скорости дает ценную информацию как о физике элементарных частиц, так и о природе бозона Хиггса.

Бозон Хиггса стал последней экспериментально открытой частицей Стандартной модели

В других теориях, например, бозон Хиггса не распадается непосредственно на Z-бозон и фотон. Вместо этого распады протекают через промежуточный «цикл» виртуальных частиц, которые появляются и исчезают, а обнаружить их невозможно. Эти виртуальные частицы могли бы включать в себя новые, пока еще не открытые частицы, которые взаимодействуют с бозоном Хиггса.

Не пропустите: Обнаружение нейтрино и как оно поможет разгадать тайны Вселенной

Редкий распад бозона Хиггса

В мае 2023 года исследователи ЦЕРН заявили, что впервые наблюдали распад бозона Хиггса не на пару b-кварк-b-антикварк, или на пару фотонов, или на две пары электрон-позитрон (антиэлектрон) и/или мюон-антимюон (как это происходит обычно), а на Z-бозон и фотон.

Используя данные о столкновениях на Большом адронном коллайдере, физики ATLAS и CMS провели обширные поиски распада бозона Хиггса на Z-бозон и фотон. Оба поиска использовали схожие стратегии, идентифицируя Zбозон по его распаду на пары электронов или мюоны более тяжелые версии электронов. Эти распады Z-бозона происходят примерно в 6,6% случаев. В ходе поисков физики также использовали передовые методы машинного обучения.

Читайте также: Физики получают все больше доказательств существования новой, неизвестной силы природы

В новом исследовании ATLAS и CMS объединили наборы данных, собранные в ходе ранее проведенных экспериментов во время второго запуска БАК, который состоялся в период с 2015 по 2018 год. Результатом совместных усилий стало первое свидетельство распада бозона Хиггса на Z-бозон и фотон.

События-кандидаты от ATLAS (слева) и CMS (справа) для бозона Хиггса, распадающегося на Z-бозон и фотон, с Z-бозоном, распадающимся на пару мюонов.

Каждая частица имеет особые отношения с бозоном Хиггса, что делает поиск редких распадов Хиггса высокоприоритетным. Благодаря тщательному сочетанию отдельных результатов ATLAS и CMS мы сделали шаг вперед к разгадке еще одной тайны бозона Хиггса, сообщила журналистам координатор ATLAS по физике Памела Феррари.

Существование новых частиц может оказать существенное влияние на редкие случаи распада бозона Хиггса. Более того, новое исследование проверяет на прочность Стандартную модель. Эксперименты по поиску редких случаев распада бозона Хиггса запланированы на 2029 год, после завершения модернизации БАК.

Хотите всегда быть в курсе последних новостей из мира науки и высоких технологий? Подписывайтесь на наш канал в Telegram так вы точно не пропустите ничего интересного!

Как физика частиц влияет на нашу жизнь?

Поразительно, но открытие бозона Хиггса является лишь началом пути. Исследователи надеются, что в будущем смогут понять, является ли частица Бога единственной в своем роде, может ли она объяснить как образовалась Вселенная и когда материя восторжествовала над антивеществом. Более того, изучая свойства и распад бозона Хиггса, физики, возможно, смогут обнаржить новые частицы и даже таинственную темную материю.

Но вот что удивительно бозон Хиггса оказывает и будет продолжать оказывать влияние на нашу жизнь, причем так, как вы, возможно, и не представляли. Это часть ответа на вопрос, почему мы и все, с чем мы взаимодействуем обладаем массой, испытываем любопытство к устройству Вселенной и ее эволюции.

Событие-кандидат на распад бозона Хиггса на Z-бозон и фотон
The ATLAS Collaboration

В поисках этой неуловимой частицы физики создали невероятные по своей силе технологии ускорителей и детекторов частиц, что привело к достижениям в области здравоохранения и аэрокосмической промышленности.

Только представьте, как может измениться наше представление о Вселенной, если ученые обнаружат существование частиц, не предсказанных Стандартной моделью. Подробнее о том, действительно ли мир стоит на пороге открытия «новой физики» мы рассказывали здесь, рекомендуем к прочтению!

Бозон Хиггса фундаментальная частица, открыть которую удалось всего 12 лет назад. Изображение: assets.newatlas.com

В 2012 году ученые сообщили об одном из величайших событий в области квантовой физики открытии бозона Хиггса фундаментальной частицы, несущей силы поля Хиггса и отвечающую за придание массы другим частицам. Предположение о существовании поля Хиггса впервые выдвинул физик Питер Хиггс в середине шестидесятых годов (в честь него названы и поле и частица). 2024 год, увы, стал последним в жизни этого выдающегося ученого 8 апреля Питер Хиггс скончался в своем доме в Эдинбурге в возрасте 94 лет. Его беспрецедентное наследие, однако, продолжает оказывать огромное влияние на будущее физики элементарных частиц, как никакое другое открытие до него. Более того, если текущие измерения бозона Хиггса верны, то Вселенная нестабильна в своем нынешнем состоянии. Это, в свою очередь, означает, что нам придется пересмотреть все имеющиеся знания как о космосе, так и о физике элементарных частиц. Ну а новое открытие, о котором погоаорим в данной статье, лишь подливает масла в огонь.

Открытие бозона Хиггса совместными усилиями ATLAS и CMS сыграло решающую роль в раскрытии тайн поля Хиггса и его потенциала. Многие ученые полагают, что «Новая физика» не за горами.

Наследие Хиггса

Английский физик Питер Уэйд Хиггс родился в 1929 году. В то время понимание материи и Вселенной было совершенно иным, а ведущая модель материи гласила, что существуют всего три фундаментальные неделимые частицы протоны (находятся внутри атомных ядер), электроны (окружают протоны) и фотоны (частицы света, ответственные за электромагнитное взаимодействие).

При жизни Хиггса произошла удивительная революция, кульминацией которой стало создание Стандартной модели физики элементарных частиц самой успешной в истории системы для понимания строения Вселенной. Однако путь Хиггса к одному из величайших открытий в истории науки был тернистым. Более половины своей жизни физик ждал подтверждения своих теоретических предсказаний.

Питер Хиггс британский физик-теоретик, профессор Эдинбургского университета. Лауреат Нобелевской премии по физике. Изображение: dzeninfra.ru

Читайте также: Обнаружены новые элементарные частицы. Почему это важно?

Идею о существовании частицы, способной придавать массу всем другим частицам, Хиггс озвучил в 1964 году, однако окончательно подтвердить ее существование удалось лишь к 2013 году на Большом адронном коллайдере. В том же году британский ученый был удостоен Нобелевской премии по физике, а частица, названная в его честь стала всемирно известной.

ЦЕРН европейская организация по исследованию элементарных частиц, объявила об открытии бозона Хиггса с большой помпой. Однако сам Хиггс, казалось, был этим смущен и всегда подчеркивал, что многие другие ученые внесли свой вклад в теорию и озвучивали похожие идеи, говорится в некрологе.

Первая статья Хиггса была опубликована в 1964 году в журнале Physical Review Letters, в которой говорилось о новом типе массивных бозонов (одном из типов субатомных частиц). В то время другие теоретики работали в том же направлении, но знаменитая ныне «частица Бога» тогда существовала только в теории.

Хиггс использовал математические идеи о симметрии и о том, как она может быть нарушена чтобы объяснить, как безмассовые частицы могут приобретать массу. Изображение: www.cnet.com

Напомним, что бозон Хиггса связан с полем Хиггса, которое придает массу другим частицам, таким как электроны и кварки, о чем Хиггс сообщил в 1966 году. Если бы тогда поле Хиггса удалось обнаружить, то ученые доказали бы, что стандартная модель последовательная теория природы. Поиск бозона Хиггса, однако, оказался чрезвычайно сложной задачей. Сам ученый и вовсе считал, что этот вопрос не будет решен при его жизни.

Хотите всегда быть в курсе последних открытий в области физики и высоких технологий? Подписывайтесь на наш канал в Telegram так вы точно не пропустите ничего интересного!

Уникальные свойства «частицы Бога»

Итак, как мы знаем сегодня, в основе Вселенной лежат уникальные свойства бозона Хиггса. Подобно твердому, жидкому и газообразному состояниям вещества, поле Хиггса соответствует фазе Вселенной, которую можно определить, измерив взаимодействие бозона Хиггса с другими частицами.

За десятилетие, прошедшее с момента его открытия, многие из этих взаимодействий были обнаружены на БАК. Эти результаты подняли новые вопросы. Стабильность Вселенной ее способность сохраняться в своем нынешнем состоянии более или менее вечно по-видимому, зависит от массы и взаимодействий бозона Хиггса.

Поле Хиггса взаимодействует с атомными субчастицами. Изображение: media.licdn.com

Если текущие измерения этой частицы верны, Вселенная попросту нестабильна, а значит что в какой-то момент она может перейти в другую форму. Ответы, поиском которых сегодня занимаются ученые, могут доказать ошибочность Стандартной модели.

Физики также хотят понять, действительно ли поле Хиггса объясняет все массы элементарных частиц, как предсказывает Стандартная модель. Что касается редкого распада бозонов Хиггса, о которых мы ранее рассказывали, то выяснить, на какие еще частицы они распадаются исследователи пока не могут.

Чтобы окончательно разобраться в хитрых переплетениях субатомных частиц, ученые из Европы, США и Китая работают над строительством новых коллайдеров элементарных частиц, ориентированных на изучение бозона Хиггса. Наследием выдающегося ученого станет программа экспериментальной физики элементарных частиц 21-го века.

Питер Хиггс человек из другой эпохи. Изображение: habrastorage.org

Необходимо отметить, что Хиггс был физиком из другой эпохи. Сегодня практически невозможно представить, чтобы кто-то с его послужным списком смог удержаться в академических кругах он опубликовал всего несколько статей, почти все из которых написал в одиночку. Все потому, что современная академическая среда построена на жесткой конкуренции, а ученые вынуждены публиковать работы как можно чаще.

Трудно представить, что в нынешних условиях у меня будет достаточно тишины и покоя, чтобы заниматься тем, чем я занимался в 1964 году Сегодня я бы не устроился на академическую работу Не думаю, что меня сочли бы достаточно продуктивным, сказал Хиггс в интервью 2013 года.

Симметрия и новые эксперименты

Так как научные открытия (а тем более прорывы) требуют времени, говорить о полном пересмотре нашего понимания устройства мироздания и Веленной несколько преждевременно. Но повод для пересмотра Стандартной модели все-таки есть: бозон Хиггса является лишь одним из результатов «спонтанного нарушения симметрии» поля Хиггса, а значит могут существовать и другие подобные бозоны.

Эти дополнительные субчастицы могут взаимодействовать друг с другом и с бозоном Хиггса. Если их существование удастся подтвердить экспериментальным путем, то ученые, вероятно, смогут объяснить дисбаланс вещества и антиматерии во Вселенной.

Вселенная окутана тайнами. Изображение: symmetrymagazine.org

Не пропустите: Что такое бозон Хиггса и почему ученые хотели его открыть

Недавно ученые из коллаборации ATLAS опубликовали результаты поиска двух новых бозонов Хиггса X и S которые могли бы взаимодействовать с бозоном Хиггса стандартной модели (H). Предполагается, что S-бозон распадается на b-кварки, тогда как H-бозон распадается на фотоны.

Таким образом, неизменные массы этих продуктов распада могут быть использованы для восстановления масс соответствующих бозонов, пишут авторы научной работы.

Поскольку физики не знают масс гипотетических бозонов Хиггса, они прибегли к помощи параметризованной нейронной сеть (PNN) этот метод позволил им не только изучить диапазон масс X и S с высокой степенью детализации, но и получить четкое представление о массах новых бозонов, если они будут обнаружены.

Локальное наблюдаемое значение превышения фоновых процессов стандартной модели в зависимости от масс (m_X, m_S). Изображение: ATLAS Collaboration/CERN

Безусловно, все вышеописанное крайне сложно, однако, заглядывая в будущее
можно сказать, что модели, исследованные в новом анализе, остаются многообещающими возможностями для раскрытия новых физических явлений, выходящих за рамки Стандартной модели. Данные, собранные во время третьего запуска БАК, и дальнейшая работа коллайдера прольют еще больше света как на бозоны Хиггса, так и на тайны Вселенной.

В основе основ всегда есть что-то. Вопрос в том, как это найти.

Многие что-то где-то слышали про бозон Хиггса, а некоторые даже пробовали разобраться в вопросе того, что это такое. В итоге, объяснение данного процесса такое сложное, что понять все это не так легко. Мы просто знаем, что это важно, и все. Хотя иногда даже складывается ощущение, что ученые от нас что-то скрывают, и на самом деле аппаратура на миллиарды долларов, включая Большой адронный коллайдер, просто не нужна. Конечно, это не так, и физики сделали большое открытие (и продолжают делать новые), вот только надо понимать, даст ли это что-то нам с вами. Я имею в виду простых людей, которым интересно прочитать и удивиться, сколько денег потратили на новую лабораторию, но куда интереснее получить от этого какие-то преимущества. Давайте попробуем понять, светит ли нам мир во всем мире и будет в наших домах теплей от обнаружения бозона Хиггса. Да и вообще, что это такое.

Что такое бозон Хиггса

Прежде, чем рассказывать, чем является одно из самых важных открытий современной физики, надо дать этому определение. Желательно сделать это простым языком, а не так, чтобы его поняли только дипломированные физики. Этим и займемся.

Сделать это совсем просто — не просто. Еще в начале девяностых годов прошлого века в разных научных сообществах даже учреждались премии, которые должны были стимулировать ученых придумывать простые объяснения главной частицы всех теорий. Получалось так себе, но версии были очень разные.

Физики отчаянно хотят, чтобы бозон Хиггса был ошибкой

Например, одна из версий абстрактно сравнивала ситуацию с вечеринкой. Приводилась в пример группа людей, которая присутствует на каком-либо мероприятии, куда в какой-то момент заходит известный человек. Для наглядности можно даже сказать знаменитый. В итоге, некоторые люди в помещении начинают перемещаться в его сторону и идут за ним, так как хотят с ним пообщаться.

Во время такого следования толпа может разбиваться на небольшие группы, которые, допустим, будут обсуждать какие-то новости или сплетни. Постепенно они начнут передавать сплетню друг другу и начнут образовывать уплотнения.

Физики наконец-то увидели, на что распадается бозон Хиггса

В этом объяснении помещение является полем Хиггса, знаменитость является частицей, движущейся в поле, а группы людей будут представлять из себя возмущения этого поля. Ничего не понятно? Согласен! Но ведь это одно из самых простых объяснений. Если вы можете более просто объяснить, что такое бозон Хиггса, расскажите об этом в нашем Telegram-чате. Может у вас получится.

Где-то тут должна ходить знаменитость и тогда мы поймем, что такое бозон Хиггса. Или нет…

Существует ли бозон Хиггса

Бозон Хиггса является фундаментальной частицей Стандартной модели. До недавнего времени найти ее было невозможно. При этом существование такой частицы физики предсказывали еще в шестидесятые годы прошлого века. У них не было оборудования, которое позволяло бы доказать существование таких частиц, и им нужен был инструмент, который создали только существенно позже. Произошло это в 2008 году, когда в ЦЕРНе (Европейский совет ядерных исследований) появился Большой адронный коллайдер.

Стандартная модель является теоретической конструкцией, применяемой в физике элементарных частиц. Она описывает электромагнитное взаимодействие всех элементарных частиц (слабое и сильное). Стандартная модель не описывает некоторые стороны физики, например, темную материю. Именно поэтому ее нельзя называть теорией всего. Картинка стандартной модели полностью сложилась, когда открыли бозон Хиггса.

Почему бозон Хиггса называют частицей Бога

С 2008 год ученые подкованы поисках Частицы Бога (одно из названий бозона Хиггса). Так ее называют по предложению Леона Ледермана, который был нобелевским лауреатом и выпустил книгу с заголовком, начинающимся с этих слов. Хотя самому ученому больше по душе было название Проклятая частица, но оно как-то не прижилось.

Благодаря этому американскому ученому бозон Хиггса стали называть именно так.

Как говорится, хоть чертом лысым назови, но частицу в итоге нашли и произошло это в 2012 году. Помог в обнаружении как раз тот самый Большой адронный коллайдер. При этом после обнаружения ученые сообщили об этом, но не торопились делать поспешных выводов и выступали очень осторожно. В первые дни после эксперимента ученые говорили, что они только нашли элементарную частицу, похожую на бозон Хиггса.

Что даст обнаружение частицы Бога

Немного абсурдный пример. Какое-нибудь насекомое живет под землей и никогда не вылезает на поверхность, но догадывается, что небо синее (вот такое умное насекомое). Потом оно видит синий цвет и понимает, какое на самом деле небо, и что оно было право. Вот только изменит ли это что-то с точки зрения самого неба? Конечно, нет. Оно как было синим, так и осталось, а насекомое, как жило под землей, так и продолжило там жить.

Почему наша Вселенная такая странная и существуют ли законы физики?

Примерно так же дела обстоят и с бозоном Хиггса. Он не позволит начать нам путешествовать во времени, не поспособствует созданию вечного двигателя и не станет основной лекарства от всех болезней. По сути его обнаружение просто подтвердило предполагаемые принципы взаимодействия частиц и свело воедино все утверждения Стандартной теории. Возможно, из-за его появления вопросов в других областях физики, наоборот, станет только больше.

Визуализаций поиска бозона Хиггса очень много.

Где можно применить бозон Хиггса

На практике применение бозона Хиггса пока невозможно, да и не понятно, где его применять. Зато он важен для фундаментальной физики. Ну, хотя бы он не привел к концу света, о котором говорили многие скептики. Были даже теории о том, что столкновение частиц в Большом адронном коллайдера может породить черную дыру, которая поглотит всю нашу Солнечную систему. А Дэн Браун в своей известной книге Ангелы и демоны сделал основной сюжета охоту за антивеществом, которое злоумышленники похитили в ЦЕРН.

Бозон Хиггса: портал в темный мир?

В итоге у нас (у человечества) есть бозон Хиггса и Большой адронный коллайдер в центре Европы, стоимость строительства которого превысила 10 миллиардов долларов. Практической пользы для простых людей чуть меньше, чем нет совсем, но звучит вся эта история интересно. Ну, хоть физики довольны — может найдут применение своей находке.

Последние комментарии