В области физики элементарных частиц бывает непросто составить конкуренцию политике и сплетням о знаменитостях, но именно это произошло 4 июля 2012 года, когда ученые в CERN объявили, что они обнаружили бозон Хиггса.
Может быть, знаменитое прозвище бозона, "Божественная частица", поддерживало интерес СМИ. Или, возможно, увлекательная возможность того, что бозон Хиггса отвечает за всю массу во Вселенной, также захватила воображение. Или, возможно, мы просто рады узнать больше о нашем мире и знаем, что если бозон Хиггса существует, то мы немного разгадаем эту тайну.
Стандартная модель физики элементарных частиц
Чтобы действительно понять, что такое бозон Хиггса, нам нужно рассмотреть одну из наиболее выдающихся теорий, описывающих устройство вселенной: стандартную модель. Модель представлена в области физики элементарных частиц, науке, посвященной уменьшению нашей сложной Вселенной до ее наиболее базовых строительных блоков — субатомных частиц.
Эта задача ведется нами веками, и мы добились значительных успехов. Сначала мы открыли атомы, затем протоны, нейтроны и электроны, и, наконец, кварки и лептоны. Но Вселенная содержит не только вещество, она также содержит силы, действующие на это вещество. Стандартная модель дала нам больше понимания о видах вещества и сил, чем, возможно, любая другая теория.
Вот суть стандартной модели, сформированной в начале 1970-х годов: наша Вселенная состоит из 12 разных частиц и четырех сил. Среди этих 12 частиц вы встретите шесть кварков и шесть лептонов.
Кварки составляют протоны и нейтроны, в то время как к членам семьи лептонов относятся электрон и его нейтрально заряженный аналог — электронный нейтрино. Ученые считают, что лептоны и кварки неделимы; их нельзя разбить на более мелкие частицы.
В дополнение к этим частицам стандартная модель также признает четыре силы: гравитацию, электромагнитное воздействие, сильное и слабое взаимодействие.
Что касается теорий, то стандартная модель оказалась очень эффективной. Вооруженные ей, физики предсказали существование определенных частиц за годы до их экспериментальной проверки. К сожалению, на протяжении десятилетий в этой модели было недостающее звено — бозон Хиггса.
Бозон Хиггса: последний кусочек пазла
Как оказалось, ученые считают, что каждая из четырех фундаментальных сил имеет соответствующую носительную частицу, или бозон, которая действует на вещество. Это сложная концепция. Мы обычно думаем о силах как о таинственных, эфирных вещах, находящихся на грани существования и ничтожества, но, на самом деле, они так же реальны, как само вещество.
Некоторые физики описывали бозоны как грузы, привязанные к таинственным резиновым петлям к частицам вещества, которые их порождают. С помощью этой аналогии мы можем представить, что частицы постоянно мгновенно исчезают из существования, но одновременно способны взаимодействовать с другими резиновыми петлями, прикрепленными к другим бозонам (и передавать силу в этом процессе).
Ученые считают, что каждая из четырех фундаментальных сил имеет свои собственные бозоны. Так, электромагнитные поля, например, зависят от фотона для передачи электромагнитной силы веществу. Физики считают, что бозон Хиггса может выполнять аналогичную функцию — но передавать массу саму по себе.
Может ли вещество обладать массой без бозона Хиггса, запутывая все вещи? Нет, согласно стандартной модели. Но у физиков есть решение. А что, если все частицы не обладают врожденной массой, а приобретают ее, проходя через поле?
Это поле, известное как поле Хиггса, может влиять на разные частицы по-разному. Фотоны могут проходить сквозь него без изменений, в то время как бозоны W и Z могут замедляться из-за массы. Фактически все элементарные частицы, обладающие массой, приобретают ее, взаимодействуя с всеобъемлющим полем Хиггса, которое охватывает всю Вселенную.
Как и другие частицы стандартной модели, для бозона Хиггса необходима носительная частица для воздействия на другие частицы, и эта частица известна как бозон Хиггса.
Обнаружение бозона Хиггса
В 1964 году Питер Хиггс, Франсуа Энглерт и Робер Броут предложили механизм Хиггса. Хиггс, Энглерт и Броут предположили существование фундаментальной частицы, которая придает массу другим частицам.
Для проверки своей гипотезы ученым потребовалось серьезное оборудование; а именно, Большой адронный коллайдер в Европейской организации по исследованию ядерных реакций. Только высокоэнергетический коллайдер частиц мог подтвердить существование частицы Хиггса.
4 июля 2012 года ученые, работающие на Большом адронном коллайдере (LHC) в CERN, объявили о своем открытии частицы, которая ведет себя так, как должен вести себя бозон Хиггса. Результаты были подтверждены в марте 2013 года, и Хиггс и Энглерт были удостоены Нобелевской премии по физике 2013 года.
