Бозон хиггса

На четвёртом месте видео «Средневековая медицина: кровопускания, клизмы и яды? Ученые против мифов 14-10. Е.Бергер и Водовозов», канал АНТРОПОГЕНЕЗ РУ:

Видео «Леонард Сасскинд — Что такое бозон Хиггса? [Стэнфорд]», опубликованное на канале Vert Dider, заняло третье место:

Артур Шарифов занял второе место благодаря видео «Что это за ГОЛОСА в голове?»:

Бонусным видео недели, по результатам голосования в нашей группе ВКонтакте, стало «Земля похожа на мертвую звезду? Чем? / Что услышал Вояджер-1 / Вулканы на Марсе / Астрообзор #80», опубликованное на канале Космос Просто:

Самым популярным видео недели стало «Как в Год Науки душат НаучПоп», канал kvashenov:

Если вам интересна научно-популярная тематика, то вам может быть полезен наш полный список всех науч-поп каналов.

Для теории, которой пока не хватает довольно крупных составляющих, Стандартная модель частиц и взаимодействий оказалась вполне успешной. Она учитывает все, с чем мы ежедневно сталкиваемся: протоны, нейтроны, электроны и фотоны, а также такую экзотику, как бозон Хиггса и истинные кварки. Тем не менее теория неполная, так как она не может объяснить такие феномены, как темная материя и темная энергия.

Успех Стандартной модели обусловлен тем, что она представляет собой полезный гид по известным нам частицам вещества. Одним из таких важных паттернов можно назвать поколения. Похоже, каждая частица вещества может быть трех разных версий, которые различаются только массой.

Ученые задаются вопросом, есть ли у этого паттерна более подробное объяснение или пока проще верить, что ему на смену придет какая-то сокровенная истина.

Стандартная модель — это меню, содержащее все известные фундаментальные частицы, которые невозможно более разделить на составные части. Она делится на фермионы (частицы вещества) и бозоны (частицы — переносчики взаимодействий).

Стандартная модель элементарных частиц и взаимодействий / © ALEPH Collaboration

В частицы вещества входят шесть кварков и шесть лептонов. Кварки следующие: верхний, нижний, очарованный, странный, истинный и прелестный. Обычно они не существуют по отдельности, а группируются вместе, формируя более тяжелые частицы, такие как протоны и нейтроны. В лептоны входят электроны и их двоюродные братья — мюоны и тау, — а также три типа нейтрино (электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино).

Все вышеупомянутые частицы разделяются на три «поколения», которые буквально копируют друг друга. У верхнего, очарованного и истинного кварков одинаковый электрический заряд, а также одинаковые слабое и сильное взаимодействия: они прежде всего отличаются массами, которыми их наделяет поле Хиггса. То же самое относится к нижнему, странному и прелестному кваркам, а также электрону, мюону и тау.

Как было сказано выше, такие отличия могут что-то значить, но физики еще не выяснили что. Большинство поколений сильно различаются по массе. Например, тау-лептон примерно в 3600 раз массивнее электрона, а истинный кварк почти в 100 тысяч раз тяжелее верхнего кварка. Это различие проявляется в стабильности: более тяжелые поколения распадаются на более легкие до тех пор, пока не достигнут самых легких состояний, которые остаются стабильными вечно (насколько это известно).

Поколения играют важную роль в экспериментах. Например, бозон Хиггса — нестабильная частица, распадающаяся на множество других частиц, включая тау-лептоны. Получается, из-за того, что тау — самая тяжелая из частиц, бозон Хиггса «предпочитает» превращаться в тау чаще, чем в мюоны и электроны. Как отмечают работники ускорителей частиц, лучше всего изучать взаимодействия поля Хиггса с лептонами — посредством наблюдения распада бозона Хиггса на два тау.

Распад бозона Хиггса на прелестные кварки / © ATLAS Collaboration/CERN

Такой тип наблюдений находится в самом сердце физики Стандартной модели: столкните две или более частиц друг с другом и посмотрите, какие частицы появятся, затем ищите в остатках закономерности — и, если вам повезет, вы увидите что-то, не вписывающееся в вашу картину.

И хотя такие вещи, как темная материя и темная энергия, явно не вписываются в современные модели, в самой Стандартной модели есть некоторые проблемы. Например, согласно ей нейтрино должны быть безмассовыми, но эксперименты показали, что масса у нейтрино все-таки есть, пусть она и невероятно мала. И, в отличие от кварков и электрически заряженных лептонов, разница масс между поколениями нейтрино незначительна, что объясняет их колебания от одного типа к другому.

Не имея массы, нейтрино неотличимы друг от друга, с массой — они разные. Разница между их поколениями озадачивает как теоретиков, так и экспериментаторов. Как отметил Ричард Руиз из Питтсбургского университета: «На нас в упор уставилась какая-то закономерность, но мы не можем разобраться, как именно ее следует понимать».

Даже если бозон Хиггса только один — тот, который входит в Стандартную модель, — наблюдая за его взаимодействиями и распадом, можно многое узнать. Например, изучая то, насколько часто бозон Хиггса преображается в тау по сравнению с другими частицами, можно проверить обоснованность Стандартной модели, а также получить подсказки о существовании других поколений.

Конечно, едва ли есть еще какие-то поколения, так как кварк четвертого поколения должен быть намного тяжелее даже истинного кварка. Но аномалии в распаде Хиггса могут поведать о многом.

Опять же, на сегодня никто из ученых не понимает, почему есть именно три поколения частиц вещества. Тем не менее структура Стандартной модели — сама по себе подсказка к тому, что может находиться за ее пределами, включая так называемую суперсимметрию. Если у фермионов есть суперсимметричные партнеры, они также должны состоять из трех поколений. То, как распределены их массы, может помочь в понимании распределения масс фермионов в Стандартной модели, а также того, почему они укладываются именно в эти паттерны.

Суперсимметрия предполагает существование у каждой частицы Стандартной модели более тяжелого «суперпартнера» / © CERN/IES de SAR

Вне зависимости от того, сколько поколений частиц есть во Вселенной, сам факт их наличия остается загадкой. С одной стороны, «поколения» — не более чем удобная организация частиц вещества в Стандартной модели. Однако вполне возможно, что эта организация может выжить в более глубокой теории (например, в теории, где кварки состоят из еще более мелких гипотетических частиц — преонов), которая сможет объяснить, почему кварки и лептоны, судя по всему, образуют эти паттерны.

В конце концов, даже несмотря на то, что Стандартная модель еще не окончательное описание природы, до сего момента эта теория справлялась со своей задачей весьма хорошо. Чем больше научное сообщество приближается к краям начерченной этой теорией карты, тем ближе ученые подбираются к истинному и точному описанию всех частиц и их взаимодействий.

Источник: Naked Science

Читайте также:

– Покушение на сон: можно ли спать меньше без вреда для здоровья;

– Подземная лодка: внезапный удар по врагу;

– Одинокие и одержимые: редкие психические заболевания.

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.

Источник: Naked Science

Читайте также:

– Скорость времени и «парадокс близнецов»;

– 10 медицинских технологий, которые могут привести к бессмертию;

– Масоны: строители свободы или разрушители мира.