Частица бога бозон хиггса что дальше. Бозон Хиггса простым языком: что это такое? Открытие сделано. Что дальше
Наука
В мире науки происходит большая шумиха. Исследователи из Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) объявили о том, что частица бозон Хиггса существует. Ее называют "частицей Бога", которая существует между очень специфическим набором частиц и которая служит своего рода невидимым клеем, который связывает Вселенную вместе.
Бозон Хиггса, который до этих пор был теоретической частицей, является ключом к пониманию того, почему материя обладает массой, что в сочетании с гравитацией придает объектам вес.
Для людей далеких от физики всеобщая эйфория по поводу бозона Хиггса скорее всего непонятна. Что же все это означает?
Что такое бозон Хиггса?
Бозон - это тип субатомной частицы, которая придает силу. Бозон Хиггса был постулирован в 1964 году английским профессором Питером Хиггсом , который предположил, что его существование объяснит, почему материя, от атомов до планет имеет массу, а не летает по Вселенной как, например фотоны света.
Почему его так долго искали?
Предположить что-то в теории и доказать его существование - задача не из легких. Если бозон Хиггса действительно существует, он существует всего доли секунды. Согласно теории можно обнаружить достаточное его количество если столкнуть пучки протонов при достаточно высокой энергии. До Большого Адронного Коллайдера, который построили несколько лет назад, такого уровня энергии достичь не удавалось.
Действительно ли ученые нашли бозон Хиггса?
Это не совсем так, по крайней мере, не на том уровне, который они хотели бы достичь. С уверенностью можно сказать, что они нашли новую субатомную частицу массой примерно 130 протонов , и предварительные результаты действительно вписываются в то, что мы называем бозоном Хиггса. Есть предположение, что это может быть бозон Хиггса, или один из нескольких - по теории их больше одного.
Почему важно это открытие?
Физики, которые пытаются понять Вселенную, придумали теоретическую основу, которая объединяет различные силы природы. Она называется Стандартная Модель. Но проблема состояла в том, что эта модель не объясняла, почему у материи есть масса без привлечения бозона Хиггса.
То есть обнаружение этой субатомной частицы является мощной поддержкой Стандартной Модели, физического доказательства невидимого поля Вселенной, которая придала массу всей материи после Большого Взрыва, заставляя частицы объединиться в звезды, планеты и все остальное. Если бы бозон не нашли, то вся система взглядов теоретической физики развалится." Нет бозона Хиггса - нет массы, нет массы - нет тебя, нет меня, нет ничего другого ".
Можно поспорить на крупную сумму, что большинство из вас (в том числе и люди, интересующиеся наукой) не очень хорошо представляют себе, что же такое нашли физики на большом адронном коллайдере, почему они это так долго искали, и что будет дальше.
Поэтому небольшой рассказ о том, что такое бозон Хиггса.
Начать нужно с того, что люди вообще очень плохо умеют представлять в уме, что творится в микромире, на масштабе элементарных частиц.
Скажем, многие со школы представляют себе, что электроны — такие маленькие желтые шарики, вроде мини-планет, вращающихся вокруг ядра атома, а то похоже на ягоду малины, составленную из красных и синих протонов-нейтронов. Те, кто немного знаком с квантовой механикой по популярным книгам, представляют элементарные частицы в виде этаких размытых облачков. Когда нам пишут, что любая элементарная частица одновременно является волной, мы представляем себе волны на море (или в океане): поверхность трехмерной среды, которая периодически колеблется. Если нам сказать, что частица представляет собой событие в некотором поле, мы представим себе поле (что-то такое гудит в пустоте, как трансформаторная будка).
Всё это очень плохо. Слова «частица», «поле» и «волна» крайне плохо отражают реальность, и представлять их себе нельзя никак. Какой бы визуальный образ ни пришел вам в голову, он будет неверным и будет мешать пониманию. Элементарные частицы не являются чем-то, что в принципе можно увидеть или «пощупать», а мы, потомки обезьян, рассчитаны на то, чтобы представлять себе только такие вещи. Неправда, что электрон (или фотон, или бозон Хиггса) «являются одновременно частицей и волной»; это нечто третье, для чего слов в нашем языке никогда не было (за ненадобностью). Мы (в смысле, человечество) знаем, как они себя ведут, мы можем производить какие-то расчеты, мы можем устраивать с ними эксперименты, но мы не можем подобрать для них хороший мысленный образ, потому что штуки, хотя бы примерно похожие на элементарные частицы, на наших масштабах не встречаются вообще.
Профессиональные физики и не пытаются визуально (или как угодно ещё в терминах человеческих чувств) представлять себе то, что творится в микромире; это плохой путь, он никуда не ведет. У них постепенно вырабатывается некоторая интуиция насчет того, какие там объекты обитают, и что с ними случится, если сделать то-то и то-то, но непрофессионал вряд ли сможет её продублировать.
Так, надеюсь, вы больше не думаете о маленьких шариках. Теперь о том, что же все-таки искали и нашли на Большом Адронном Коллайдере.
Общепринятая теория того, как устроен мир на самых маленьких масштабах, называется Стандартная Модель. Согласно ей, наш мир устроен так. В нём есть несколько принципиально разных типов вещества, которые различными способами взаимодействуют друг с другом. О таких взаимодействиях иногда удобно говорить как об обмене некими «объектами», для которых можно измерить скорость, массу, можно разогнать их или столкнуть друг с другом и т.п. В каких-то случаях удобно называть их (и думать о них) как о частицах-переносчиках. Таких частиц в модели 12 разновидностей. Напоминаю, что всё, о чем я сейчас пишу, все равно неточно и профанация; но, надеюсь, всё же гораздо меньшая, чем сообщения большинства СМИ. (Например, «Эхо Москвы» 4-го июля отличилось фразой «5 баллов по шкале сигма»; знающие оценят).
Так или иначе, 11 из 12 частиц Стандартной модели уже наблюдались ранее. 12-я — бозон, соответствующий полю Хиггса — то, что придает многим остальным частицам массу. Очень хорошая (но, конечно, тоже неверная) аналогия, которую придумал не я: представьте себе идеально гладкий бильярдный стол, на котором находятся бильярдные шарики-элементарные частицы. Они легко разлетаются в разные стороны и движутся куда угодно без помех. Теперь представьте себе, что стол покрыт некой липкой массой, затрудняющей движение частиц: это поле Хиггса, а то, насколько частица прилипает к такому покрытию — и есть его масса. С некоторыми частицами поле Хиггса не взаимодействует никак, например, с фотонами, и их масса, соответственно, равна нулю; можно представить себе, что фотоны похожи на шайбу в аэрохоккее, и покрытие не замечают вообще.
Вся эта аналогия неверна, например, потому что масса, в отличие от нашего липкого покрытия, мешает частице не двигаться, а ускоряться, но какую-то иллюзию понимания дает.
Бозон Хиггса — это частица, соответствующая этому «липкому полю». Представьте себе очень сильный удар по бильярдному столу, повредивший сукно и смявший небольшое количество липкой массы в складку-пузырик, которая очень быстро растечется обратно. Вот, это он и есть.
Собственно, именно этим Большой адронный коллайдер и занимался все эти годы, и примерно так процесс получения бозона Хиггса и выглядел: лупим изо всех сил по столу до тех пор, пока само сукно не начнет превращаться из очень статичной, твердой и липкой поверхности во что-то более интересное (или пока не случится что-нибудь ещё более чудное, теорией не предсказанное). Именно поэтому БАК настолько большой и мощный: с меньшей энергией «по столу» бить уже пытались, но безуспешно.
Теперь насчет пресловутых 5 сигма. Проблема вышеописанного процесса заключается в том, что мы можем только стукнуть и надеяться, что из этого что-то выйдет; гарантированного рецепта получения именно бозона Хиггса нет. Хуже, когда он все-таки родился на свет, мы должны успеть его зарегистрировать (увидеть его, естественно, нельзя, да и существует он лишь ничтожную долю секунды). Каким бы детектором мы ни пользовались, мы можем лишь сказать, что кажется, возможно, мы наблюдали нечто похожее.
Теперь представьте себе, что у нас есть особая игральная кость; она падает случайно на одну из шести граней, но если рядом с ней как раз в это время находится бозон Хиггса, то шестерка не выпадет никогда. Это типичный детектор. Если мы кинем кость один раз и одновременно стукнем изо всех сил по столу, то вообще никакой результат нам ровно ни о чем не скажет: выпало 4? Вполне вероятное событие. Выпало 6? Возможно, мы просто стукнули по столу слегка не в тот момент, и бозон, хотя и существующий, не успел родиться в нужный момент, или наоборот, успел распасться.
Но мы можем проделывать этот эксперимент несколько раз, и даже много раз! Отлично, давайте кинем кость 60 000 000 раз. Допустим, при этом шестерка выпала «всего лишь» 9 500 000 раз, а не 10 000 000; значит ли это, что бозон время от времени появляется, или это всего лишь допустимая случайность — мы же не верим, что кость должна лечь шестеркой ровно 10 миллионов раз из 60?
Ну ээээ. На глазок такие вещи не оцениваются, нужно считать, насколько велико отклонение, и как оно соотносится с возможными случайностями. Чем больше отклонение, тем меньше вероятность того, что кость просто случайно так ложилась, и тем больше вероятность того, что время от времени (не всегда) возникала новая элементарная частица, мешавшая ей лечь шестеркой. Отклонение от среднего удобно выражать в «сигмах». «Одна сигма» — это такой уровень отклонения, который является «наиболее ожидаемым» (его конкретное значение может вычислить любой третьекурсник физ- или матфакультета). Если экспериментов достаточно много, то отклонение в 5 сигма — это тот уровень, когда мнение «случайность маловероятна» превращается в абсолютно твердую уверенность.
О достижении примерно этого уровня отклонений сразу на двух разных детекторах и объявили физики 4 июля. Оба детектора вели себя очень похоже на то, как они бы вели себя, если бы получаемая в результате сильных ударов по столу частица действительно была бозоном Хиггса; строго говоря, это ещё не значит, что перед нами именно он, нужно измерить всякие прочие его характеристики всякими другими детекторами. Но сомнений осталось уже мало.
Наконец, о том, что нас ждет в будущем. Была ли открыта «новая физика», и был ли совершен прорыв, который пригодится нам для создания гиперпространственных двигателей и абсолютного топлива? Нет; и даже наоборот: стало ясно, что в той части физики, которая изучает элементарные частицы, чудес не происходит, и природа устроена практически так, как физики всю дорогу и предполагали (ну, или почти так). Это даже немного грустно.
Ситуация осложняется тем, что нам совершенно твердо известно, что она в точности так устроена быть не может в принципе. Стандартная модель чисто математически не совместима с общей теорией относительности Эйнштейна, и то, и другое одновременно быть верно просто не может.
И куда теперь копать, пока не очень понятно (не то чтобы мыслей совсем нет, скорее, наоборот: различных теоретических возможностей слишком много, а способов их проверить гораздо меньше). Ну, может быть, кому-то и понятно, но уж точно не мне. Я и так в этом посте давным-давно вышел за пределы своей компетенции. Если я где-то сильно соврал, пожалуйста, поправьте меня.
Долгое время остававшаяся неуловимой, так называемая частица Бога, наконец поймана. Бозон Хиггса был недостающей деталью головоломки под названием Стандартная модель. Ученые полагают, что этот бозон отвечает за массу частиц. В частности, специально для поиска бозона Хиггса был построен Большой адронный коллайдер, который справился со своей основной задачей. Но перед учеными возникли новые загадки: один ли на самом деле бозон Хиггса? Кроме того, находка этого бозона никак не объяснила парадоксальное существование темной материи, которое занимает физиков все больше и больше в последнее время.
Физики наконец-то увидели, как элементарная частица, впервые обнаруженная на Большом адронном коллайдере, распадается на два прелестных кварка, экзотических и недолго живущих частицы, которые часто появляются после столкновения высокоэнергетических частиц. Этот неуловимый процесс мы смогли наблюдать только сейчас, впервые за шесть лет после открытия бозона Хиггса. Ученые двух экспериментов БАК, ATLAS и CMS, сообщили о своих результатах одновременно на семинаре, который проходил в ЦЕРНе 28 августа.
В конце 2012 года самый авторитетный журнал в научном мире «Science» обнародовал рейтинг, в котором были указаны самые важные открытия этого года. Тогда на первой позиции оказалась так называемая «частица Бога», которая в научном мире именуется бозоном Хоггса.
Такое свое второе название бозон получил совсем не случайно. Дело в том, что современная теория об элементарных частицах говорит, что из-за этого странного элемента все вещества, находящиеся во Вселенной, имеют массу, то есть существуют физически.
Идея существования такой частицы пришла в голову изначально английскому физику Питеру Хиггсу примерно 40 лет назад. До настоящего времени о бозоне Хиггса говорили не больше, чем как о теории, но в 2012 году был создан Большой адронный коллайдер. Тогда стараниями ученых был осуществлен прорыв, в результате опытов они смогли зафиксировать тот самый бозон Хиггса. Такое открытие делает завершенной ту модель в физике, которая описывает взаимодействие всех частиц во Вселенной, сами эти частицы. Исключается только одна частица под название «гравитон», ее существование предполагается, но ее пока не нашли. Обнаружение «частицы Бога» стало последним доказательством верности физической Стандартной модели.
Частица Бога и адронный коллайдер
Строительство адронного коллайдера имело огромное значение в деле исследования и поиска бозона Хиггса. Чтобы его уловить, было потрачено около 5 млрд. долларов. Эксперименты могли и не закончиться успешно, «частица Бога» не была бы найдена, тогда перед учеными появился бы сложный вопрос поиска других моделей, которые бы описывали мир. Однако теория Хиггса была подтверждена. По ней существует поле, которое состоит полностью из бозонов Хиггса. Оно проходит через всю Вселенную, все вещество, содержащееся в ней. Поле из бозонов должно было существовать с самого начала, еще до того, как возник мир. Именно поэтому все частицы обрели массу.
В экспериментах, проходивших в адронном коллайдере (БАК), принимали участие ученые примерно из 100 стран со всего мира. На протяжении нескольких лет эксперименты не прекращались. По теории Хиггса, как только бозон возникает, то тут же распадается на частицы другого плана. Если их зафиксировать, то можно будет сделать анализ их происхождения, узнать, откуда и как это происходит.
Суть БАК в том, что он ускоряет элементарные частицы, и они приобретают скорость, которая приближается к значениям . Так частицы сталкиваются. За этим процессом учение проводят наблюдения. Они делают анализ того, какое излучение появляется после столкновения частиц.
Работы велись, и к середине 2012 года ученые добились такой интенсивности потока частиц, что частота столкновений поднялась до высокого уровня, который позволял по расчетам каждый час образовываться по одному бозону. Это при условии его реального существования. В результате экспериментов, ученым удалось уловить бозон, его масса была измерена. Она составила 125 гигаэлектронвольт.
Дискуссии вокруг «частицы Бога»
Во всем мире известен ученый из Великобритании Стивен Хокинг, он сделал заявление по поводу опытов над бозоном Хиггса. По его мнению, проводить в дальнейшем опыты, которые являются высокоэнергетическими, очень опасно для всей Вселенной . Он выдвинул гипотезу, что из-за «частицы Бога» могут исчезнуть основы мироздания: пространство и время.
Исследователь полагает, что в бозоне Хиггса имеется скрытый потенциал. Если эта частица перейдет в состояние, при котором оно будет нестабильно, вакуум может распасться. Об этом он сделал заметку в начале книги, где были опубликованы лекции, которые были подготовлены самыми ведущими учеными-физиками.
Хокинг предложил концепцию, по которой вакуум может быть двух видов, при этом, у каждого из видов свой уровень энергии. По предположению, вся наша располагается в условиях ложного вакуума. Однако есть и другой вид вакуума, этот вакуум истинный, у которого показатель энергии ниже.
Во время экспериментов, нестабильная «частица Бога» может стать проводником между истинным и ложным вакуумом. Если случится такой пролом в поле, то Вселенная молниеносно перейдет в другое физическое состояние.
Однако сейчас нет серьезных поводов для беспокойства. Чтобы довести частицу до состояния нестабильности, нужно очень много энергии. Чтобы создать такое ускорение, нужно сконструировать коллайдер, размеры которого будут сравнимы с планетой.
На самом деле, «частица Бога» - это квант хиггсового поля. Эта частица имеет нулевое вакуумное значение. Именно это обстоятельство доказывает то, что при создании бозона в нестабильном состоянии может привести к разрушению равновесия, которые образовалось в процессе формирования Вселенной.
Что такое бозон Хиггса ? Несомненно, большинство из вас слышали об этой частице, которая как-то там была открыта и что-то дала ученым.
Однако многие ли разбираются в этом вопросе? Давайте попробуем максимально элементарно и доступно вам это объяснить.
Предисловие
То, что происходит в микромире, весьма трудно воспринимается человеческим разумом. Вы же знаете, что такое электроны? Большинство из вас еще со школьной скамьи представляет их себе, как маленькие шарики, что вращаются вокруг ядра. Протоны и нейтроны? Это тоже шарики, да?
Те, кто когда-то пытался немного разобраться с квантовой механикой, представляет себе элементарные частицы, как облачка. Когда кто-то видит текст "любая элементарная частица одновременно является волной", то в голове тут же возникает образ волны на море или на глади озера, куда был брошен камень.
Если человеку сказать, что частица - это событие в пределах некоторого поля, то тут же представляется какой-то промежуток из воспоминания или будущее событие, а в голове "гудит поле", как трансформаторная будка.
Дело в том, что такие слова, как частица, волна и поле на микроуровне не совсем корректно отражают реальность и представить их себе, сравнивая с обычными природными явлениями - некорректно. Поэтому попытайтесь отсеивать любые визуальные образы, так как они будут неверными и помешают пониманию.
Нужно принимать тот факт, что частицы в принципе не являются чем-то, что можно "пощупать" , но так как мы люди и тактильное познание мира нам свойственно, то придется бороться с собственными инстинктами для понимания вопроса.
Электроны, фотоны или бозон Хиггса не являются одновременно частицей и волной . Они вообще нечто промежуточное и для этого нет подходящего слова (оно и не нужно). Человечество знает, как с ними работать, мы умеем проводить расчеты, но подобрать слово, которое бы описало мысленный образ... это проблематично. Дело в том, что эти штуки, которые являются элементарными частицами, в привычном мире невозможно сравнить хоть с чем-то. Это совершенно иной мир. Микромир.
Что искали и нашли на Большом Адронном Коллайдере (БАК)?
Есть общепринятая теория того, как устроен мир на мельчайших масштабах и она называется - Стандартная Модель . Согласно этой модели, в нашем мире есть несколько совершенно разных типов вещества, которые регулярно взаимодействуют между собой .
Рассуждая о взаимодействиях, весьма удобно применять такие параметры, как масса, скорость и ускорение , что позволяет называть элементарные частицы чем-то вроде "частиц-переносчиков". Всего выделяют в данной модели 12 таких разновидностей.
11 из 12 частиц Стандартной модели наблюдались ранее. 12-ая частица - бозон, соответствующий полю Хиггса , придает многим остальным частицам массу, ограничивая их скорости движения. С некоторыми же частицами поле Хиггса не взаимодействует вовсе. Например, не оказывает влияния на фотоны и их масса равна нулю.
Теоретически бозон Хиггса предсказали в далеком 1964 году , но вот доказать его существование экспериментально смогли лишь в 2012 году . Все эти годы бозон искали не покладая рук!
До того, как заработал БАК , в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) был электрон-позитронный коллайдер , в Иллинойсе был Теватрон , но этих мощностей было недостаточно, чтобы провести необходимые эксперименты. Хотя, эксперименты все же давали определенные результаты.
Бозон Хиггса - тяжелая частица и обнаружить его крайне непросто. Суть эксперимента очень проста, но вот реализация с последующей интерпретацией результатов - настоящая проблема .
Итак, берут два протона и разгоняются до околосветовой скорости . В какой-то момент времени их сталкивают "лоб в лоб" . Протоны "в шоке" от такого удара начинают рассыпаться на вторичные частицы . В ходе этого процесса и пытались зафиксировать бозон Хиггса.
Усложняет эксперимент тот факт, что существование бозона можно подтвердить лишь косвенно . Период существования бозон Хиггса критически мал, как и расстояние между точками возникновения и исчезновения. Измерить этот промежуток времени и расстояние - невозможно, но! Бозон Хиггса не исчезает бесследно и его кратковременное пребывание доказывается за счет "продуктов распада".
Это все равно, что искать иглу в стоге сена. Нет, в огромном стоге сена. Нет, в тысячах огромных стогов сена! Дело в том, что бозон Хиггса распадается с разной вероятностью на разные комбинации частиц. Например, это могут быть кварк-антикварк, W-бозоны или вообще тау-частицы.
В некоторых случаях распад трудно отличить от распада других частиц, в других случаях вообще не успевают фиксировать происходящее. Как стало известно, детекторы лучше всего фиксируют превращение бозона Хиггса в 4 лептона (фундаментальные частицы), но вероятность такого события составляет лишь 0,013%.
В дело вступили детекторы ATLAS и CMS
Полгода экспериментов на БАК и миллионы столкновений за одну секунду дали необходимый результат. Ученые зафиксировали те самые 4 лептона (целых пять раз).
Зафиксировать это позволили гигантские детекторы ATLAS и CMS , которые выявили частицу с энергией 125ГэВ (единица измерения в квантовой физике). Именно этот показатель соответствовал теоретическому предсказанию бозона Хиггса.
Часть чего-то большего
Вдруг ошибка? Да, таким вопросом исследователи задались тоже. Поэтому, чтобы подтвердить открытие, было проведено много и очень много повторных экспериментов.