Čo je to Higgsov bozón a prečo bol tak vyhľadávaný? Higgsov bozón jednoducho: čo to je, čo dáva a aké sú dôsledky (video) Fyzika po Higgsovom bozóne.

Dňa 7. júna 2018 sa v kultúrno-vzdelávacom centre „Arche“ konala prednáška akademika RAS Valeryho Rubakova o Higgsovom bozóne a výskume, ktorý práve prebieha na LHC. S láskavým súhlasom "Arche" zverejňujeme autorizovaný B . A. Rubakov prezentáciu tejto prednášky pripravil Boris Stern.

Objav Higgsovho bozónu bol ohlásený 4. júla 2012 na seminári v CERN-e. Bolo to povedané dosť opatrne: bola objavená nová častica a jej vlastnosti boli v súlade s predpokladanými vlastnosťami Higgsovho bozónu. A počas nasledujúcich rokov sme sa postupne viac a viac presvedčili, že vlastnosti sú presne také, aké teoretici predpovedali, a v tom najnaivnejšom modeli. Najdôležitejšie je, že to, ako hovoria teoretici, nie je len nová častica, ale zástupca nového sektora elementárnych častíc – Higgsovho sektora.

Dovoľte mi pripomenúť vám základné princípy štandardného modelu. Celá „zoo“ jej častíc sa zmestí na jednu snímku. Protóny, neutróny, π-mezóny – to všetko sú zložené častice. Nie je veľa elementárnych častíc. Toto je rodina leptónov, rodina kvarkov, ktoré tvoria sektor fermiónov. Druhým sektorom sú častice zodpovedné za ich interakcie: fotóny, W- a Z-bozóny, gluóny a gravitóny. Bosóny interagujú nielen s fermiónmi, ale aj medzi sebou navzájom. Najznámejšou z týchto častíc je fotón.

Najzaujímavejšie vo svojich prejavoch sú gluóny, viažu kvarky na protón tak, že ich nie je možné roztrhnúť. W- a Z-bozóny sú svojou úlohou podobné fotónu, ale sú masívne a sú zodpovedné za slabé interakcie, ktoré súvisia s elektromagnetickými interakciami, hoci vyzerajú inak. Musí tam byť aj častica gravitónu. Koniec koncov, gravitačné vlny už boli objavené a kde sú vlny, musia byť aj častice. Ďalšia vec je, že zrejme nikdy nebudeme schopní prijímať a registrovať gravitóny jednotlivo.

A nakoniec Higgsov bozón, čo je samostatný sektor na našej snímke. Toto je ďalšia častica, ktorá stojí oddelene v celej „zoo“ pozostávajúcej z malého počtu rôznych druhov.

Čo je to Higgsov bozón?

Na začiatok: čo je to bozón? Každá častica, podobne ako vrchol, má určitý vnútorný krútiaci moment alebo rotáciu (ide o kvantový mechanický jav). V jednotkách Planckovej konštanty existuje celočíselné a polovičné číslo. Častice so spinom 1/2 alebo 3/2 (akýkoľvek polovičný celočíselný spin) sa nazývajú fermióny. Bozóny majú integrálny spin, čo vedie k zásadným rozdielom vo vlastnostiach týchto častíc (bozóny sa radi hromadia v jednom kvantovom mechanickom stave, ako fotóny v rádiových vlnách; fermióny sa tomu naopak vyhýbajú, preto elektróny zaberajú rôzne atómové mušle. - Ed.). Higgsov bozón má teda spin 0 (čo je tiež celé číslo).

Higgsov bozón je ťažká častica. Jeho hmotnosť je 125 GeV (pre porovnanie: hmotnosť protónu je asi 1 GeV, hmotnosť najťažšej častice, t-kvarku, je 172 GeV). Higgsov bozón je elektricky neutrálny.

Na urýchľovačoch sa objavujú nové častice, ktoré sa rodia pri zrážkach častíc, v tomto prípade pri zrážkach protónov. Potom sa zaznamenajú produkty rozpadu požadovanej častice. Higgsov bozón sa rozpadá v priemere za 10 -22 s. Pre ťažkú ​​časticu to nie je také krátke časové obdobie – napríklad top kvark žije 500-krát menej.

A Higgsov bozón má mnoho rôznych spôsobov rozpadu. Jeden zo „zlatých kanálov“ rozpadu – rozpad na dva fotóny – je pomerne zriedkavý: Higgsov bozón sa rozpadá v dvoch prípadoch z tisíc. Ale táto cesta je pozoruhodná tým, že oba fotóny sú vysokoenergetické. V kľudovom rámci Higgsovho bozónu má každý fotón energiu 62,5 GeV, čo je veľa energie. Tieto fotóny sú dobre viditeľné, možno zmerať smery ich pohybu a energiu. Ešte čistejší rozpadový kanál je rozpad na štyri leptóny: na dva páry e + a e -, na e +, e - a µ +, µ - alebo na štyri mióny. Výsledkom sú štyri vysokoenergetické nabité častice, ktoré sú navyše dobre viditeľné a je možné zmerať ich energiu a smer odchodu.

Ako vieme, že to, čo vidíme, je rozpad Higgsovho bozónu? Povedzme, že sme detekovali dva fotóny. Zároveň existuje mnoho ďalších procesov vedúcich k zrodeniu dvoch fotónov. Ale ak fotóny pochádzajú z rozpadu určitej častice, potom z nich možno určiť jej hmotnosť. Aby sme to dosiahli, musíme vypočítať energiu dvoch fotónov v referenčnom rámci, kde letia v opačných smeroch s rovnakou energiou - v ťažisku. V našom referenčnom rámci ide o veľmi špecifickú kombináciu energií fotónov a uhla rozptylu medzi nimi. Nazýva sa to invariantná hmotnosť časticového systému. Ak sú fotóny rozpadovými produktmi Higgsovho bozónu, ich invariantná hmotnosť sa musí rovnať hmotnosti bozónu až do chýb merania. To isté sa stane, ak sa bozón rozpadne na štyri častice.

Na obr. Obrázok 2 ukazuje rozloženie udalostí v invariantnej hmotnosti dvoch fotónov. Ten je vynesený pozdĺž horizontálnej osi a počet udalostí je vynesený pozdĺž vertikálnej osi. Je tu súvislé pozadie a v oblasti invariantnej hmotnosti 125 GeV je „plácnutie“. Môžete sa smiať, ale táto „facka“ je Higgsov bozón. Podobný vrchol sa objavuje v invariantnej hmotnosti štyroch leptónov (e + , e - , µ + , µ -), na ktoré sa tiež rozpadá. Len toto sa stane pri jednom z desaťtisíc rozpadov. To znamená, že je potrebné vygenerovať milión Higgsových bozónov, aby sa nahromadilo sto rozpadov do dvoch leptonických párov. A bolo hotovo.

Energiu a smer emisie (teda hybnosť) nabitého elektrónu alebo miónu je možné merať s oveľa vyššou presnosťou ako v prípade fotónu. Na tento účel má detektor silné magnetické pole: zakrivenie trajektórie nabitej častice v magnetickom poli umožňuje určiť jej hybnosť (ako aj znamienko náboja). Okrem toho sa rodí málo izolovaných vysokoenergetických leptónov a o to viac je počet štvornásobkov izolovaných leptónov (izolovaných, t.j. mimo hadrónového jetu) malý. Preto je pozadie rozpadu na štyri leptóny malé.

Nakoniec výskumníci z LHC vybrali udalosti, pri ktorých sa invariantná hmotnosť jedného páru leptónov opačného znamienka rovná hmotnosti Z bozónu (Higgs sa rozpadá na skutočné Z a virtuálne Z), čo ešte viac tlačí na pozadie. Ale rozpad na štyri leptóny v skutočnosti nie je o nič lepší ako rozpad na dva fotóny, keďže pravdepodobnosť rozpadu na dva fotóny je oveľa vyššia, chyby v jeho meraní sú kompenzované väčšou štatistikou.

Prečo bol Higgsov bozón objavený len nedávno?

Sú tu dve okolnosti. Po prvé, požadovaná častica je ťažká. To znamená, že potrebujeme vysokoenergetický urýchľovač. Po druhé, je potrebné mať vysokú intenzitu lúčov, aby bol dostatočný počet kolízií. Fyzici používajú slovo „svietivosť“ na opis počtu zrážok za jednotku času. Mali by ste mať veľa kolízií.

S energiou sa zdalo byť všetko v poriadku, pretože pred Veľkým hadrónovým urýchľovačom fungoval Tevatron, zrážač v USA. Jeho celková energia bola 2 TeV. Zdá sa, že to nie je zlé, pretože Higgsov bozón má 125 GeV. V princípe by energia Tevatronu mohla produkovať Higgsove bozóny. Mal ale nedostatočnú svietivosť. Nemal dostatok narodených Higgsových bozónov.

Pár slov o BAK

Veľký hadrónový urýchľovač je pozoruhodná štruktúra vo všetkých smeroch. Ide o supravodivý akumulačný urýchľovač umiestnený pod zemou. Dĺžka jeho prstenca je 27 km a celý tento prstenec pozostáva z magnetov, ktoré držia protóny v tomto prstenci, supravodivých magnetov. V čase, keď bol LHC postavený, to bol najnovší technologický úspech. Teraz existujú celkom úspešné pokusy získať silnejšie magnetické pole v magnetoch. Ale v tom čase to bolo najlepšie. Všeobecne platí, že všetko, čo sa tam robí, je vrcholom moderných technológií, na samom okraji ľudských možností.

Najprv LHC urýchlil protóny na celkovú energiu 7 TeV, potom - 8 TeV. Každá zrážka protónov mala energiu 4 TeV. LHC, ktorý začal stabilne fungovať v roku 2010 pri energii 7 TeV, v roku 2011 prešiel na energiu 8 TeV a jeho konštrukčná energia je 14 TeV. Teraz sme z prefíkaných technických dôvodov stále nedosiahli 14 TeV; Od roku 2015 pracuje urýchľovač s celkovou energiou 13 TeV. Jeho svietivosť je podľa všetkých štandardov veľmi vysoká, špecialisti v CERN-e sú samozrejme veľkí majstri. A k samotným zrážkam častíc dochádza na štyroch miestach, nás zaujímajú dve z nich, kde sú umiestnené detektory ATLAS a CMS. Zhruba takto vyzerá CMS – kompaktný miónový solenoid (obr. 4).

Najextrémnejšia je miónová komora, ktorá umožňuje zaznamenávať a merať parametre miónov, ktoré preletia celým detektorom a prepichnú ho. To všetko je uzavreté v magnetickom poli, aby sa zmerala jeho hybnosť zakrivením pohybu častice.

ATLAS - ešte viac. Jedná sa o viacposchodovú budovu, kompletne naplnenú zariadením.

Tieto detektory merajú energie, impulzy, smery pohybu častíc, určujú, či išlo o elektrón, fotón, mión alebo silne interagujúce častice ako protón alebo neutrón – všetky majú svoje podpisy.

Samostatný zaujímavý príbeh je spojený s tým, ako sú organizované skupiny fyzikov - spolupráce, ktoré sa zaoberajú touto záležitosťou. Je jasné, že na vývoj, vytvorenie a údržbu takéhoto gigantického stroja, zachytávanie a spracovanie dát, zabezpečenie toho, aby sa nič nepokazilo a hľadanie rôznych podujatí a zaujímavých javov, sú potrebné veľké tímy. Zhromažďujú sa po celom svete. Typický údaj je 3,5 tisíc fyzikov v každej spolupráci, v ATLAS a CMS. Tieto skupiny sú medzinárodné: okrem európskych sú to špecialisti z Ameriky, Japonska, Číny, Ruska atď. Celkový počet ústavov je asi 200; 150 – 200 v každej spolupráci. Je skvelé, že ide o samoorganizujúci sa systém. Ide o systém organizovaný „zdola“, mal svojich „otcov zakladateľov“, ktorí sa v 90. rokoch postupne začali zaujímať o fyzikov. Zišlo sa veľké množstvo ľudí, ale nie sú tam žiadni vodcovia, okrem zvolených, každý je rozdelený do skupín, podskupín, každý je zodpovedný za svoje, tak je to celé usporiadané. Napriek tomu, že ide o ľudí veľmi odlišných kultúr, všetko funguje. Nehádali sa, nehádali sa medzi sebou.

Musím povedať, že Rusko môže a je hrdé, že sa podieľame na celej tejto činnosti. Všetci v CERN-e a okolo neho chápu a zdôrazňujú, že ruský príspevok je dosť významný a vážny. Významná časť urýchľovača bola vyrobená v Novosibirsku. Významnú časť prvkov detektora sme vyrobili aj my. A je tu veľa našich účastníkov, z rôznych miest, rôznych inštitúcií. Približne z hľadiska peňazí, zdrojov a ľudí predstavuje Rusko 5–7 % detektorov Cernov (v závislosti od konkrétneho detektora). Čo je pre našu krajinu celkom bežné.

Prečo je potrebný Higgsov bozón?

Prejdime k teoretickej časti, možno trochu nudnej a nudnej, ale zdá sa mi, že je užitočné aspoň kvalitatívne pochopiť a vysvetliť, prečo sa Engler, Brout a Higgs zrazu rozhodli, že by mala existovať nová častica. Presnejšie, Higgs sa rozhodol, že musí existovať nová častica a Engler a Brout prišli s bozónovým poľom.

V prvom rade si musíme uvedomiť, že každá častica je spojená s poľom. Častica je vždy kvantum určitého poľa. Existuje elektromagnetické pole, elektromagnetické vlny a je s nimi spojený fotón - kvantum elektromagnetického poľa. Aj tu: Higgsov bozón je kvantum určitého poľa. Niekto by sa mohol opýtať: prečo potrebujeme nové pole? Engler a Brout si to uvedomili ako prví.

Tu musíme ísť trochu bokom. Svetu vládnu všetky druhy symetrií. Napríklad časopriestorové, spojené s posunmi v čase a priestore: fyzika zajtra je rovnaká ako včera, fyzika je tu rovnaká ako v Číne. S týmito symetriami sú spojené zákony zachovania energie a hybnosti. Existujú aj menej zrejmé, z pohľadu našej každodennej skúsenosti, symetrie – vnútorné. Napríklad v elektrodynamike existuje symetria, ktorá vedie k zákonu zachovania elektrického náboja. Nie je to vidieť okrem vzorcov, ale je to tam. Spolu so zákonom zachovania energie táto symetria bráni rozpadu elektrónu. Je pozoruhodné, že rovnaká symetria bráni tomu, aby fotón mal hmotnosť a v skutočnosti ju nemá. Gluóny sú tiež bez hmotnosti z rovnakého dôvodu - ich hmotnosť je zakázaná symetriou spojenou s „farbou“. Kvarky sú nabité „farbou“ a gluóny sú viazané na „farbu“, ako sú fotóny viazané na náboj.

Ale častice, ktoré sú zodpovedné za slabé interakcie - W- a Z- bozóny - sú masívne. Problém je v tom, že sú veľmi podobné fotónom: elektrón sa môže rozptýliť na elektróne, vymeniť fotón alebo možno Z-bozón. Procesy sú veľmi podobné, slabým interakciám by som rád pripísal rovnaký typ symetrie, aký majú elektromagnetické (nazýva sa to meracia symetria), ale hmotnosť W a Z - nositeľov slabej interakcie - to neumožňuje , narúša to symetriu meradla.

Prečo bola táto krásna symetria narušená? Ukazuje sa, že ide o pomerne univerzálny jav v prírode: v primárnych prírodných zákonoch existuje veľa symetrií, ale v skutočnom vesmíre sa ukázalo, že sú porušené. Tento jav sa nazýva „spontánne narušenie symetrie“.

Predstavme si, že ty a ja sme malí ľudia, ktorí žijú v permanentnom magnete, v zmagnetizovanom kuse železa. Vykonávame experiment s elektrónmi: získame páry elektrón-pozitrón (máme tam malý urýchľovač, emitujeme elektróny). Takže tieto elektróny nelietajú v magnete v priamke. Vzhľadom na to, že existuje magnetické pole, „ovíjajú sa“ okolo neho a lietajú v špirále. Vy a ja ich zmeriame a povieme: chlapci, máme určený smer, náš svet nie je izotropný, máme vyhradenú os, na ktorej sú navinuté elektróny.

Ale ak sme vy a ja inteligentní teoretici, hádame, že nejde o to, že priestor má špecifický smer, ale že v tomto priestore je magnetické pole. Pochopíme: ak by sa nám podarilo odstrániť toto magnetické pole, potom by vo vesmíre boli všetky smery rovnaké. Rozhodneme sa, že existuje symetria vzhľadom na rotáciu, ale je narušená skutočnosťou, že v priestore je magnetické pole. A ak by sme boli ešte múdrejší teoretici, potom, keď si uvedomíme, že existuje také nové pole, ktoré zaisťuje narušenie symetrie, povedali by sme, že ho musí byť tiež kvantum. A predpovedali by fotón. A predpovedali by to správne! Symetria môže byť narušená, ak je v priestore rozptýlené pole, ktoré túto symetriu porušuje.

A presne to sa deje vo fyzike mikrosveta. S určitými rozdielmi. Rozdiely sú v tom, že symetria nie je priestorová, nie vo vzťahu k priestorovým rotáciám, ako pri magnete, ale vnútorná. A nemáme tu žiadne železo; táto symetria je narušená priamo vo vákuu. Nakoniec, na rozdiel od magnetického poľa, je tu potrebné nové pole. Je to pole Engler, Brout a Higgs, ktoré poskytuje toto narušenie. A jemnosť je v tom, že magnetické pole je vektor, má smer, ale toto pole musí byť skalárne, aby sa neporušila symetria vzhľadom na priestorové rotácie. Nemalo by to byť nasmerované nikam. Častica tohto poľa musí mať spin rovný nule.

Takýto obraz navrhli a vložili do vzorcov Engler a Brout, potom Higgs. No Engler a Brout akosi nevenovali pozornosť tomu, že ich teória predpovedala novú časticu. A Higgs, ktorý svoju prácu publikoval o niečo neskôr, na to upozornil, a to na podnet recenzenta, ktorý sa opýtal, či má Higgs v článku nejaké nové veci, ktoré Engler a Brout nepovedali. Higgs premýšľal a premýšľal a vyhlásil, že musí existovať nová častica. Preto sa mu hovorilo „Higgsov bozón“.

Čo bude ďalej?

Doteraz bolo všetko „v poriadku“. Otázky však zostávajú. Na jednej strane je obraz s Higgsovým bozónom konzistentný. Formálne sa dá všetko vypočítať, všetko sa dá vypočítať, majúc známe parametre tejto teórie - väzbové konštanty, hmotnosti. Ale tento obrázok neprináša konečné uspokojenie. A jedna z najdôležitejších vecí, ktorá fyzikom nedovoľuje pokojne spať, je, že v prírode existujú veľmi odlišné energetické škály interakcií.

Silné interakcie medzi kvarkami a gluónmi majú svoju charakteristickú škálu. Toto je, zhruba povedané, hmotnosť protónu - 1 GeV. Existuje škála slabých interakcií, 100 GeV (hmotnosť W, Z, Higgsov bozón). A táto mierka je presne mierou Higgsovho poľa - približne 100 GeV. A to by nebolo nič, ale existuje aj Planckova hmotnosť - gravitačná stupnica. Čo je až 10 19 GeV. A, samozrejme, už je to zvláštne: čo je to za históriu, prečo sú tieto stupnice také odlišné?

So stupnicami silných interakcií taký problém nie je: existuje mechanizmus, ktorý nám umožňuje pochopiť rozdiel medzi touto stupnicou a gravitačnou (no, aspoň zamiesť naše zmätenie pod koberec). Ale rozsah Higgsovho bozónu je zlý. prečo? Pretože v skutočnosti v prírode existuje vákuum - stav bez častíc. A to vôbec nie je absolútna prázdnota – v tom zmysle, že virtuálne procesy prebiehajú neustále vo vákuu: zrod a zničenie párov častíc a fluktuácie poľa. Život tam beží neustále. Keďže je to však vákuum a nie sú v ňom žiadne častice, nemôžeme to priamo vidieť. A nepriamo - je to veľmi viditeľné. Napríklad procesy zrodu virtuálnych párov ovplyvňujú vlastnosti atómov a menia ich energetické hladiny. Ide o dlho známy Lamb shift, vypočítaný v 30. rokoch a meraný v 40. rokoch 20. storočia. Účinok spravidla nie je príliš silný. Tento Lambov posun atómových úrovní je len zlomok percenta.

Existuje však jedno miesto, kde vákuum „strieľa“ na 100 %. Presne taká je hmotnosť Higgsovho bozónu. Ukazuje sa, že ak začnete brať do úvahy vznik a deštrukciu virtuálnych častíc a naivne sa pokúsite vypočítať, ako veľmi sa tieto procesy podieľajú na hmotnosti Higgsovho bozónu, presvedčíte sa, že tieto javy majú tendenciu ťahať hmotnosť Higgsov bozón smerom k Planckovej hmote. Zabraňujú tomu, aby bol Higgsov bozón ľahký.

A toto je naozaj hrozná vec. Naozaj chcem pochopiť, prečo je v skutočnosti elektroslabý rozsah v prírode taký malý v porovnaní s gravitačným rozsahom 10 19 GeV. Možno to vysvetliť tým, že fyziku dobre nepoznáme pri nie veľmi vysokých energiách, pri energiách na stupnici 1 TeV. Faktom je, že ak sa fyzika zmení na teraelektronvoltovej stupnici, potom sa tam možno dejú zázraky: vplyv vákua sa z nejakého dôvodu ukáže ako malý, nevýznamný. Taký nápad. Možno LHC ešte neobjavil všetko a musia existovať nové javy, ktoré sú mu prístupné. Jeho energia, dovoľte mi pripomenúť, je 14 TeV. Pravda, ide o zrážky protónov a protónov. Kvark s kvarkom má zrážkovú energiu asi šesťkrát menšiu. Preto je skutočná energetická škála, ktorú študuje LHC, 2–3 TeV. Ale stále je to práve tá mierka, na ktorej (ako by sme chceli) sa môže objaviť nová fyzika, úplne nové fyzikálne javy.

A musím vám povedať, že v skutočnosti je situácia teraz veľmi smutná. Pretože LHC už pracoval takmer na svojej konštrukčnej energii - 13 TeV, fungoval dobre v roku 2017 a teraz táto práca pokračuje. A zatiaľ žiadne nie sú – žiadne! - náznaky tejto novej fyziky, v ktorú všetci dúfame. Všetky tieto úvahy, o ktorých vám hovorím, nie sú potvrdené. Buď nie je dostatočná svietivosť, nie je dostatok kolízií, nie je dostatočná štatistika. Možno tu niečo nie je úplne v poriadku a všetky tieto dosť presvedčivé, ale nie úplne vyžehlené argumenty môžu byť nesprávne.

Aká nová fyzika by mohla byť? Boli veľmi veľké nádeje na supersymetriu. Je pozoruhodná tým, že ide o teóriu, ktorá má dodatočnú symetriu oproti všetkým známym. Ktorý spája častice s celočíselným a polocelým spinom – bozóny a fermióny. Mimochodom, túto symetriu navrhli teoretici tu v Moskve, vo fyzikálnom inštitúte Lebedev, v 70. rokoch.

V kontexte časticovej fyziky to znamená nasledovné: ak máte kvark so spinom 1/2, potom musí mať partnera, ktorý sa bez rozmýšľania dvakrát nazval skalárny kvark – „kvark“ so spinom 0. Elektrón musí mať partnera - skalárny elektrón, partner fotónu musí byť fotino so spinom 1/2, partner gluónu musí byť gluino a partner gravitónu musí byť gravitino.

Okrem gravitín by sa všetky tieto častice, ak sú ľahké, mali zrodiť vo Veľkom hadrónovom urýchľovači. Vo všeobecnosti horúce hlavy povedali toto: keď sa LHC zapne, prvá vec, ktorú nájdu, nie je Higgsov bozón, ale supersymetria. A tento názor zdieľali nielen mnohí teoretici, ale aj úbohí experimentátori, ktorých mozgy teoretici oklamali. Supersymetria však ešte nebola objavená, existujú len obmedzenia na hmotnosti vyššie uvedených častíc. Vo všeobecnosti sa už nezdá, že v prírode existuje supersymetria pri nie príliš vysokých energiách.

Prečo je supersymetria dobrá? Ukazuje sa, že príspevky virtuálnych častíc k hmotnosti Higgsovho bozónu majú rôzne znamienka pre rôzne spiny. Pri supersymetrii sú príspevky bozónov a fermiónov znížené na nulu a ak máte fotóny a fotíny alebo W bozóny a vína, ich príspevky sú tiež znížené na nulu. Ak sú hmotnosti častíc a ich superpartnerov rozdielne - a to je tento prípad, neexistuje skalárny elektrón s rovnakou hmotnosťou ako elektrón, vieme to s istotou - potom k tomuto zníženiu na nulu nedochádza. Ale ak sa masy superpartnerov pohybujú v oblasti teraelektronvoltov, tak sa ukáže, že tieto príspevky majú škálu stoviek gigaelektronvoltov a potom je všetko v poriadku. Ale toto už nefunguje. Obmedzenia týchto hmotností sú už také silné, že tento redukčný mechanizmus nefunguje úplne, 100 GeV sa nedá dosiahnuť. Ak naivne počítate, mali by ste dostať niečo ako 500 – 700 GeV pre hmotnosť Higgsovho bozónu. Takže teraz je situácia s hľadaním supersymetrie veľmi napätá.

Existujú aj iné scenáre: napríklad Higgsov bozón môže byť zložený, nie nevyhnutne elementárny. A vo všeobecnosti vo fyzike kondenzovaných látok sú známe analógy Higgsovho mechanizmu a tam analóg Higgsovho bozónu alebo Higgsovho poľa nie je elementárny, ale zložený. Najznámejším príkladom je supravodivosť. V supravodiči sa zdá, že fotón má hmotnosť, ide o takzvaný Meissnerov efekt. Engler-Brout-Higgsova teória je takmer totožná s teóriou Ginzburg-Landau, ktorá bola navrhnutá desať rokov pred Engler-Brout-Higgsom.

Ak je Higgsov bozón zloženým bozónom, potom sa všetko zmení a obrovské príspevky z interakcie s vákuom zmiznú a objaví sa veľkosť zloženého systému ako protón. Ak je táto veľkosť 10 -18 cm, potom sa zodpovedajúca energia systému ukáže ako primeraná, zatiaľ čo vnútorná štruktúra zostáva stále nerozoznateľná. Takéto modely majú svoje predpovede, no opäť zatiaľ nič podobné na urýchľovači nebolo vidieť.

Možno niečomu naozaj nerozumieme, teoretici niečo nenapadlo, neobjavili to v hlave. Veľký hadrónový urýchľovač má samozrejme program na hľadanie nových javov, ktorý nie je založený na teoretických predpovediach. Pozrieme sa, kde sa dá, „kde sú lampáše“ – pozrieme sa pod ne. A budeme sa snažiť nájsť rozdiely od štandardného modelu všade, kde to bude možné. Zatiaľ nič z toho nie je a štandardný model funguje skvele.

Na záver poviem: teraz sme vo veľmi zaujímavom štádiu vývoja fyziky elementárnych častíc. Na jednej strane existuje istota, že štandardný model nie je celý príbeh. Z kozmológie existujú aj tvrdé, jednoznačné dôkazy, že Štandardný model je neúplný – v prvom rade ide o temnú hmotu: vo vesmíre sú masívne častice, ktoré tvoria temnú hmotu, ich hmotnosť je asi päťkrát väčšia ako obyčajná hmota.

Teraz je situácia taká, že časticová fyzika sa opäť stala experimentálnou vedou. V päťdesiatych a šesťdesiatych rokoch minulého storočia bola táto oblasť fyziky experimentálnou vedou, keď sa experimenty vykonávali, interpretovali sa ich výsledky a vytvárali sa teórie. Počas môjho dospelého života však bolo všetko naopak: teoretici predpovedali a experimentátori ich potvrdili. Teraz sme sa opäť dostali do situácie, kedy sme úplne zviazaní s experimentom, pričom nevieme, čo nám ukáže. Čakáme, držíme palce, no zatiaľ nám LHC nič zaujímavé nehovorí. Okrem toho, že existuje Higgsov bozón...

Tiež nevieme, aká nová fyzika sa nakoniec objaví. Situácia je teda zaujímavá, došlo k dôležitému objavu, no nikto dnes nevie povedať, aký bude ďalší objav. Možno je to dobré, núti nás to napínať sa a premýšľať a experimentátorov hľadať nové javy. Dúfam, že toto hľadanie bude úspešné.

Takzvaná Božia častica, ktorá bola dlho nepolapiteľná, bola konečne zachytená. Higgsov bozón bol chýbajúci kúsok skladačky s názvom Štandardný model. Vedci sa domnievajú, že tento bozón je zodpovedný za hmotnosť častíc. Najmä Veľký hadrónový urýchľovač bol postavený špeciálne na hľadanie Higgsovho bozónu, ktorý si poradil so svojou hlavnou úlohou. Pre vedcov však vyvstali nové záhady: existuje skutočne jeden Higgsov bozón? Objav tohto bozónu navyše nijako nevysvetlil paradoxnú existenciu temnej hmoty, ktorá fyzikov v poslednom čase zamestnáva čoraz viac.

Fyzici konečne videli, ako sa základná častica prvýkrát objavená vo Veľkom hadrónovom urýchľovači rozpadá na dva kvarky krásy, exotické častice s krátkou životnosťou, ktoré sa často objavujú po zrážkach častíc s vysokou energiou. Tento nepolapiteľný proces sme mohli pozorovať až teraz, prvýkrát po šiestich rokoch od objavu Higgsovho bozónu. Vedci z dvoch experimentov LHC, ATLAS a CMS, oznámili svoje výsledky súčasne na workshope, ktorý sa konal v CERN 28. augusta.

Jedna z najväčších záhad fyziky môže byť vyriešená "matracovým" axionovým poľom, ktoré preniká priestorom a časom. Traja fyzici spolupracujúci v oblasti zálivu San Francisco za posledné tri roky vyvinuli nové riešenie otázky, ktorá trápi ich vedecký odbor už viac ako 30 rokov. Dokonca aj stredoškolák môže formulovať túto hlbokú záhadu, ktorá poháňala experimenty na najvýkonnejších urýchľovačoch častíc a dala podnet na vznik kontroverzných hypotéz multivesmíru: ako magnet zdvihne kancelársku sponku proti gravitačnej sile celej planéty.

Môžeme sa staviť o veľkú sumu, že väčšina z vás (vrátane ľudí zaujímajúcich sa o vedu) nemá veľmi dobrú predstavu o tom, čo fyzici našli vo Veľkom hadrónovom urýchľovači, prečo to tak dlho hľadali a čo sa bude diať ďalej. .

Preto krátky príbeh o tom, čo je to Higgsov bozón.

Musíme začať so skutočnosťou, že ľudia sú vo všeobecnosti veľmi chudobní na to, aby si vo svojich mysliach predstavili, čo sa deje v mikrokozme, na úrovni elementárnych častíc.

Veľa ľudí zo školy si napríklad predstavuje, že elektróny sú malé žlté guľôčky, ako miniplanéty, ktoré sa točia okolo jadra atómu, alebo to vyzerá ako malina zložená z červených a modrých protónov-neutrónov. Tí, ktorí sú trochu oboznámení s kvantovou mechanikou z populárnych kníh, si elementárne častice predstavujú ako rozmazané oblaky. Keď sa povie, že akákoľvek elementárna častica je tiež vlna, predstavíme si vlny na mori (alebo v oceáne): povrch trojrozmerného média, ktoré periodicky osciluje. Ak sa nám povie, že častica je udalosť v určitom poli, predstavíme si pole (niečo bzučiace v prázdnote, ako skrinka transformátora).

Toto všetko je veľmi zlé. Slová „častica“, „pole“ a „vlna“ odrážajú realitu extrémne zle a neexistuje spôsob, ako si ich predstaviť. Akýkoľvek vizuálny obraz, ktorý vám príde na myseľ, bude nesprávny a bude prekážať porozumeniu. Elementárne častice nie sú niečo, čo sa dá v princípe vidieť alebo „dotknúť sa“ a my, potomkovia opíc, sme stvorení na to, aby sme si predstavovali iba takéto veci. Nie je pravda, že elektrón (alebo fotón alebo Higgsov bozón) „je častica aj vlna“; to je niečo tretie, pre čo v našom jazyku nikdy neboli slová (ako zbytočné). My (v zmysle ľudstvo) vieme, ako sa správajú, vieme urobiť nejaké výpočty, vieme s nimi usporiadať experimenty, ale nevieme im nájsť dobrý mentálny obraz, pretože veci, ktoré sú aspoň približne podobné elementárnym časticiam, nie sú vôbec nájsť v našom meradle.

Profesionálni fyzici sa nesnažia vizuálne (alebo iným spôsobom z hľadiska ľudských pocitov) predstavovať si, čo sa deje v mikrosvete; toto je zlá cesta, nikam nevedie. Postupne si vypestujú určitú intuíciu o tom, aké predmety tam žijú a čo sa s nimi stane, ak urobia to a to, ale neprofesionál to pravdepodobne nedokáže duplikovať.

Tak dúfam, že už nemyslíš na malé loptičky. Teraz o tom, čo hľadali a našli na Veľkom hadrónovom urýchľovači.

Všeobecne uznávaná teória fungovania sveta v najmenších mierkach sa nazýva štandardný model. Náš svet podľa nej takto funguje. Obsahuje niekoľko zásadne odlišných druhov hmoty, ktoré sa navzájom ovplyvňujú rôznymi spôsobmi. Niekedy je vhodné hovoriť o takých interakciách, ako je výmena určitých „objektov“, pri ktorých možno merať rýchlosť, hmotnosť, zrýchľovať ich alebo tlačiť proti sebe atď. V niektorých prípadoch je vhodné ich nazývať (a myslieť na ne) ako nosné častice. V modeli je 12 typov takýchto častíc. Pripomínam, že všetko, o čom teraz píšem, je stále nepresné a sprofanované; ale dúfam, že stále oveľa menej ako väčšina správ v médiách. (Napríklad „Echo Moskvy“ zo 4. júla sa vyznačovalo frázou „5 bodov na stupnici sigma“; znalí to ocenia).

Tak či onak, 11 z 12 častíc štandardného modelu už bolo pozorovaných predtým. 12. je bozón zodpovedajúci Higgsovmu poľu - čo dáva mnohým iným časticiam hmotnosť. Veľmi dobré (ale, samozrejme, aj nesprávne) prirovnanie, ktoré som nevymyslel ja: predstavte si dokonale hladký biliardový stôl, na ktorom sú biliardové gule - elementárne častice. Ľahko sa rozptýlia rôznymi smermi a bez rušenia sa pohybujú kdekoľvek. Teraz si predstavte, že stôl je pokrytý akousi lepkavou hmotou, ktorá bráni pohybu častíc: toto je Higgsovo pole a miera, do akej sa častica prilepí na takýto povlak, je jej hmotnosť. Higgsovo pole nijako neinteraguje s niektorými časticami, napríklad s fotónmi, a ich hmotnosť je teda nulová; Možno si predstaviť, že fotóny sú ako puk vo vzdušnom hokeji a povlak si vôbec nevšimnete.

Celá táto analógia je nesprávna napríklad preto, že hmota na rozdiel od nášho lepkavého povlaku bráni častici v pohybe, ale v zrýchlení, no dáva ilúziu pochopenia.

Higgsov bozón je častica zodpovedajúca tomuto „lepkavému poľu“. Predstavte si, že veľmi silno udriete do biliardového stola, poškodíte plsť a rozdrvíte malé množstvo lepkavej hmoty do bublinovitého záhybu, ktorý rýchlo vytečie späť von. Toto je všetko.

V skutočnosti je to presne to, čo Veľký hadrónový urýchľovač robil celé tie roky a zhruba takto vyzeral proces získavania Higgsovho bozónu: celou silou udierame do stola, až kým sa samotné plátno nezačne premieňať z veľmi statický, tvrdý a lepkavý povrch na niečo zaujímavejšie (alebo kým sa nestane niečo ešte úžasnejšie, čo nepredpokladá teória). Preto je LHC taký veľký a výkonný: už sa pokúšali trafiť do stola s menšou energiou, no neúspešne.

Teraz o notoricky známej 5 sigme. Problém s vyššie uvedeným procesom je, že môžeme len klopať a dúfať, že z toho niečo bude; Zaručený recept na získanie Higgsovho bozónu neexistuje. Horšie je, že keď sa konečne narodí na svet, musíme mať čas ho zaregistrovať (prirodzene ho nemožno vidieť a existuje len nepatrný zlomok sekundy). Nech už použijeme akýkoľvek detektor, môžeme len povedať, že sa zdá, že sme mohli pozorovať niečo podobné.

Teraz si predstavte, že máme špeciálnu kocku; padá náhodne na jednu zo šiestich stien, ale ak je Higgsov bozón blízko nej práve v tom čase, potom šesť nikdy nevypadne. Toto je typický detektor. Ak raz hodíme kockou a zároveň celou silou udrieme do stola, potom nám žiadny výsledok nepovie vôbec nič: vyšlo to ako 4? Dosť pravdepodobná udalosť. Hodili ste 6? Možno sme jednoducho trafili do stola v nesprávnej chvíli a bozón, hoci existoval, sa nestihol zrodiť v správnom momente, alebo naopak, stihol sa rozpadnúť.

Ale tento experiment môžeme urobiť niekoľkokrát a dokonca mnohokrát! Skvelé, hodme kockou 60 000 000 krát. Povedzme, že šestka prišla „len“ 9 500 000-krát, a nie 10 000 000; Znamená to, že sa z času na čas objaví bozón, alebo je to len prijateľná zhoda okolností - neveríme, že kocka by mala byť šestka hladké 10 miliónov krát zo 60?

No uh. Takéto veci sa nedajú posúdiť očami, treba zvážiť, aká veľká je odchýlka a ako súvisí s možnými nehodami. Čím väčšia odchýlka, tým menšia je pravdepodobnosť, že kosť len tak náhodne položí, a tým väčšia je pravdepodobnosť, že z času na čas (nie vždy) vznikne nová elementárna častica, ktorá jej zabránila ležať ako šestka. Odchýlku od priemeru je vhodné vyjadriť v sigmách. „Jedna sigma“ je úroveň odchýlky, ktorá je „najočakávanejšia“ (jej konkrétnu hodnotu si môže vypočítať každý študent 3. ročníka na FZF). Ak existuje pomerne veľa experimentov, potom odchýlka 5 sigma je úroveň, keď sa názor „náhodnosť je nepravdepodobný“ zmení na absolútne pevnú dôveru.

Dosiahnutie približne tejto úrovne odchýlok na dvoch rôznych detektoroch oznámili fyzici 4. júla. Obidva detektory sa správali veľmi podobne, ako by sa správali, keby častica produkovaná silným nárazom na stôl bola v skutočnosti Higgsovým bozónom; Prísne vzaté, to neznamená, že je to on, kto je pred nami, ale musíme merať všetky možné ďalšie charakteristiky pomocou všemožných iných detektorov. Ale zostáva len málo pochybností.

Na záver o tom, čo nás čaká v budúcnosti. Bola objavená „nová fyzika“ a bol urobený prelom, ktorý nám pomôže vytvoriť hyperpriestorové motory a absolútne palivo? Nie; a dokonca aj naopak: ukázalo sa, že v tej časti fyziky, ktorá študuje elementárne častice, sa zázraky nedejú a príroda je štruktúrovaná takmer tak, ako to fyzici celý čas predpokladali (no, alebo takmer áno). Je to dokonca trochu smutné.

Situáciu komplikuje fakt, že s absolútnou istotou vieme, že v princípe sa to presne takto štruktúrovať nedá. Štandardný model je čisto matematicky nekompatibilný s Einsteinovou všeobecnou teóriou relativity a obe jednoducho nemôžu byť pravdivé súčasne.

A kam teraz kopať, ešte nie je celkom jasné (nie je to tak, že by tam vôbec neboli žiadne myšlienky, skôr naopak: existuje príliš veľa rôznych teoretických možností a existuje oveľa menej spôsobov, ako ich otestovať). Možno je to niekomu jasné, ale mne určite nie. V tomto príspevku som už dávno prekročil svoje kompetencie. Ak som niekde zle klamal, opravte ma.

Vo fyzike je Higgsov bozón elementárna častica, o ktorej vedci veria, že hrá zásadnú úlohu pri tvorbe hmoty vo vesmíre. Potvrdenie alebo vyvrátenie existencie tejto častice bolo jedným z hlavných cieľov použitia Large Hadron Collider (LHC), najvýkonnejšieho urýchľovača častíc na svete, ktorý sa nachádza v Európskom laboratóriu pre fyziku častíc (CERN) neďaleko Ženevy.

Prečo bolo také dôležité nájsť Higgsov bozón?

V modernej časticovej fyzike existuje určitý štandardný model. Jediná častica, ktorú tento model predpovedá a ktorú sa vedci dlho snažili odhaliť, je pomenovaný bozón. Štandardný model častíc (podľa experimentálnych údajov) popisuje všetky interakcie a transformácie medzi elementárnymi časticami. V tomto modeli však zostalo jediné „prázdne miesto“ - chýbajúca odpoveď na otázku pôvodu hmoty. O dôležitosti hmoty niet pochýb, pretože bez nej by bol vesmír úplne iný. Ak by elektrón nemal hmotnosť, potom by neexistovali atómy a samotná hmota, neexistovala by biológia a chémia a v konečnom dôsledku by neexistoval ani človek.

Na vysvetlenie konceptu existencie hmoty viacerí fyzici, vrátane Brita Petra Higgsa, predpokladali existenciu takzvaného Higgsovho poľa už v 60. rokoch minulého storočia. Analogicky s fotónom, ktorý je časticou elektromagnetického poľa, vyžaduje aj Higgsovo pole existenciu nosnej častice. Higgsove bozóny sú teda jednoduchými slovami častice, z ktorých sa tvorí Higgsovo pole.

Higgsova častica a pole, ktoré vytvára

Všetky elementárne častice možno rozdeliť do dvoch typov:

• Fermióny.
• bozóny.

Fermióny sú častice, ktoré tvoria hmotu, ktorú poznáme, ako sú protóny, elektróny a neutróny. Bozóny sú elementárne častice, ktoré určujú existenciu rôznych typov interakcií medzi fermiónmi. Bozóny sú napríklad fotón - nosič elektromagnetickej interakcie, gluón - nosič silnej alebo jadrovej interakcie, bozóny Z a W, ktoré sú zodpovedné za slabú interakciu, teda za premeny medzi elementárnymi časticami.

Ak hovoríme jednoducho o Higgsovom bozóne a význame hypotézy, ktorá vysvetľuje vzhľad hmoty, potom by sme si mali predstaviť, že tieto bozóny sú rozmiestnené v priestore Vesmíru a tvoria súvislé Higgsovo pole. Keď akékoľvek telo, atóm alebo elementárna častica zažije „trenie“ o toto pole, to znamená, že s ním interaguje, potom sa táto interakcia prejaví ako existencia hmoty pre toto telo alebo časticu. Čím viac sa teleso „trie“ časticou o Higgsovo pole, tým väčšia je jeho hmotnosť.

Ako zistiť a kde hľadať Higgsov bozón

Tento bozón nie je možné priamo detegovať, keďže (podľa teoretických údajov) sa po objavení okamžite rozpadá na ďalšie stabilnejšie elementárne častice. Ale častice, ktoré sa objavili po rozpade Higgsovho bozónu, sa už dajú zistiť. Sú to „stopy“ naznačujúce existenciu tejto dôležitej častice.

Vedci sa zrazili s vysokoenergetickými lúčmi protónov, aby odhalili časticu Higgsovho bozónu. Obrovská energia protónov sa pri zrážke môže zmeniť na hmotnosť, podľa známej rovnice Alberta Einsteina E = mc 2. V zrážkovej zóne protónov v zrážači je veľa detektorov, ktoré umožňujú zaznamenať vzhľad a rozpad akýchkoľvek častíc.

Hmotnosť Higgsovho bozónu nebola teoreticky stanovená, ale bol určený iba možný súbor jeho hodnôt. Na detekciu častice sú potrebné výkonné urýchľovače. Veľký hadrónový urýchľovač (LHC) je v súčasnosti najvýkonnejším urýchľovačom na planéte Zem. S jeho pomocou bolo možné zraziť protóny s energiou blízkou 14 tetraelektrónvoltom (TeV). V súčasnosti pracuje pri energiách okolo 8 TeV. Ale aj tieto energie sa ukázali ako dostatočné na detekciu Higgsovho bozónu alebo častice Boha, ako to mnohí nazývajú.

Náhodné a skutočné udalosti

V časticovej fyzike sa existencia udalosti posudzuje s určitou pravdepodobnosťou „sigma“, ktorá určuje náhodnosť alebo reálnosť tejto udalosti získanej v experimente. Na zvýšenie pravdepodobnosti udalosti je potrebné analyzovať veľké množstvo údajov. Hľadanie a objavenie Higgsovho bozónu je jedným z týchto typov pravdepodobných udalostí. Na detekciu tejto častice LHC vygeneroval asi 300 miliónov zrážok za sekundu, takže množstvo údajov, ktoré bolo potrebné analyzovať, bolo obrovské.

O skutočnom pozorovaní konkrétnej udalosti môžeme s istotou hovoriť, ak sa jej „sigma“ rovná 5 alebo viac. To je ekvivalentné udalosti mince (ak ju hodíte a pristane na hlave 20-krát za sebou). Tento výsledok zodpovedá pravdepodobnosti menšej ako 0,00006 %.

Po objavení tejto „novej“ skutočnej udalosti je potrebné ju podrobne študovať a odpovedať na otázku, či táto udalosť presne zodpovedá Higgsovej častici alebo je to nejaká iná častica. Na to je potrebné starostlivo preštudovať vlastnosti produktov rozpadu tejto novej častice a porovnať ich s výsledkami teoretických predpovedí.

Experimenty s LHC a objav hmotnej častice

Pátranie po hmotnej častici, ktoré sa uskutočnilo na urýchľovačoch LHC v Ženeve a Tevatron vo Fermilabe v USA, preukázalo, že Božia častica musí mať hmotnosť väčšiu ako 114 gigaelektrónvoltov (GeV), ak je vyjadrená v energetickom ekvivalente. Povedzme napríklad, že hmotnosť jedného protónu približne zodpovedá 1 GeV. Ďalšie experimenty, ktoré boli zamerané na hľadanie tejto častice, zistili, že jej hmotnosť nemôže prekročiť 158 GeV.

Prvé výsledky hľadania Higgsovho bozónu na LHC boli prezentované už v roku 2011 vďaka analýze údajov, ktoré boli na urýchľovači zozbierané v priebehu jedného roka. Počas tejto doby sa na tomto probléme uskutočnili dva hlavné experimenty – ATLAS a CMS. Podľa týchto experimentov má bozón hmotnosť medzi 116 a 130 GeV alebo medzi 115 a 127 GeV. Je zaujímavé poznamenať, že v oboch týchto experimentoch na LHC je podľa mnohých znakov hmotnosť bozónu v úzkej oblasti medzi 124 a 126 GeV.

Peter Higgs spolu s kolegom Frankom Englertom dostali 8. októbra 2013 Nobelovu cenu za objav teoretického mechanizmu na pochopenie existencie hmoty v elementárnych časticiach, čo potvrdili experimenty ATLAS a CMS na LHC v CERN. (Ženeva), kedy bol objavený experimentálne predpovedaný bozón.

Význam objavu Higgsovej častice pre fyziku

Zjednodušene povedané, objav Higgsovho bozónu znamenal začiatok novej etapy v časticovej fyzike, keďže táto udalosť poskytla nové spôsoby ďalšieho skúmania javov vesmíru. Napríklad štúdium podstaty a charakteristík čiernej hmoty, ktorá podľa všeobecných odhadov tvorí asi 23 % celého známeho Vesmíru, no ktorej vlastnosti zostávajú dodnes záhadou. Objav častice God umožnil premyslieť a uskutočniť nové experimenty na LHC, ktoré pomôžu objasniť túto problematiku.

Vlastnosti bozónu

Mnohé z vlastností Božích častíc, ktoré sú opísané v štandardnom modeli elementárnych častíc, sú teraz plne preukázané. Tento bozón má nulový spin a nemá elektrický náboj ani farbu, takže neinteraguje s inými bozónmi, ako je fotón a gluón. Interaguje však so všetkými časticami, ktoré majú hmotnosť: kvarky, leptóny a bozóny so slabou interakciou Z a W. Čím väčšia je hmotnosť častice, tým silnejšie interaguje s Higgsovým bozónom. Tento bozón je navyše vlastnou antičasticou.

Hmotnosť častice, jej priemerná životnosť a interakcia medzi bozónmi nie sú predpovedané teóriou. Tieto veličiny je možné merať iba experimentálne. Výsledky experimentov na LHC v CERN (Ženeva) ukázali, že hmotnosť tejto častice leží v rozmedzí 125-126 GeV a jej životnosť je približne 10-22 sekúnd.

Objavený bozón a vesmírna apokalypsa

Objav tejto častice sa považuje za jeden z najdôležitejších v histórii ľudstva. Experimenty s týmto bozónom pokračujú a vedci získavajú nové výsledky. Jedným z nich bol fakt, že bozón môže viesť vesmír do záhuby. Navyše sa tento proces už začal (podľa vedcov). Podstata problému je takáto: Higgsov bozón sa môže v niektorej časti vesmíru zrútiť sám. Tým sa vytvorí energetická bublina, ktorá sa bude postupne rozširovať a pohlcovať všetko, čo jej príde do cesty.

Na otázku, či bude koniec sveta, odpovedá každý vedec kladne. Faktom je, že existuje teória nazývaná „Stellar Model“. Postuluje jasné tvrdenie: všetko má svoj začiatok a svoj koniec. Podľa moderných predstáv bude koniec Vesmíru vyzerať takto: zrýchlená expanzia Vesmíru vedie k rozptýleniu hmoty vo vesmíre. Tento proces bude pokračovať, kým nezhasne posledná hviezda, po ktorej sa vesmír ponorí do večnej temnoty. Nikto nevie, ako dlho to bude trvať, kým sa tak stane.

S objavom Higgsovho bozónu sa objavila ďalšia teória súdneho dňa. Faktom je, že niektorí fyzici veria, že výsledná hmotnosť bozónu je jednou z možných dočasných hmotností, existujú aj iné hodnoty. Tieto hodnoty hmotnosti sa dajú tiež realizovať, pretože (jednoducho povedané) Higgsov bozón je elementárna častica, ktorá môže vykazovať vlnové vlastnosti. To znamená, že existuje možnosť jeho prechodu do stabilnejšieho stavu zodpovedajúceho väčšej hmotnosti. Ak k takémuto prechodu dôjde, potom všetky prírodné zákony, ktoré človek pozná, nadobudnú inú podobu, a preto príde nám známy koniec Vesmíru. Okrem toho tento proces už mohol nastať v niektorej časti vesmíru. Ľudstvu nezostáva veľa času na svoju existenciu.

Výhody LHC a iných urýchľovačov častíc pre spoločnosť

Technológie, ktoré sa vyvíjajú pre urýchľovače častíc, sú užitočné aj pre medicínu, informatiku, priemysel a životné prostredie. Pre medicínske diagnostické technológie sa dajú využiť napríklad zrážacie magnety zo supravodivých materiálov, pomocou ktorých sa urýchľujú elementárne častice. Moderné detektory rôznych častíc produkovaných v urýchľovači sa dajú použiť v pozitrónovej tomografii (pozitrón je antičastica elektrónu). Okrem toho sa technológie na vytváranie zväzkov elementárnych častíc v LHC môžu použiť na liečbu rôznych chorôb, napríklad rakoviny.

Čo sa týka prínosov výskumu využívajúceho LHC v CERN (Ženeva) pre informačné technológie, treba povedať, že globálna počítačová sieť GRID, ako aj samotný internet, vďačia za svoj rozvoj najmä experimentom s urýchľovačmi častíc, ktoré vyprodukovali obrovské množstvo údajov. Potreba zdieľať tieto údaje medzi vedcami na celom svete viedla v CERN-e k vytvoreniu jazyka World Wide Web (WWW), na ktorom je založený internet, Tim Bernels-Lee.

Lúče častíc, ktoré vznikali a vznikajú v rôznych typoch urýchľovačov, sú v súčasnosti široko používané v priemysle na štúdium vlastností nových materiálov, štruktúry biologických objektov a produktov chemického priemyslu. Úspechy v časticovej fyzike sa využívajú pri navrhovaní solárnych panelov, prepracovaní rádioaktívneho odpadu atď.

Vplyv objavu Higgsovej častice na literatúru, kino a hudbu

Nasledujúce fakty naznačujú senzačný charakter správy o objave hmotnej častice vo fyzike:

• Po objavení tejto častice vyšla populárna vedecká kniha „The God Particle: If the Universe is the Answer, What is the Question“? Lev Liederman. Fyzici tvrdia, že označovanie Higgsovho bozónu za Božiu časticu je prehnané.
• Aj film Anjeli a démoni, ktorý je natočený podľa rovnomennej knihy, používa názov bozón „Božia častica“.
• Sci-fi film Solaris, v ktorom hrajú George Clooney a Natascha McElhone, predkladá teóriu, ktorá spomína Higgsovo pole a jeho dôležitú úlohu pri stabilizácii subatomárnych častíc.
• V sci-fi knihe Flashforward, ktorú napísal Robert Sawyer v roku 1999, dvaja vedci spôsobujú globálnu katastrofu, keď vykonávajú experimenty na detekciu Higgsovho bozónu.
• Španielsky televízny seriál „Archa“ rozpráva príbeh o globálnej katastrofe, pri ktorej boli všetky kontinenty zaplavené v dôsledku experimentov na veľkom hadrónovom urýchľovači a prežili iba ľudia na lodi „Polar Star“.
• Hudobná skupina z Madridu "Aviador Dro" vo svojom albume "Voice of Science" venovala pieseň objavenému masovému bozónu.
• Austrálsky spevák Nick Cave vo svojom albume „Push the Sky Away“ nazval jednu zo skladieb „Blue Higgs Boson“.

My, tím Quantuz, (snažíme sa pripojiť ku komunite GT) ponúkame náš preklad sekcie webovej stránky časticadventure.org venovanej Higgsovmu bozónu. V tomto texte sme vylúčili neinformatívne obrázky (plnú verziu nájdete v origináli). Materiál bude zaujímavý pre každého, kto sa zaujíma o najnovšie výdobytky aplikovanej fyziky.

Úloha Higgsovho bozónu

Higgsov bozón bol poslednou časticou objavenou v štandardnom modeli. Toto je kritická zložka teórie. Jeho objav pomohol potvrdiť mechanizmus, akým základné častice získavajú hmotnosť. Tieto základné častice v štandardnom modeli sú kvarky, leptóny a častice prenášajúce silu.

teória z roku 1964

V roku 1964 šesť teoretických fyzikov vyslovilo hypotézu o existencii nového poľa (ako je elektromagnetické pole), ktoré vypĺňa celý priestor a rieši kritický problém v našom chápaní vesmíru.

Nezávisle na tom iní fyzici vyvinuli teóriu základných častíc, nakoniec nazvanú Štandardný model, ktorý poskytoval fenomenálnu presnosť (experimentálna presnosť niektorých častí Štandardného modelu dosahuje 1 ku 10 miliardám. To sa rovná predpovedi vzdialenosti medzi New Yorkom a San Francisco s presnosťou asi 0,4 mm). Ukázalo sa, že tieto snahy sú úzko prepojené. Štandardný model potreboval mechanizmus, aby častice získali hmotnosť. Teóriu poľa vyvinuli Peter Higgs, Robert Brout, Francois Englert, Gerald Guralnick, Carl Hagen a Thomas Kibble.

bozón

Peter Higgs si uvedomil, že analogicky s inými kvantovými poľami musí existovať častica spojená s týmto novým poľom. Musí mať spin rovný nule, a teda musí ísť o bozón - časticu s celočíselným spinom (na rozdiel od fermiónov, ktoré majú polovičný spin: 1/2, 3/2 atď.). A skutočne sa čoskoro stal známym ako Higgsov bozón. Jeho jedinou nevýhodou bolo, že ho nikto nevidel.

Aká je hmotnosť bozónu?

Bohužiaľ, teória, ktorá bozón predpovedala, nešpecifikovala jeho hmotnosť. Uplynuli roky, kým sa ukázalo, že Higgsov bozón musí byť extrémne ťažký a s najväčšou pravdepodobnosťou mimo dosahu zariadení vybudovaných pred Veľkým hadrónovým urýchľovačom (LHC).

Pamätajte, že podľa E=mc 2 platí, že čím väčšia je hmotnosť častice, tým viac energie je potrebné na jej vytvorenie.

V čase, keď LHC začal zbierať údaje v roku 2010, experimenty na iných urýchľovačoch ukázali, že hmotnosť Higgsovho bozónu by mala byť väčšia ako 115 GeV/c2. Počas experimentov na LHC sa plánovalo hľadať dôkazy o bozóne v hmotnostnom rozsahu 115-600 GeV/c2 alebo dokonca vyššom ako 1000 GeV/c2.

Každý rok bolo experimentálne možné vylúčiť bozóny s vyššou hmotnosťou. V roku 1990 bolo známe, že požadovaná hmotnosť by mala byť väčšia ako 25 GeV/c2 a v roku 2003 sa ukázalo, že bola väčšia ako 115 GeV/c2.

Zrážky vo Veľkom hadrónovom urýchľovači by mohli priniesť veľa zaujímavých vecí

Dennis Overbye v New York Times hovorí o obnovení podmienok bilióntiny sekundy po Veľkom tresku a hovorí:

« ...pozostatky [explózie] v tejto časti vesmíru neboli viditeľné od ochladenia vesmíru pred 14 miliardami rokov - jar života je prchavá, znova a znova vo všetkých svojich možných variáciách, ako keby vesmír sa podieľali na vlastnej verzii filmu Hromnice»

Jedným z týchto „pozostatkov“ môže byť Higgsov bozón. Jeho hmotnosť musí byť veľmi veľká a musí sa rozpadnúť za menej ako nanosekundu.

Oznámenie

Po polstoročí očakávaní nabrala dráma na intenzite. Fyzici spali mimo auditória, aby sa usadili na seminári v laboratóriu CERN v Ženeve.

Desaťtisíc míľ ďaleko, na druhej strane planéty, sa na prestížnej medzinárodnej konferencii o fyzike častíc v Melbourne stretli stovky vedcov zo všetkých kútov sveta, aby si vypočuli vysielanie seminára zo Ženevy.

Najprv sa však pozrime na pozadie.

Ohňostroj 4. júla

4. júla 2012 predstavili riaditelia experimentov ATLAS a CMS vo Veľkom hadrónovom urýchľovači svoje najnovšie výsledky v hľadaní Higgsovho bozónu. Hovorilo sa, že sa chystajú hlásiť viac ako len správu o výsledkoch, ale čo?

Keď boli výsledky prezentované, obe spolupráce, ktoré experimenty uskutočnili, uviedli, že našli dôkazy o existencii častice „podobnej Higgsovmu bozónu“ s hmotnosťou približne 125 GeV. Určite to bola častica a ak to nie je Higgsov bozón, tak je to jeho veľmi kvalitná napodobenina.

Dôkazy neboli nepresvedčivé; vedci mali výsledky päť sigma, čo znamená, že pravdepodobnosť, že údaje boli jednoducho štatistickou chybou, bola menšia ako jedna k miliónu.

Higgsov bozón sa rozpadá na iné častice

Higgsov bozón sa rozpadá na ďalšie častice takmer okamžite po jeho vzniku, takže môžeme pozorovať iba produkty jeho rozpadu. Najbežnejšie rozpady (medzi tými, ktoré môžeme vidieť) sú znázornené na obrázku:

Každý režim rozpadu Higgsovho bozónu je známy ako „kanál rozpadu“ alebo „režim rozpadu“. Aj keď je režim bb bežný, mnohé iné procesy produkujú podobné častice, takže ak pozorujete rozpad bb, je veľmi ťažké povedať, či sú častice spôsobené Higgsovým bozónom alebo niečím iným. Hovoríme, že režim rozpadu bb má „široké pozadie“.

Najlepšie kanály rozpadu na hľadanie Higgsovho bozónu sú kanály dvoch fotónov a dvoch Z bozónov.*

*(Technicky, pre hmotnosť Higgsovho bozónu 125 GeV nie je rozpad na dva Z bozóny možný, pretože Z bozón má hmotnosť 91 GeV, čo spôsobuje, že pár má hmotnosť 182 GeV, väčšiu ako 125 GeV. čo pozorujeme, je rozpad na Z-bozón a virtuálny Z-bozón (Z*), ktorých hmotnosť je oveľa menšia.)

Rozpad Higgsovho bozónu na Z + Z

Z bozóny majú tiež niekoľko režimov rozpadu, vrátane Z → e+ + e- a Z → u+ + µ-.

Režim rozpadu Z + Z bol pomerne jednoduchý pre experimenty ATLAS a CMS, pričom oba bozóny Z sa rozpadli v jednom z dvoch režimov (Z → e+ e- alebo Z → µ+ µ-). Obrázok ukazuje štyri pozorované režimy rozpadu Higgsovho bozónu:

Konečným výsledkom je, že niekedy pozorovateľ uvidí (okrem niektorých neviazaných častíc) štyri mióny alebo štyri elektróny alebo dva mióny a dva elektróny.

Ako by vyzeral Higgsov bozón v detektore ATLAS

V tomto prípade sa objavil „prúd“ (prúd) a Higgsov bozón stúpal, ale takmer okamžite sa rozpadol. Každý obrázok kolízie sa nazýva „udalosť“.

Príklad udalosti s možným rozpadom Higgsovho bozónu v podobe krásnej animácie zrážky dvoch protónov vo Veľkom hadrónovom urýchľovači si ju môžete pozrieť na zdrojovom webe na tomto odkaze.

V tomto prípade môže byť vytvorený Higgsov bozón, ktorý sa potom okamžite rozpadne na dva Z bozóny, ktoré sa následne okamžite rozpadnú (zanechajú dva mióny a dva elektróny).

Mechanizmus, ktorý dáva časticiam hmotnosť

Objav Higgsovho bozónu je neuveriteľným kľúčom k tomu, ako základné častice získavajú hmotnosť, ako tvrdia Higgs, Brout, Engler, Gerald, Karl a Kibble. Čo je to za mechanizmus? Ide o veľmi zložitú matematickú teóriu, ale jej hlavnú myšlienku možno pochopiť jednoduchou analógiou.

Predstavte si priestor naplnený Higgsovým poľom, ako partia fyzikov, ktorí spolu pokojne komunikujú pri koktailoch...
V jednom momente vstúpi Peter Higgs a vytvára vzrušenie, keď sa pohybuje po miestnosti, pričom každým krokom priťahuje skupinu fanúšikov...

Pred vstupom do miestnosti sa profesor Higgs mohol voľne pohybovať. No po vstupe do miestnosti plnej fyzikov sa jeho rýchlosť znížila. Skupina fanúšikov spomalila jeho pohyb po miestnosti; inými slovami, pribral na hmotnosti. Je to analogické s bezhmotnými časticami, ktoré získavajú hmotnosť pri interakcii s Higgsovým poľom.

Ale jediné, čo chcel, bolo dostať sa do baru!

(Nápad na analógiu patrí prof. Davidovi J. Millerovi z University College London, ktorý získal cenu za dostupné vysvetlenie Higgsovho bozónu - © CERN)

Ako získa Higgsov bozón svoju vlastnú hmotnosť?

Na druhej strane, ako sa správa šíri po miestnosti, tvoria aj skupiny ľudí, tentoraz však výlučne fyzikov. Takáto skupina sa môže pomaly pohybovať po miestnosti. Podobne ako iné častice, aj Higgsov bozón získava hmotnosť jednoduchou interakciou s Higgsovým poľom.

Nájdenie hmotnosti Higgsovho bozónu

Ako zistíte hmotnosť Higgsovho bozónu, ak sa rozpadne na iné častice skôr, ako ho zistíme?

Ak sa rozhodnete zostaviť bicykel a chcete poznať jeho hmotnosť, mali by ste spočítať hmotnosti častí bicykla: dve kolesá, rám, riadidlá, sedlo atď.

Ale ak chcete vypočítať hmotnosť Higgsovho bozónu z častíc, na ktoré sa rozpadol, nemôžete jednoducho sčítať hmotnosti. Prečo nie?

Sčítanie hmotností častíc rozpadu Higgsovho bozónu nefunguje, pretože tieto častice majú obrovskú kinetickú energiu v porovnaní s pokojovou energiou (pamätajte, že pre časticu v pokoji E = mc 2). K tomu dochádza v dôsledku skutočnosti, že hmotnosť Higgsovho bozónu je oveľa väčšia ako hmotnosti konečných produktov jeho rozpadu, takže zostávajúca energia niekam ide, konkrétne do kinetickej energie častíc, ktoré vznikajú po rozpade. Relativita nám hovorí, aby sme použili nižšie uvedenú rovnicu na výpočet „invariantnej hmotnosti“ množiny častíc po rozpade, čo nám dá hmotnosť „rodiča“, Higgsovho bozónu:

E2=p2c2+m2c4

Nájdenie hmotnosti Higgsovho bozónu z produktov jeho rozpadu

Poznámka Quantuz: tu sme si trochu neistí prekladom, keďže sú tam zahrnuté špeciálne výrazy. Pre každý prípad odporúčame porovnať preklad so zdrojom.

Keď hovoríme o rozpade ako H → Z + Z* → e+ + e- + µ+ + µ-, potom by štyri možné kombinácie uvedené vyššie mohli pochádzať z rozpadu Higgsovho bozónu a procesov na pozadí, takže sa musíme pozrieť na histogram celkovej hmotnosti štyroch častíc v týchto kombináciách.

Hmotnostný histogram naznačuje, že pozorujeme veľké množstvo udalostí a zaznamenávame počet týchto udalostí, keď sa získa výsledná invariantná hmotnosť. Vyzerá to ako histogram, pretože hodnoty invariantnej hmotnosti sú rozdelené do stĺpcov. Výška každého stĺpca ukazuje počet udalostí, v ktorých je invariantná hmotnosť v zodpovedajúcom rozsahu.

Mohli by sme si predstaviť, že ide o výsledky rozpadu Higgsovho bozónu, ale nie je to tak.

Údaje o Higgsovom bozóne z pozadia

Červené a fialové oblasti histogramu znázorňujú „pozadie“, v ktorom sa očakáva počet štyroch leptónových udalostí bez účasti Higgsovho bozónu.

Modrá oblasť (pozri animáciu) predstavuje „signálovú“ predpoveď, v ktorej počet štyroch leptónových udalostí naznačuje výsledok rozpadu Higgsovho bozónu. Signál je umiestnený v hornej časti pozadia, pretože ak chcete získať celkový predpokladaný počet udalostí, jednoducho spočítate všetky možné výsledky udalostí, ktoré by mohli nastať.

Čierne bodky zobrazujú počet pozorovaných udalostí, zatiaľ čo čierne čiary prechádzajúce bodkami predstavujú štatistickú neistotu v týchto číslach. Nárast údajov (pozri ďalšiu snímku) pri 125 GeV je znakom novej častice 125 GeV (Higgsov bozón).

Animácia vývoja údajov pre Higgsov bozón pri ich hromadení je na pôvodnej webovej stránke.

Signál Higgsovho bozónu pomaly stúpa nad pozadie.

Údaje z Higgsovho bozónu sa rozpadajú na dva fotóny

Rozpad na dva fotóny (H → γ + γ) má ešte širšie pozadie, no napriek tomu je signál jasne rozlíšený.

Toto je histogram invariantnej hmotnosti pre rozpad Higgsovho bozónu na dva fotóny. Ako vidíte, pozadie je v porovnaní s predchádzajúcim grafom veľmi široké. Je to preto, že existuje oveľa viac procesov, ktoré produkujú dva fotóny, ako procesov, ktoré produkujú štyri leptóny.

Prerušovaná červená čiara zobrazuje pozadie a hrubá červená čiara zobrazuje súčet pozadia a signálu. Vidíme, že údaje sú v dobrej zhode s novou časticou okolo 125 GeV.

Nevýhody skorých údajov

Údaje boli presvedčivé, ale nie dokonalé a mali značné obmedzenia. Do 4. júla 2012 nebolo k dispozícii dostatok štatistických údajov na určenie rýchlosti, ktorou sa častica (Higgsov bozón) rozpadá na rôzne súbory menej hmotných častíc (takzvané "rozvetvovacie proporcie") predpovedané štandardným modelom.

"Pomer vetvenia" je jednoducho pravdepodobnosť, že sa častica rozpadne cez daný rozpadový kanál. Tieto proporcie sú predpovedané štandardným modelom a merané opakovaným pozorovaním rozpadov tých istých častíc.

Nasledujúci graf ukazuje najlepšie merania proporcií vetvenia, ktoré môžeme urobiť od roku 2013. Keďže ide o proporcie predpovedané štandardným modelom, očakávaná hodnota je 1,0. Body sú aktuálne merania. Je zrejmé, že chybové úsečky (červené čiary) sú väčšinou stále príliš veľké na to, aby sa dali vyvodiť vážne závery. Tieto segmenty sa skracujú po prijatí nových údajov a body sa môžu pohnúť.

Ako viete, že človek pozoruje kandidátsku udalosť na Higgsov bozón? Existujú jedinečné parametre, ktoré rozlišujú takéto udalosti.

Je častica Higgsovým bozónom?

Zatiaľ čo nová častica bola detekovaná, rýchlosť, akou sa to dialo, bola 4. júla stále nejasná. Nebolo ani známe, či objavená častica mala správne kvantové čísla – teda či mala rotáciu a paritu potrebnú pre Higgsov bozón.

Inými slovami, 4. júla častica vyzerala ako kačica, ale potrebovali sme sa uistiť, že pláva ako kačka a kváka ako kačica.

Všetky výsledky z experimentov ATLAS a CMS veľkého hadrónového urýchľovača (ako aj zrážača Tevatron vo Fermilabe) po 4. júli 2012 ukázali pozoruhodnú zhodu s očakávanými proporciami vetvenia pre päť režimov rozpadu diskutovaných vyššie a súhlas s očakávaným spinom (rovná sa nule) a parita (rovná sa +1), čo sú základné kvantové čísla.

Tieto parametre sú dôležité pri určovaní, či je nová častica skutočne Higgsovým bozónom alebo inou neočakávanou časticou. Takže všetky dostupné dôkazy poukazujú na Higgsov bozón zo štandardného modelu.

Niektorí fyzici to považovali za sklamanie! Ak je novou časticou Higgsov bozón zo štandardného modelu, potom je štandardný model v podstate kompletný. Všetko, čo sa teraz dá urobiť, je vykonávať merania s narastajúcou presnosťou toho, čo už bolo objavené.

Ak sa však ukáže, že nová častica je niečím, čo štandardný model nepredpovedal, otvorí to dvere mnohým novým teóriám a nápadom, ktoré treba otestovať. Neočakávané výsledky si vždy vyžadujú nové vysvetlenia a pomáhajú posúvať teoretickú fyziku dopredu.

Odkiaľ sa vo vesmíre vzala hmota?

V bežnej hmote je väčšina hmoty obsiahnutá v atómoch a presnejšie povedané, je obsiahnutá v jadre pozostávajúcom z protónov a neutrónov.

Protóny a neutróny sa skladajú z troch kvarkov, ktoré získavajú svoju hmotnosť interakciou s Higgsovým poľom.

ALE... hmotnosti kvarkov prispievajú asi 10 MeV, čo je asi 1% hmotnosti protónu a neutrónu. Odkiaľ teda pochádza zvyšná hmota?

Ukazuje sa, že hmotnosť protónu vzniká z kinetickej energie kvarkov, ktoré ho tvoria. Ako, samozrejme, viete, hmotnosť a energia sú spojené rovnosťou E=mc 2.

Takže len malý zlomok hmotnosti bežnej hmoty vo vesmíre patrí do Higgsovho mechanizmu. Ako však uvidíme v ďalšej časti, vesmír by bol bez Higgsovej hmoty úplne neobývateľný a Higgsov mechanizmus by nemal kto objaviť!

Keby nebolo Higgsovho poľa?

Ak by neexistovalo Higgsovo pole, aký by bol vesmír?

Nie je to také zrejmé.

Určite by nič neviazalo elektróny v atómoch. Rozleteli by sa rýchlosťou svetla.

Ale kvarky sú viazané silnou interakciou a nemôžu existovať vo voľnej forme. Niektoré viazané stavy kvarkov môžu byť zachované, ale nie je jasné, čo sa týka protónov a neutrónov.

Toto všetko by bola pravdepodobne nukleárna záležitosť. A možno sa toto všetko zrútilo následkom gravitácie.

Fakt, ktorým sme si istí: Vesmír by bol studený, tmavý a bez života.
Higgsov bozón nás teda zachraňuje pred studeným, temným vesmírom bez života, kde nie sú ľudia, ktorí by Higgsov bozón objavili.

Je Higgsov bozón bozónom zo štandardného modelu?

S istotou vieme, že častica, ktorú sme objavili, je Higgsov bozón. Vieme tiež, že je veľmi podobný Higgsovmu bozónu zo štandardného modelu. Existujú však dva body, ktoré stále nie sú dokázané:

1. Napriek tomu, že Higgsov bozón pochádza zo štandardného modelu, existujú malé nezrovnalosti naznačujúce existenciu novej fyziky (v súčasnosti neznámej).
2. Existuje viac ako jeden Higgsov bozón s rôznou hmotnosťou. To tiež naznačuje, že budú existovať nové teórie na preskúmanie.

Len čas a nové údaje odhalia buď čistotu Štandardného modelu a jeho bozónu, alebo nové vzrušujúce fyzikálne teórie.