‹ Назад

Майже кожен із нас чув словосполучення "бозон Хіггса", але в чому справжня цінність відкриття цієї частинки, зрозуміло небагатьом. Спробуємо розібратися, чому цей бозон такий важливий для науки.

У липні 2012 року вчені, які працюють на Великому адронному колайдері, оголосили про свій тріумф. Фізики нарешті вирішили проблему, над якою билися понад 40 років. Поки всі інші потискали руки, один чоловік поважного віку розплакався: ним був Пітер Хіггс. Його пророцтво нової фундаментальної частинки — необхідної частини сім'ї фундаментальних частинок у Стандартній моделі фізики частинок — підтвердилося.

Відкриття бозона Хіггса чекали з особливим нетерпінням. Його навіть прозвали «часткою Бога». Чому ж це відкриття було таким важливим?

Почнемо з «простого»

Завдяки квантовій фізиці науці відомо, що простір не порожній. Крім звичайних речовин — на зразок протонів, електронів і нейтронів, з яких складаються будівельні блоки всієї матерії, — Всесвіт наповнений квантовими полями і кишить елементарними частинками, що з'являються і зникають.

Субатомні частинки дуже складно спостерігати через їх розмір. Вони менші не тільки за атом, а і за довжину хвилі видимого світла. Єдиний доступний нам спосіб зареєструвати їх і спостерігати їхню поведінку - це зіткнути атомні ядра, що складаються з цих частинок, один з одним на неймовірних швидкостях (близьких до світлових). Це створить велику кількість екзотичних частинок, які створюються тільки на високих енергіях. Фізики вважають, що ці зіткнення нагадують умови, за яких розвивався Всесвіт відразу після Великого вибуху.

Завдяки таким прискорювачам частинок, як Великий адронний колайдер (ВАК), Релятивістський колайдер важких іонів (RHIC) і Теватрон, що вже не функціонує, фізики досягли чималого прогресу в розробці «теорії всього». Ця теорія постулює, як працюють усі субатомні частинки у Всесвіті і як саме вони взаємодіють, утворюючи Всесвіт, яким ми його знаємо. Одна з найповніших моделей, яка максимально наблизилися до того, щоб розробити «теорію всього», — Стандартна модель фізики елементарних частинок, що описує взаємодію частинок і сил. До стандартної моделі також входять три з чотирьох фундаментальних сил природи на субатомному масштабі.

Фундаментальні сили природи це:

1. Сильна взаємодія, що відповідає за зв'язок між кварками в адронах та тяжіння між протонами та нейтронами в атомних ядрах;

2. Слабка взаємодія, що відповідає за радіоактивний розпад та взаємодії нейтрино;

3. Електромагнітна взаємодія, що відповідає за формування атомів та їх властивості;

4. Гравітаційна взаємодія, яка відповідає за взаємне тяжіння речовини.

І тут у гру вступає бозон Хіггса. Не відомо, чому в певних частинок є маса, тому що прийнято вважати, що всі частинки, що переносять взаємодії, масою володіти не повинні. Проте, як з'ясувалося, частинки, які переносять слабку взаємодію, мають масу. Але все ж таки ЧОМУ У ЧАСТИНКИ, ЯКА МАЄ БУТИ БЕЗМАСОВОЮ, МАСА Є?

Частинка, яка пояснить майже все

Бозон Хіггса міг би допомогти пояснити, як ці частки отримують свою масу. У 1960-х Пітер Хіггс - той самий фізик, на честь якого назвали невловиму частинку, і який у 2013 році був удостоєний Нобелівської премії з фізики - розробив теорію, яка пояснювала, як частинки, що переносять електромагнітну або слабку взаємодію, могли отримати різні маси в процесі поступового остигання Всесвіту.

Його припущення полягало в тому, що частки на кшталт протонів, нейтронів і кварків отримують масу через взаємодію з невидимим електромагнітним полем, відомим як поле Хіггса (ще його називають хіггсовське поле). Деякі частинки здатні проходити через це поле, не отримуючи маси, тоді як інші «в'язнуть» у ньому і накопичують її. Якщо це так, то «невидиме» поле повинно мати пов'язану з ним частинку — бозон Хіггса, яка контролює взаємодії з іншими частинками та хіггсівським полем, змінюючи за допомогою нього віртуальні частинки Хіггса.

Оскільки бозон Хіггса швидко розпадається на більш стабільні частинки, його складніше спостерігати, ніж інші субатомні частинки, створені у процесі зіткнень у прискорювачах. Вважається, що до розпаду він існує всього одну септиліонну секунди, що серйозно ускладнює роботу з його виявлення серед трильйонів зіткнень.

Коли в 2012 році вчені оголосили про виявлення бозона Хіггса, вони повідомили, що спостерігали новий бозон масою 125,3 ГеВ +/- 0,6 на 4,9 сигми (золотий стандарт наукових відкриттів). Це означало, що бозон Хіггса був підтверджений з точністю до 99,99997% в діапазоні 125 мас ГеВ. До речі дуже рідко що-небудь пов'язане з фізикою буває настільки ясним і точним.

А ось так приблизно виглядав цей експеримент. На картинці ви бачите подію, що відбулася в 2012 році та була зафіксована Компактним мюонним соленоїдом на Великому адронному коллайдері при протон-протонних зіткненнях на 8 тераелктронвольтах енергії центру мас. У цій події утворилася пара Z-бозонів, один з яких розпався на пару електронів (зелені лінії), тоді як другий Z-бозон розпався на пару мюонів (червоні лінії). Спільна маса двох електронів та двох мюонів була близька до 126 ГеВ. Це означає, що була отримана частинка масою 126 ГеВ, що розпалася на два Z-бозони в точності з очікуваннями у випадку, якщо частинка, що спостерігається, є бозоном Хіггса.

Для більш простого розуміння того, що сталося подивимся на феймановську діаграму. Вона описує один із найважливіших способів отримання бозона Хіггса та його подальшого розпаду у Великому адронному колайдері. Два протони, що стикаються, випускають по W-бозону. Потім W-бозони стикаються і створюють бозон Хіггса, який далі розпадається на два Z-бозони, які в свою чергу розпадаються на електрон і позитрон або на мюон і антимюон.

Божественна затримка

Через кілька місяців після оголошення про відкриття фізики повідомили про несподівану знахідку. Бозон, який вони спостерігали в ЦЕРН, схоже, розпадався двома різними способами. В одному зі сценаріїв частка масою 126,6 ГеВ розпадалася на два фотони. В іншому випадку частка масою 123,5 ГеВ розпадалася на чотири лептони. Дехто вважає, що це дві різні частинки Хіггса. Інші вирішили, що це статистичний збіг, оскільки різниця між частинками занадто незначна.

Отже, чому маса частинки має значення? Виявляється, передача такої великої маси бозоном Хіггса вказує на те, що вакуум Всесвіту може бути нестабільний за своєю природою, існуючи у постійному «метастабільному» стані. Багато фізиків обговорювали ймовірність того, що Всесвіт довгий час коливається на межі стабільності. Зокрема, фізики Френк Вільчек і Майкл Тернер, які опублікували в 1982 році статтю в журналі Nature, припустили невтішний сценарій: десь у Всесвіті без будь-якого попередження може зародитися бульбашка справжнього вакууму, який пересуватиметься в просторі на швидкості світла, але раніше чим ми зрозуміємо, що відбувається, наші фотони розпадуться. Більш детально я розповідав про це в одному з відео, яке ви знайдете за посиланням в правому верхньому кутку.

Як би там не було, відкриття бозона Хіггса започаткувало нові дослідження та інше розуміння реальності. Вчені сподіваються, що це відкриття призведе до розробки симетричної або навіть суперсиметричної теорії, яка розширить Стандартну модель і закриє діри, що присутні в ній. Це, у свою чергу, допоможе з'ясувати, що таке темна матерія — поле, яке, схоже, ще більш невловиме, ніж поле Хіггса.

Що далі?

Відкриття бозона Хіггса можна сміливо назвати одним із найважливіших відкриттів у нашій відносно недовгій історії. Колись давно допитливість наших предків вивела їх з Африки та спонукала досліджувати світ. Сьогодні ми знаємо про чотири фундаментальні взаємодії природи, які допомагають нам зрозуміти, як влаштований світ у найтонших деталях.

Дослідження тривають, і вчені, які працюють на Великому адронному колайдері та інших прискорювачах частинок, досягають все більших енергій — і навіть досягли створення крапель кварк-глюонної плазми (сьогодні вона вважається первинною речовиною, якою було заповнено весь простір відразу після Великого вибуху).

До 2030 року в Китаї планують побудувати найбільший і найпотужніший прискорювач частинок, який допоможе проводити нові експерименти на більш високих енергіях. Сподіватимемося, що він допоможе заглянути глибше в саму структуру реальності. А поки що нам залишається тільки чекати і стежити за результатами експериментів.

 

Відео на тему: https://www.youtube.com/watch?v=DFDCco9BkAQ