Бозон хиггса простым языком из чего состоит. Бозон Хиггса – частица Бога или научная мистификация? Откуда во Вселенной появилась масса

Элементарная частица бозон Хиггса, названая так на честь британского физика Питера Хиггса, который теоретически предсказал ее существование еще в далеком 1964 году, пожалуй, одна из самых загадочных и удивительных в современной физике. Именно она вызвала множество споров и дискуссий в научном сообществе, а кто-то даже присвоил ей такой необычный эпитет как «частичка Бога». Есть и скептики, утверждающие, что бозон Хиггса не существует и все это не более чем научная мистификация. Что такое бозон Хиггса на самом деле, как он был открыт, какие у него свойства, об этом читайте далее.

Что такое бозон Хиггса: пояснение простым языком

Чтобы объяснить сущность бозона Хиггса максимально просто и понятно не только ученому физику, но и обычному человеку, интересующемуся наукой, необходимо прибегнуть к языку аллегорий и сравнений. Хотя, разумеется, все аллегории и сравнения, которые касаются физики элементарных частиц, не могут быть верными и точными. То же электромагнитное поле или квантовая волна не являются ни полем, ни волной в том смысле, в котором их представляют обычно люди, как и сами атомы отнюдь не являются уменьшенными копиями Солнечной системы, в которой словно планеты вокруг вращаются электроны вокруг атомного ядра. И хотя аллегории и сравнения все же не передают самой сути тех вещей, которые происходят в квантовой физике, они, тем не менее, позволяют приблизиться к пониманию этих вещей.

Интересный факт: в 1993 году министром образования Великобритании даже был объявлен конкурс на самое простое объяснение того, что такое бозон Хиггса. Победителем вышло пояснение, связанное с вечеринкой.

Итак, представьте себе многолюдную вечеринку, тут в помещение входит какая-то знаменитость (например, «рок-звезда») и за ней тут же начинают двигаться гости, все хотят пообщаться со «звездой», при этом сама «рок-звезда» передвигается медленнее, нежели все другие гости. Затем люди собирают в отдельные группы, в которых обсуждают какую-то новость или сплетню, связанную с этой рок-звездой, при этом люди хаотично передвигаются из группы в группу. Как результат, создается впечатление, что люди обсуждают сплетню, тесно окружив знаменитость, но без ее непосредственного участия. Так вот, все люди, участвующие в вечеринке – это поле Хиггса, группы людей являются возмущением поля, а сама знаменитость, из-за которой они образовались и есть бозон Хиггса.

Если эта аллегория Вам не совсем понятна, то вот еще одна: представьте себе гладкий бильярдный стол, на котором находятся шары — элементарные частицы. Шары эти запросто разлетаются в разные стороны и движутся везде без препятствий. А теперь представьте, что бильярдный стол покрыт некой клейкой массой, которая затрудняет движение шаров по нему. Эта клейкая масса – поле Хиггса, масса этого поля равна массе частиц, которые к нему прилипают. Бозон Хиггса же это частица, которая соответствует этому липкому полю. То есть если сильно ударить по бильярдному столу с этой клейкой массой, то небольшое количество этой самой клейкой массы на время образует пузырек, который вскоре опять растечется по столу, так вот, этот пузырек и есть бозон Хиггса.

Открытие бозона Хиггса

Как мы написали вначале, бозон Хиггса сперва был открыт теоретически британским физиком Питером Хиггсом, который предположил, что в процессе механизма спонтанного нарушения электрослабой симметрии в стандартной модели физики элементарных частиц замешана некая еще не известная до того элементарная частичка. Случилось это в 1964 году, сразу после этого начались поиски реального существования этой элементарной частицы, правда, долгие годы они терпели фиаско. Из-за этого некоторые ученные в шутку стали называть бозон Хиггса – «проклятой частичкой» или «частичкой Бога».

И вот, чтобы подтвердить или опровергнуть существования этой загадочной «частички Бога» в 2012 году был построен , представляющий собой гигантский ускоритель элементарных частиц. Опыты на нем экспериментально подтвердили существование бозона Хиггса, а сам первооткрыватель частицы, Питер Хиггс в 2013 году стал лауреатом нобелевской премии по физики за это открытие.

Возвращаясь к нашей аналогии про бильярдный стол, чтобы увидеть бозон Хиггса, физикам необходимо было с должной силой ударить по этой клейкой массе, которая лежит на столе, чтобы получить из нее пузырек, собственно бозон Хиггса. Так вот, ускорители элементарных частиц прошлого ХХ века были не настолько мощными, чтобы обеспечить «удар по столу» должной силы, и только Большой адронный коллайдер, созданный в начале уже нашего ХХІ века, что называется помог физикам «стукнуть по столу» с надлежащей силой и воочию лицезреть «частичку Бога».

Польза бозона Хиггса

Человеку, далекому от науки вообще и от физики в частности поиски некой элементарной частицы могут показаться бессмысленными, но открытие бозона Хиггса имеет немалое значение для науки. Прежде всего, наши знания о бозоне помогут при расчетах, которые осуществляются в теоретической физике при изучении строения Вселенной.

В частности, физиками было предположено, что бозонами Хиггса заполнено все окружающее нас пространство. При взаимодействии с другими элементарными частицами бозоны сообщают им свою массу и если есть возможность вычислить массу определенных элементарных частиц, то можно рассчитать и массу бозона Хиггса. А если у нас есть масса бозона Хиггса, то с ее помощью идя в обратную сторону, мы также можем рассчитывать массы других элементарных частиц.

Разумеется, все это очень дилетантские рассуждения с точки зрения академической физики, но ведь и журнал наш на то и научно-популярный, чтобы говорить о серьезных научным материях простым и понятным языком.

Опасность бозона Хиггса

Определения опасения по поводу бозона Хиггса и экспериментов с ним были высказаны британским ученым Стивеном Хокингом. Согласно Хокингу, бозон Хиггса является крайне не стабильной элементарной частичкой и в результате определенного стечения обстоятельств может привести к распаду вакуума и полному исчезновению таких понятий как пространство и время. Но не стоит волноваться, для того, чтобы произошло нечто подобно необходимо построить коллайдер размером со всю нашу планету.

Свойства бозона Хиггса

• Бозон Хиггса, как впрочем и другие элементарные частицы подвержен воздействию .
• Бозон Хиггса обладает нулевым спином (моментом импульса элементарных частиц).
• Бозон Хиггса обладает электрическим и цветным зарядом.
• Есть 4 основных канала рождения бозона Хиггса: после слияния 2 глюонов (основной), слияние WW- или ZZ-пар, в сопровождении W- или Z-бозона, вместе с топ-кварками.
• Бозон Хиггса распадается на пару b-кварк-b-антикварк, на 2 фотона, на две пары электрон-позитрон и/или мюон-антимюон или на пару электрон-позитрон и/или мюон-антимюон с парой нейтрино.

Слово скептикам

Разумеется, есть и скептики, утверждающие, что никакой бозон Хиггса в реальности не существует, и что все это было выдумано учеными с корыстной целью – освоить деньги налогоплательщиков, идущие будто бы для научных исследований элементарных частиц, а на самом деле в карманы определенных людей.

Бозон Хиггса, видео

И в завершение интересное документальное видео про бозон Хиггса.

Но представители религий активно призывают журналистов и ученых не называть бозон Хиггса частицей Бога. Такое прозвище открытой элементарной частицы подразумевает, что тайна творения рано или поздно будет раскрыта научным миром и станет доступна для человеческого разума. А это, по мнению многих религий, является абсолютным заблуждением. Элементарным частицам нельзя присваивать божественные качества, иначе создается впечатление, что наука пытается искусственно создать процесс творения в лаборатории или изучить Бога современными средствами.

Противниками использования термина «частица Бога» стали и философы. Мистическое возвышение естественных наук напоминает древние объяснения загадке творения, которую пытались разгадать древние теологи и философы. Кроме того, назвав элементарную частицу частицей Бога, осуществляется обещание раскрыть все космоса, обнаружить последнюю частицу , после которой открывать больше . Таким образом, результаты философских и теологических изысканий нельзя подменять исследованиями современной физики.

Название «частица Бога» - это не более чем маркетинговая тактика, появившаяся после публикации Леоном Реедерманом своей , посвященной проблеме бозона Хиггса. Книга «Частица Бога» и была опубликована в 1993 году. С тех пор этот « » бозона Хиггса и получил свою популярность. Однако сами физики относятся к этому претенциозному термину иронически и стараются не употреблять его.

Однако, открытие бозона Хиггса чрезвычайно важно для современной науки. Именно , согласно Стандартной модели строения Вселенной, дает науке ключ к разгадке механизма образования массы. Также физики считают, что Большой взрыв, произошедший 13,7 миллиардов лет назад и положивший начало Вселенной, не обошелся без участия этого бозона. Именно сила, порождающая возникновение этой элементарной частицы, дала начало образованию галактик, звезд и планет из изначального . Из всего этого следует, что открыв бозон Хиггса, ученые приблизились к разгадке возникновения Вселенной и получили подтверждение модели ее строения.

Кроме того, в иронического названия «частица Бога» говорят и те трудности, с которыми столкнулись ученые, доказывая существование гипотетической частицы, впервые предсказанной Хиггсом в 1964 году. Для проведения научного эксперимента по получению частицы Бога был построен Большой Андронный коллайдер, стоимостью более 8 миллиардов долларов. Затем в течение нескольких лет не могли наладить его работу. А теперь предстоит доказать, что обнаруженная частица и есть та самая недостающая в Стандартной модели Вселенной.

"Божественная частица", или бозон Хиггса в научной терминологии

Человек постоянно находится в поиске. Он никогда не довольствуется поверхностными знаниями, но непрестанно отправляется в путь к новым мирам, к далекому и неизведанному. Согласно Аристотелю, «Все люди от природы стремятся к знанию».

Церковь считает человека образом Божиим, и подобно тому, как Бог безграничен и бесконечен, столь же неизмеримо стремление человека найти ответ на самые насущные вопросы: «Кто я есть? Откуда я появился? Куда я иду?». Именно поэтому наука считается великим даром человечеству от Бога, результатом развития способностей, заложенных Богом в человеке. Бог передал человеку Свой вдохновенный творческий дар, наделил его способностью мыслить, желанием творить, способностью открывать неизведанное и применять новые знания для благоустройства своей жизни.

В 1954 году была основана Европейская организация по ядерным исследованиям, сокращенно ЦЕРН (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire). В 1981 после многолетних подготовительных работ были проведены первые эксперименты по столкновению адронов на ускорителе SPS – протонном суперсинхротроне – в центре ЦЕРН, находящемся на франко-швейцарской границе. Целью этих экспериментов была попытка предложить научно обоснованную теорию о природе материального мира и том, что произошло в первые мгновения жизни Вселенной непосредственно после ее возникновения.

Во время проведения эксперимента ученые сталкивают между собой мельчайшие материальные частицы (так называемые элементарные частицы) со скоростью, близкой скорости света. Правильно подобрав частицы и скорость их движения, можно создать условия, примерно воспроизводящие те, которые существовали на самых начальных этапах Вселенной. Таким образом, исследуя последствия столкновения частиц и подтверждая или опровергая на основе результатов эксперимента существующие на сегодняшний день теории, ученые пытаются воссоздать первые страницы истории нашей Вселенной.

Кроме того, ученые создают в лабораториях условия, при которых могут функционировать редчайшие элементарные частицы. Такие частицы, возможно, существовали на определенных этапах развития Вселенной и сыграли свою роль в формировании современного материального мира. Примером таких частиц может быть частица Хиггса (называемая также «бозоном Хиггса»).

Согласно теории профессора Питера Хиггса, впервые опубликованной в 1964 году, элементарные частицы приобретают массу, взаимодействуя с особой элементарной частицей, получившей название «бозона Хиггса». Обладая массой, частицы могут собираться в группы, образуя материю в известной нам сегодня форме. Экспериментальное обнаружение этой новой элементарной частицы должно было подтвердить правильность теории Питера Хиггса. Таким образом, впервые появляется возможность понять, как элементарные частицы приобрели массу и соединились разнообразными способами между собой, образовав современный мир. Ученые назвали искомую частицу Хиггса «проклятой частицей» («Goddamn particle»), поскольку «она никак не могла быть обнаружена».

В 1993 г. физик, нобелевский лауреат Леон Макс Ледерман в книге, написанной в соавторстве с профессором Диком Терези с подзаголовком «Если Вселенная – это ответ, то каков же вопрос?», дал бозону Хиггса прозвище «частица Бога», поскольку редактор книги отказался выпускать ее в свет под заголовком «проклятая частица». Позднее Ледерман, объясняя выбор этого «термина», сказал, что, во-первых, название «проклятая частица», действительно, звучало слишком вульгарно и не могло быть употреблено, а во-вторых, эту частицу, на самом деле, можно назвать «частицей Бога», принимая во внимание ее центральную и ведущую роль в теориях создания материи, а также в уяснении вопросов, казавшихся еще совсем недавно непостижимыми.

Утром в среду 4 июля 2012 г. исследовательский центр ЦЕРН сделал сообщение из Женевы о том, что эксперименты по обнаружению «частицы Хиггса» приближаются к завершению, поскольку была обнаружена частица, напоминающая бозон Хиггса. Данная частица живет только одну тысячную миллиардной части миллиардной доли секунды! И хотя еще не было представлено неопровержимых доказательств того, что открытая частица и есть искомый бозон Хиггса, большая часть научного сообщества приняло эту гипотезу. Чуть позднее сам Питер Хиггс, которому уже было 83 года, взволнованно заявил из ЦЕРН, что он не смел и надеяться, что это открытие произойдет при его жизни, и одновременно передал своей семье придержать пока шампанское в холодильнике, поскольку ученым предстоит еще значительная и долгая работа. Недаром многие ученые утверждают, что «бозон Хиггса открывает путь к познанию примерно четырех процентов Вселенной».

Однако, термин «частица Бога» и тем более уж термин «частица бог» не может быть признан удачным. Даже сам Питер Хиггс публично признал этот термин «претенциозным», подчеркнув, что неуместное его использование вызывает обоснованное недовольство и смущает людей. Физики предпочитают вообще не употреблять этот термин, полагая, что он ошибочен по своей сути и ведет к неправильной интерпретации подлинного смысла их исследований.

Многие физики считают, что и эта элементарная частица является не более чем частью творения Божьего, подобно всем остальным предметам вокруг нас. И все физики в один голос – и верующие, и неверующие – признают, что бозон Хиггса есть часть природы, а не бог, и не имеет большего права признаваться богом, чем, например, солнце или какой-нибудь камень. Воистину, сколь наивно полагать, что Церковь «боится» открытия «частицы Хиггса»! Столь же наивно, сколь и бояться «столкновений» между наукой и религией. Луи Пастер говорил: «Недостаток знания отдаляет от Бога, но настоящая наука приводит к Нему». Церковь благословляет науку, при условии, что она уважает человека и не разрушает его личность. В Писании сказано, что «Господь создал врачевание и прочие науки». Великие отцы Церкви и многие православные святые преподавали в университетах. Труд Василия Великого «Беседы на Шестоднев», содержащий толкование и комментарии к первым главам Книги Бытия, стал источником вдохновения для многих поколений астрономов, геологов, врачей и других ученых. Учение святого Григория Нисского о сотворении мира, созданное в IV в. после Р. Х., считается предвестником теории большого взрыва («Big-Bang»), который понимается как всплеск энергии Божией. Этот ряд можно продолжать бесконечно. Наука пытается предложить свое объяснение процессов сотворения и строения мира, хотя многие ее представители считают эти формулировки крайне опасными! Православное же богословие, в полном соответствии со своим истинным призванием, в своем учении делает акцент на том, Кто сотворил мир и человека. Как было справедливо замечено, наука отвечает на вопрос «как», богословие отвечает на вопрос «Кто»!

Митрополит Навпактский Иерофей верно замечает: «Наука делает множество открытий, которые призваны приносить пользу, а не вред человеку, тогда как православное богословие дает ответы на духовные искания людей и помогает им обрести бескорыстную любовь к Богу и к своему ближнему в эпоху, когда была провозглашена не только «смерть Бога», но и «смерть ближнего». В конечном итоге, сколько бы открытий не делала наука, человек всегда испытывает потребность в личностном Боге, в бескорыстной любви, во внутреннем мире и свободе, в духовной полноте, всегда хочет знать, что находится за пределами творения, что происходит после смерти, что есть вечная жизнь и т. д.». Церковь учит, что Господь сотворил мир из любви, что Божественная любовь – радостная и творческая. Господь не есть отвлеченная идея и не есть материя, Бог есть Личность, Бог есть Любовь. При помощи Логоса – Божественного Слова, являющегося Его несотворенной энергией, Господь создает всю тварь. «Ничто не понуждало Господа к сотворению мира. Движущей силой творения Божия была Его любовь. Вместо того, чтобы говорить, что Вселенная была создана Им из ничего, нужно говорить, что она была создана Им из Себя Самого, то есть из любви. Сотворение мира было скорее не актом Его свободной воли, а актом Его свободной любви» (митрополит Каллист Уэр, «Православный путь»). К счастью для нас, Господь не является инженером, механиком или строителем. Господь, прежде всего, есть Отец. Поэтому-то мир есть избыток любви Божией, поэтому Господь и печется о мире. Человек же является венцом творения, и Бог призывает его в постоянном его радостном и благодарном стремлении к Своему Творцу привести за собой к бесконечному совершенству и всю тварь. Из всего вышесказанного напрашивается естественный вывод о том, что любовь и есть истинная «элементарная частица» Бога. Все – а главным образом, наша жизнь – приобретает значение и глубокий смысл, лишь когда они взаимодействуют с этой необыкновенной «частицей», единственным проявлением сущности Божией, дающей смысл человеческому знанию и одновременно выходящему за его пределы. Ибо, согласно столь простым словам евангелиста Иоанна, «Бог есть любовь!».

7 июня 2018 года в культурно-просветительском центре «Архэ» состоялась лекция академика РАН Валерия Рубакова о хиггсовском бозоне и проходящих сейчас на БАКе исследованиях. С любезного согласия «Архэ» публикуем авторизованное В. А. Рубаковым изложение этой лекции, подготовленное Борисом Штерном .

Об открытии бозона Хиггса было сообщено 4 июля 2012 года на семинаре в ЦЕРНе. Было сказано довольно осторожно: открыта новая частица и ее свойства согласуются с предсказанными свойствами бозона Хиггса. И на протяжении последующих лет мы постепенно всё больше убеждались, что свойства точно такие, как предсказывали теоретики, причем в самой наивной модели. Самое главное, что это, как говорят теоретики, не просто новая частица, а представитель нового сектора элементарных частиц - хиггсовского сектора.

Давайте я напомню вам основные положения Стандартной модели. Весь «зоопарк» ее частиц умещается на один слайд. Протоны, нейтроны, π-мезоны - всё это составные частицы. Элементарных частиц не так много. Это семейство лептонов, семейство кварков, составляющие сектор фермионов. Второй сектор - частицы, ответственные за их взаимодействия: фотоны, W- и Z-бозоны, глюоны и гравитоны. Бозоны взаимодействуют не только с фермионами, но и между собой. Самая известная из перечисленных частиц - фотон.

Самые интересные по своим проявлениям - глюоны, именно они связывают кварки в протоне так, что невозможно растащить. W- и Z-бозоны по своей роли похожи на фотон, но они массивны и отвечают за слабые взаимодействия, которые родственны электромагнитным, хотя и выглядят по-другому. Еще должна быть частица гравитон. Ведь гравитационные волны уже открыты, а там, где есть волны, должны быть и частицы. Другое дело, что мы никогда, видимо, не сможем получать и регистрировать гравитоны поодиночке.

И наконец, бозон Хиггса, который представляет собой отдельный сектор на нашем слайде. Это еще одна частица, которая стоит особняком во всем «зоопарке», состоящем из небольшого количества разных видов.

Что такое бозон Хиггса?

Для начала: что же такое бозон? Каждая частица, как волчок, имеет как бы внутренний момент вращения, или спин (это квантовомеханическое явление). Бывает целый и полуцелый спин в единицах постоянной Планка. Частицы со спином 1/2 или 3/2 (любой полуцелый спин) называются фермионами. У бозонов спин целый, что приводит к фундаментальным отличиям в свойствах этих частиц (бозоны любят накапливаться в одном квантово-механическом состоянии, как фотоны в радиоволнах; фермионы, наоборот, этого избегают, из-за чего электроны заселяют разные атомные оболочки. - Ред. ). Так вот, у бозона Хиггса спин равен 0 (а это тоже целое число).

Бозон Хиггса - тяжелая частица. Его масса - 125 ГэВ (для сравнения: масса протона - порядка 1 ГэВ, масса самой тяжелой частицы, t-кварка, - 172 ГэВ). Бозон Хиггса электрически нейтрален.

Новые частицы открывают на ускорителях, они рождаются в столкновениях частиц, в данном случае - в столкновениях протонов. После чего регистрируют продукты распада искомой частицы. Бозон Хиггса распадается в среднем за 10 -22 с. Для тяжелой частицы это не столь маленький срок - топ-кварк, например, живет в 500 раз меньше.

И у бозона Хиггса много разных способов распасться. Один из «золотых каналов» распада - распад на два фотона - довольно редкий: так хиггсовский бозон распадается в двух случаях из тысячи. Но этот путь замечателен тем, что оба фотона высокоэнергичны. В системе покоя хиггсовского бозона каждый фотон имеет энергию 62,5 ГэВ, это большая энергия. Эти фотоны хорошо видны, можно измерить направления их движения, энергию. Еще более чистый канал распада - распад на четыре лептона: на две пары e + и e - , на e + , e - и µ + , µ - или на четыре мюона. Получаются четыре высокоэнергичные заряженные частицы, которые тоже хорошо видны, у них можно измерить энергию и направление вылета.

Как узнать, что мы видим именно распад бозона Хиггса? Допустим, мы зарегистрировали два фотона. При этом есть много других процессов, приводящих к рождению двух фотонов. Но если фотоны произошли от распада некой частицы, то по ним можно определить ее массу. Для этого надо вычислить энергию двух фотонов в системе отсчета, где они летят в противоположных направлениях с одинаковой энергией - в системе центра масс. В нашей системе отсчета это вполне определенная комбинация энергий фотонов и угла разлета между ними. Она называется инвариантной массой системы частиц. Если фотоны - продукты распада бозона Хиггса, их инвариантная масса должна равняться массе бозона с точностью до ошибок измерения. То же самое, если бозон распался на четыре частицы.

На рис. 2 показано распределение событий по инвариантной массе двух фотонов. Последняя отложена по горизонтальной оси, а по вертикальной отложено число событий. Есть непрерывный фон, и есть «нашлепка» в районе инвариантной массы 125 ГэВ. Возможно, вы будете смеяться, но эта «нашлепка» и есть бозон Хиггса. Подобный пик вырисовывается и в инвариантной массе четырех лептонов (e + , e - , µ + , µ -), на которые он тоже распадается. Только это происходит в одном из десяти тысяч распадов. То есть надо породить миллион бозонов Хиггса, чтобы накопить сто распадов на две лептонные пары. И это было сделано.

Измерить энергию и направление вылета (стало быть, импульс) заряженного электрона или мюона можно с гораздо более высокой точностью, чем в случае фотона. Именно для этого детектор обладает сильным магнитным полем: искривление траектории заряженной частицы в магнитном поле позволяет определить ее импульс (а также знак заряда). Кроме того, изолированных лептонов высоких энергий рождается мало, а уж тем более невелико число четверок изолированных лептонов (изолированных, т. е. вне адронной струи). Поэтому фон для распада на четыре лептона мал.

Наконец, исследователями на БАКе отбирались события, в которых инвариантная масса одной пары лептонов противоположного знака равна массе Z-бозона (хиггс распадается на реальный Z и виртуальный Z), что еще сильнее давит фон. Но распад на четыре лептона на самом деле не лучше распада на два фотона, поскольку вероятность распада на два фотона гораздо выше, погрешности в его измерении компенсируются большей статистикой.

Почему бозон Хиггса открыли лишь недавно

Тут два обстоятельства. Во-первых, искомая частица тяжелая. Значит, нужен ускоритель на большую энергию. Во-вторых, надо иметь большую интенсивность пучков, чтобы число столкновений было достаточным. Физики используют слово «светимость», отражающее количество столкновений в единицу времени. У вас должно быть очень много столкновений.

С энергией вроде бы всё было нормально, ведь до Большого адронного коллайдера работал Тэватрон - коллайдер в США. Полная энергия у него была 2 ТэВ. Вроде неплохо, ведь бозон Хиггса - 125 ГэВ. В принципе, по энергии Тэватрон мог рождать бозоны Хиггса. Но у него была недостаточная светимость. Ему не хватило рожденных бозонов Хиггса.

Несколько слов про БАК

Большой адронный коллайдер - сооружение, примечательное во всех отношениях. Это сверхпроводящий ускоритель-накопитель, находящийся под землей. Длина его кольца - 27 км, и всё это кольцо состоит из магнитов, которые удерживают протоны в этом кольце, сверхпроводящих магнитов. На тот момент, когда БАК строился, это было последнее технологическое достижение. Сейчас есть довольно успешные попытки получать более мощное магнитное поле в магнитах. Но в то время это было самое-самое. Вообще, всё, что там делается, - это пик современных технологий, на самом краю человеческих возможностей.

Сначала БАК ускорял протоны до суммарной энергии 7 ТэВ, потом - 8 ТэВ. Каждый протон, сталкиваясь, имел энергию 4 ТэВ. Начав стабильно работать в 2010 году на энергии в 7 ТэВ, в 2011 году БАК перешел на энергию 8 ТэВ, а проектная энергия у него - 14 ТэВ. Сейчас по хитрым техническим причинам до 14 ТэВ до сих пор не добрались; с 2015 года ускоритель работает на суммарной энергии 13 ТэВ. Светимость у него очень высокая по всем меркам, специалисты в ЦЕРНе, конечно, большие мастера. А собственно столкновения частиц происходят в четырех местах, нас интересуют два из них, где стоят детекторы ATLAS и CMS. Примерно вот так выглядит CMS - компактный мюонный соленоид (рис. 4).

Самая крайняя - мюонная камера, позволяющая регистрировать и измерять параметры мюонов, которые летят через весь детектор, прошивая его насквозь. Всё это заключено в магнитное поле, с тем чтобы по искривлению движения частицы измерить ее импульс.

АTLAS - еще больше. Это такой многоэтажный дом, целиком забитый аппаратурой.

Эти детекторы измеряют энергии, импульсы, направления движения частиц, определяют, что это было - электрон, фотон, мюон или сильно взаимодействующая частица типа протона или нейтрона, - все они имеют свои сигнатуры.

Отдельная интересная история связана с тем, как устроены группы физиков - коллаборации, которые занимаются этим делом. Понятно, чтобы такую гигантскую машину разработать, создать и обслуживать, снимать и обрабатывать данные, следить за тем, чтобы ничего не портилось, искать разнообразные события и интересные явления, нужны большие команды. Они собираются по всему миру. Характерная цифра - 3,5 тыс. физиков в каждой коллаборации, в ATLAS и CMS. Эти группы международные: помимо европейских там специалисты из Америки, Японии, Китая, России и т. д. Общее количество институтов - порядка 200; 150–200 в каждой из коллабораций. Замечательно, что это самоорганизующаяся система. Это система, которая организовалась «снизу», там были свои «отцы-основатели», потихоньку обраставшие в 1990-е годы заинтересованными физиками. Собралось большое количество народу, но никаких начальников, кроме выборных, там нет, все разбиты на группы, подгруппы, отвечающие каждая за свое, так это всё устроено. Несмотря на то что это люди самых разных культур, всё это работает. Не переругались, не перегрызлись между собой.

Надо сказать, что Россия может гордиться и гордится тем, что мы участвуем в этой всей деятельности. В ЦЕРНе и вокруг него все прекрасно понимают и подчеркивают: вклад России вполне весомый и серьезный. Заметная часть ускорителя делалась в Новосибирске. Значительная часть элементов детекторов тоже делалась у нас. И наших участников много, из разных городов, разных институтов. Приблизительно по деньгам, ресурсам и людям на Россию приходится 5–7% от церновских детекторов (зависит от конкретного детектора). Что вполне нормально для нашей страны.

Зачем нужен бозон Хиггса

Перейдем к теоретической части, может быть, немного занудной и муторной, но мне кажется, что полезно понять и объяснить, хотя бы качественно, почему это Энглер, Браут и Хиггс вдруг решили, что должна быть новая частица. Точнее, Хиггс решил, что должна быть новая частица, а Энглер и Браут придумали поле бозона.

Прежде всего надо вспомнить, что всякая частица связана с полем. Частица - это всегда квант некоего поля. Существуют электромагнитное поле, электромагнитные волны, и с ними связан фотон - квант электромагнитного поля. Также и здесь: бозон Хиггса - это квант некоего поля. Можно спросить: зачем нужно новое поле? Энглер и Браут сообразили это первыми.

Тут надо уйти немного в сторону. Миром правят всевозможные симметрии. Например, пространственно-временные, связанные со сдвигами во времени и в пространстве: физика завтра такая же, как вчера, физика здесь такая же, как в Китае. С этими симметриями связаны законы сохранения энергии и импульса. Есть и менее очевидные, с точки зрения нашего повседневного опыта, симметрии - внутренние. Например, в электродинамике есть симметрия, которая приводит к закону сохранения электрического заряда. Ее не видно, кроме как на формулах, но она есть. Вместе с законом сохранения энергии эта симметрия запрещает электрону распадаться. Замечательно, что та же симметрия запрещает фотону иметь массу, и он ее действительно не имеет. Глюоны тоже безмассовые по той же причине - им запрещает иметь массу симметрия, связанная с «цветом». «Цветом» заряжены кварки, и глюоны привязаны к «цвету», как фотоны к заряду.

А вот частицы, которые отвечают за слабые взаимодействия, - W- и Z-бозоны - массивные. Неприятность заключается в том, что они очень похожи на фотоны: электрон может рассеяться на электроне, обменявшись фотоном, а может - Z-бозоном. Процессы очень похожи, хочется приписать слабым взаимодействиям симметрию того же типа, что имеют электромагнитные (она называется калибровочной симметрией), но масса W и Z - переносчиков слабого взаимодействия - не позволяет этого сделать, она нарушает калибровочную симметрию.

Почему же эта красивая симметрия оказалась нарушенной? Оказывается, это довольно универсальное явление в природе: многие симметрии существуют в первичных законах природы, но оказались нарушенными в реальной Вселенной. Это явление называется «спонтанным нарушением симметрии».

Представим себе, что мы с вами - маленькие человечки, которые живут в постоянном магните, в намагниченном куске железа. Проводим эксперимент с электронами: получаем электрон-позитронные пары (у нас там есть маленький ускоритель, излучаем электроны). Так вот, эти электроны летят в магните не по прямой. Из-за того что есть магнитное поле, они на него «навиваются» и летят по спирали. Мы с вами измеряем их и говорим: ребята, у нас есть выделенное направление, у нас мир не изотропен, у нас есть выделенная ось, на которую наматываются электроны.

Но если мы с вами умные теоретики, то догадаемся, что дело не в том, что пространство имеет выделенное направление, а в том, что в этом пространстве есть магнитное поле. Мы поймем: если бы нам удалось убрать это магнитное поле, то в пространстве все направления были бы равноправными. Мы решим, что симметрия по отношению к вращению есть, но она нарушена тем, что в пространстве есть магнитное поле. А если бы мы были еще более умными теоретиками, то, поняв, что есть такое новое поле, обеспечивающее нарушение симметрии, сказали, что должен быть и его квант. И предсказали бы фотон. И правильно бы предсказали! Симметрия может быть нарушена, если есть разлитое в пространстве поле, которое эту симметрию нарушает.

И вот в физике микромира ровно это и происходит. С некоторыми отличиями. Отличия в том, что симметрия не пространственная, не относительно пространственных вращений, как в магните, а внутренняя. И никакого железа тут у нас нет, эта симметрия нарушена прямо в вакууме. Наконец, в отличие от магнитного поля, здесь нужно новое поле. Это и есть поле Энглера, Браута и Хиггса, которое обеспечивает это нарушение. И тонкость еще в том, что магнитное поле - это вектор, у него есть направление, а вот это поле должно быть скаляром, чтобы не нарушить симметрию относительно пространственных вращений. Оно не должно быть никуда направлено. Частица этого поля должна иметь спин, равный нулю.

Такая картинка была предложена и облечена в формулы Энглером и Браутом, затем Хиггсом. Но Энглер и Браут как-то не обратили внимания на то, что их теория предсказывает новую частицу. А Хиггс, который опубликовал свою работу немного позже, на это внимание обратил, причем с подачи рецензента, который спросил, есть ли у Хиггса в статье какие-то новые вещи, про которые Энглер и Браут не сказали. Хиггс подумал-подумал и заявил, что должна быть новая частица. Поэтому ее и назвали «бозоном Хиггса».

Что дальше?

Пока что всё было «во здравие». Но остаются вопросы. С одной стороны, картина с бозоном Хиггса непротиворечива. Формально всё можно посчитать, всё можно вычислить, имея известные параметры этой теории - константы связи, массы. Но окончательного удовлетворения эта картина не приносит. И одно из самых главных мест, не дающих спокойно спать физикам, - это то, что в природе есть очень разные энергетические масштабы взаимодействий.

У сильных взаимодействий между кварками и глюонами свой характерный масштаб. Это, грубо говоря, масса протона - 1 ГэВ. Есть масштаб слабых взаимодействий, 100 ГэВ (массы W, Z, хиггсовского бозона). И этот масштаб как раз и есть масштаб хиггсовского поля - примерно 100 ГэВ. И это бы еще ничего, но есть еще масса Планка - гравитационный масштаб. Который аж 10 19 ГэВ. И, конечно, уже странно: что за история такая, почему эти масштабы такие все разные?

С масштабами сильных взаимодействий такой проблемы нет: есть механизм, позволяющий понять отличие этого масштаба от гравитационного (ну, по крайней мере, замести наше недоумение под ковер). А вот с масштабом бозона Хиггса дело плохо. Почему? Потому что, вообще-то, в природе есть вакуум - состояние без частиц. И это вовсе не абсолютная пустота - в том смысле, что в вакууме всё время протекают виртуальные процессы: рождение-уничтожение пар частиц и флуктуации полей. Всё время там идет жизнь. Однако поскольку это вакуум и в нем нет никаких частиц, нам этого напрямую не видно. А косвенно - очень даже видно. Например, процессы рождения виртуальных пар влияют на свойства атомов, меняют их энергетические уровни. Это давно известный лэмбовский сдвиг, вычисленный в 1930-х и измеренный в 1940-х. Влияют, как правило, не очень сильно. Вот этот лэмбовский сдвиг атомных уровней - всего лишь доли процента.

Но есть одно место, где вакуум «стреляет» на 100%. Это как раз масса бозона Хиггса. Выясняется, что если вы начнете учитывать рождение и уничтожение виртуальных частиц и наивно попытаетесь провести вычисление - сколько же эти процессы вкладывают в массу бозона Хиггса, - то убедитесь, что эти явления стремятся подтянуть массу бозона Хиггса к планковской массе. Они не дают бозону Хиггса быть легким.

И это, действительно, страшное дело. Очень хочется понять, почему реально в природе электрослабый масштаб такой маленький по сравнению с гравитационным масштабом 10 19 ГэВ. Это объясняется, может быть, тем, что мы плохо знаем физику при не очень высоких энергиях, при энергиях масштаба 1 ТэВ. Дело в том, что если физика меняется на масштабе тераэлектронвольт, то, может быть, там и происходят чудеса: влияние вакуума почему-то оказывается маленьким, несущественным. Такая идея. Возможно, БАК еще не всё открыл, и должны быть новые явления, которые ему доступны. Его энергия, напоминаю, - 14 ТэВ. Правда, это столкновения протона с протоном. Кварк с кварком имеют энергию столкновения примерно в шесть раз меньше. Поэтому реальный масштаб энергии, который изучается БАКом, - это 2–3 ТэВ. Но все-таки это тот самый масштаб, на котором (как нам хотелось бы) может появиться новая физика, совершенно новые физические явления.

И я вам должен сказать, что на самом деле сейчас ситуация очень стремная. Потому что БАК уже поработал почти на своей проектной энергии - 13 ТэВ, он отлично на ней отработал 2017 год, и сейчас эта работа продолжается. И нет пока никаких - никаких! - указаний на эту новую физику, на которую мы всё надеемся. Все эти соображения, про которые я вам говорю, не подтверждаются. То ли еще светимости не хватило, столкновений маловато, статистики маловато. То ли что-то тут совсем не то, и все эти достаточно убедительные, но не стопроцентно железные аргументы, может быть, неправильны.

Какая может быть новая физика? Очень большие надежды были на суперсимметрию. Она замечательна тем, что это теория, в которой есть дополнительная симметрия по сравнению со всеми известными. Которая связывает частицы с целым и полуцелым спином - бозоны и фермионы. Кстати сказать, эта симметрия была предложена теоретиками здесь в Москве, в ФИАНе, в 1970-х годах.

В контексте физики элементарных частиц это значит следующее: если у вас есть кварк со спином 1/2, то у него должен быть партнер, которого недолго думая назвали скалярный кварк, - «скварк» со спином 0. У электрона должен быть партнер - скалярный электрон, у фотона партнером должно быть фотино со спином 1/2, у глюона - глюино, у гравитона - гравитино.

Кроме гравитино, все эти частицы, если они легкие, должны рождаться на Большом адронном коллайдере. Вообще, горячие головы говорили так: включится БАК - и первым делом найдут отнюдь не бозон Хиггса, а суперсимметрию. И это мнение разделялось не только многими теоретиками, но и бедными экспериментаторами, которым теоретики запудрили мозги. Однако суперсимметрия до сих пор не открыта, только есть ограничения на массы вышеперечисленных частиц. Вообще, уже не похоже, что суперсимметрия есть в природе при не очень высоких энергиях.

Почему суперсимметрия хороша? Оказывается, вклады виртуальных частиц в массу бозона Хиггса имеют разные знаки для разных спинов. При суперсимметрии бозонный и фермионный вклады сокращаются до нуля, и если у вас есть фотоны и фотино или W-бозоны и ви́но, то их вклады тоже сокращаются до нуля. Если массы частиц и их суперпартнеров разные - а это так и есть, нет скалярного электрона с такой же массой, как у электрона, это мы точно знаем, - то это сокращение происходит не до нуля. Но если массы суперпартнеров - в районе тераэлектронвольт, то как раз получается, что эти вклады имеют масштаб сотни гигаэлектронвольт, и тогда всё хорошо. Но это уже не работает. Уже сейчас ограничения на эти массы такие сильные, что данный механизм сокращения полностью не работает, 100 ГэВ не получить. Если наивно вычислять, то должно получиться что-то вроде 500–700 ГэВ для массы бозона Хиггса. Так что сейчас ситуация с поиском суперсимметрии очень напряженная.

Есть еще сценарии: например, бозон Хиггса может быть составным, не обязательно элементарным. И вообще, в физике конденсированных сред известны аналоги механизма Хиггса, и там аналог бозона Хиггса или хиггсовского поля не элементарный, а составной. Самый известный пример - это сверхпроводимость. В сверхпроводнике фотон как бы имеет массу, это так называемый эффект Мейснера. Теория Энглера - Браута - Хиггса - это почти один в один теория Гинзбурга - Ландау, которая была предложена лет за десять до Энглера - Браута - Хиггса.

Если бозон Хиггса - составной, тогда всё меняется, и огромные вклады от взаимодействия с вакуумом исчезают, появляется размер составной системы, как у протона. Если этот размер составляет 10 -18 см, то соответствующая энергия системы оказывается разумной, при этом внутренняя структура пока остается неразличимой. У таких моделей есть свои предсказания, но опять-таки до сих пор ничего похожего на ускорителе не видно.

Может быть, мы чего-то сильно не понимаем, теоретики чего-то сильно не додумали, не открыли в своих головах. Конечно, на Большом адронном коллайдере есть программа поиска новых явлений, не опирающаяся на теоретические предсказания. Будем искать, где можем, «где есть фонари» - под ними и будем искать. И будем пытаться найти отличия от Стандартной модели везде, где только это можно сделать. До сих пор ничего этого нет, и Стандартная модель прекрасно работает.

В заключение скажу: сейчас мы находимся на очень интересном этапе развития физики элементарных частиц. С одной стороны, есть уверенность, что Стандартная модель - это еще не вся история. Есть еще пришедшие из космологии жесткие, однозначные свидетельства того, что Стандартная модель неполна, - в первую очередь это темная материя: во Вселенной есть массивные частицы, которые составляют темную материю, их по массе примерно в пять раз больше, чем обычного вещества.

Сейчас такая ситуация, что физика элементарных частиц снова стала экспериментальной наукой. В 1950–1960-е годы эта область физики была экспериментальной наукой, когда шли эксперименты, их результаты осмысливались и создавались теории. Однако на протяжении всей моей сознательной жизни всё было наоборот: теоретики делали предсказания, а экспериментаторы их подтверждали. Сейчас мы опять пришли к ситуации, когда мы полностью завязаны на эксперимент, не зная, что он нам покажет. Ждем, держим пальцы крестиком, но пока ничего интересного БАК нам не говорит. Кроме того, что есть бозон Хиггса...

Какая новая физика появится в конце концов, мы тоже не знаем. Так что ситуация интересная, важное открытие сделано, но каким будет следующее открытие, никто сегодня сказать не может. Может быть, это и хорошо, это заставляет нас напрягаться и думать, а экспериментаторов - искать новые явления. Надеюсь, что эти поиски завершатся успехом.

Моделирование, показывающее появление бозона Хиггса при столкновении двух протонов

Бозон ХиггсаБозон Хиггса

Бозон Хиггса – элементарная частица, природу которой очень сложно постичь без предварительной подготовки и понимания основных физических и астрономических законов Вселенной.

Бозон Хиггса имеет множество уникальных свойств, позволившим получить ему еще одно название – частица Бога. Открытый квант обладает цветным и электрическими зарядами, а его спин по факту равняется нулю. Это означает, что он не имеет квантового вращения. К тому же, бозон полноценно участвует в гравитационных реакциях и склонен к распаду на пары из b-кварка и b-антикварка, фотонов, электронов и позитронов в сочетании с нейтрино. Однако параметры этих процессов по ширине не превышают 17 мегаэлектроновольт (МэВ). Помимо вышеперечисленных характеристик частица Хиггса способна распадаться на лептоны и W-бозоны. Но, к сожалению, они видны недостаточно хорошо, что значительно осложняет изучение, контроль и анализ явления. Однако в те редкие моменты, когда их все же получалось фиксировать, удалось установить, что они вполне соответствуют типичным для таких случаев физическим моделям элементарных частиц.

Предсказание и история открытия бозона Хиггса

Диаграмма Фейнмана, показывающая возможные варианты рождения W- или Z-бозонов, которые при взаимодействии образуют нейтральный бозон Хиггса

В 2013 году англичанин Питер Хиггс и подданный Бельгии Франсуа Энглер получили Нобелевскую премию по физике за открытие и обоснование существования механизма, позволяющего понять, как и из чего происходят массы элементарных частиц. Однако задолго до этого уже проводились различные эксперименты и попытки открыть бозон Хиггса. Еще в 1993 году в Западной Европе начались подобные исследования с использованием мощностей Большого электронно-позитронного коллайдера. Но в итоге они не смогли в полном объеме принести результатов, ожидаемых организаторами данного проекта. К изучению вопроса подключалась и российская наука. Так в 2008-2009 гг. небольшой командой ученых ОИЯИ был произведен уточненный расчет массы хиггсовского бозона. Совсем недавно, весной 2015 года, коллаборации, известные всему научному миру, ATLAS и CMS, вновь провели корректировку массы хиггсовского бозона, которая по этим сведениям приблизительно равна 125,09±0,24 гигаэлектронвольтов (ГэВ).

Эксперименты по поиску и оценке параметров бозона Хиггса

Как уже упоминалось выше, первоначальные поисковые и оценочные эксперименты по определению массы бозона были начаты еще в 1993 году. Комплексные исследования, проводимые на Большом электронно-позитронном коллайдере, финишировали в 2001 году. Полученные благодаря этому эксперименту результаты были дополнительно откорректированы в 2004 году. По уточненным расчетам верхняя грань его массы равнялась 251 гигаэлектроновольт (ГэВ). В 2010 году была выявлена разница, равная 1%, в количестве появляющихся в ходе распада b-мезона, мюонов и антимюонов.

Несмотря на статистические недочеты, получаемые с 2011 года данные с Большого андронного коллайдера, поступали по-прежнему регулярно. Это давало надежду на исправление неточных сведений. Выявленная спустя год новая элементарная частица, которая имела идентичную четность и способность распадаться, как и хиггсовский бозон, была подвергнута серьезной критике и сомнению в 2013 году. Однако уже к концу сезона обработка всех накопленных данных привела к однозначным выводам: новая открытая частица, несомненно, является искомым бозоном Хиггса и принадлежит к Стандартной физической модели.

Интересные факты о бозоне Хиггса

Большой адронный коллайдер. Одной из основных целей проекта является экспериментальное доказательство существования бозона Хиггса и его исследование

Одним из наиболее интереснейших и невероятных фактов о хиггсовском бозоне является то, что его, по сути, не существует в природе. Следовательно, эта частица, в отличие от остальных фундаментальных элементов, не находится в окружающем нас пространстве. Объясняется это тем, что бозон Хиггса исчезает практически моментально после своего рождения. Происходит такая мгновенная метаморфоза посредством распада частицы. При этом за свое наикратчайшее существование бозон даже не успевает войти во взаимодействие с чем-либо еще.

Также весьма интересными и привлекающими к себе внимание фактами можно назвать, так называемые «прозвища», которые были присвоены хиггсовскому бозону. Эпатажные названия попадали в общественное использование благодаря средствам массовой информации. Одно из них было придумано вновь открытому кванту Леоном Ледерманом, лауреатом Нобелевской премии, и звучало как «чертова частица». Однако оно не было пропущено в печатное издание труда редактором и было заменено на «частицу Бога» или «божью частицу».

Другие массовые названия бозона Хиггса

Несмотря на популярность ледермановских «прозвищ», данных им бозону Хиггса, подавляющее большинство ученых не одобряют их и чаще используют другое «простонародное» название. Оно переводится как «бозон бутылки с шампанским». Основой для появления такой терминологии в обозначении хиггсовского бозона послужило некое сходство его комплексного поля с дном стеклянной бутылки из-под шампанского. Не меньшее значение для ученых «озорников» имеет и аллегоричное сравнение, намекающее на обилие выпитого шампанского по поводу открытия важной частицы.

Стоит обратить внимание и на то, что имеют место быть, так называемые, бесхиггсовые физические модели, разработанные еще до открытия бозона. Они предполагают своеобразное расширение стандартности.

Современная наука не стоит на месте, а непрерывно и неуклонно развивается. Накопленные в сегодняшней физике и смежных с ней областях знания, позволили не только предсказать, но и, собственно говоря, совершить открытие бозона Хиггса. Но изучение его свойств и обозначение сфер применения добытых сведений находится лишь в начальной стадии. Поэтому современным физикам и астрономам еще предстоит много работы и экспериментов, связанных с исследованием этой основополагающей для Вселенной частицы.