“Bozoni Higgs është zbuluar. Ç'pritet më tej? Zbulimi i shumëpritur: bozon Higgs Masa e bozonit Higgs në kg

Me fjalë të thjeshta, bozoni Higgs është grimca më e shtrenjtë e të gjitha kohërave. Nëse mjaftonte vetëm një tub vakum dhe disa mendje të shkëlqyera, për shembull, kërkimi për bozonin e Higgs kërkonte krijimin e energjisë eksperimentale që rrallë shihet në Tokë. Large Hadron Collider nuk ka nevojë për prezantim, duke qenë një nga eksperimentet më të famshme dhe më të suksesshme shkencore, por grimca e profilit të tij, si më parë, është e mbuluar me mister për shumicën e popullsisë. Ajo është quajtur Grimca e Zotit, por falë përpjekjeve të mijëra shkencëtarëve, ne nuk duhet ta marrim më ekzistencën e saj si të mirëqenë.

E panjohura e fundit

Çfarë është dhe cila është rëndësia e zbulimit të saj? Pse është bërë objekt i kaq shumë zhurmë, financimi dhe dezinformimi? Për dy arsye. Së pari, ishte grimca e fundit e pazbuluar e nevojshme për të konfirmuar Modelin Standard të fizikës. Zbulimi i tij nënkuptonte se një brez i tërë botimesh shkencore nuk kishin qenë të kota. Së dyti, ky bozon u jep grimcave të tjera masën e tyre, gjë që i jep një kuptim të veçantë dhe njëfarë "magjie". Ne priremi të mendojmë masën si një pronë e brendshme e gjërave, por fizikanët mendojnë ndryshe. Me fjalë të thjeshta, bozoni Higgs është një grimcë pa të cilën masa në thelb nuk ekziston.

Një fushë më shumë

Arsyeja qëndron në të ashtuquajturën fushë Higgs. Ai u përshkrua edhe para bozonit Higgs, pasi fizikantët e llogaritën atë për nevojat e teorive dhe vëzhgimeve të tyre, të cilat kërkonin praninë e një fushe të re, veprimi i së cilës do të shtrihej në të gjithë Universin. Përforcimi i hipotezave duke shpikur pjesë të reja të universit është i rrezikshëm. Në të kaluarën, për shembull, kjo çoi në krijimin e teorisë së eterit. Por sa më shumë llogaritje matematikore bëheshin, aq më shumë fizikantë kuptuan se fusha e Higgs duhet të ekzistojë në realitet. Problemi i vetëm ishte mungesa e mundësive praktike për ta vëzhguar atë.

Në Modelin Standard, fizikanët marrin masën përmes një mekanizmi të bazuar në ekzistencën e fushës Higgs që përshkon të gjithë hapësirën. Ai krijon bozone Higgs, të cilët kërkojnë sasi të mëdha energjie dhe kjo është arsyeja kryesore pse shkencëtarët kanë nevojë për përshpejtues modern të grimcave për të kryer eksperimente me energji të lartë.

Nga vjen masa?

Fuqia e ndërveprimeve të dobëta bërthamore zvogëlohet me shpejtësi me rritjen e distancës. Sipas teorisë kuantike të fushës, kjo do të thotë se grimcat që përfshihen në krijimin e saj - bozonet W dhe Z - duhet të kenë masë, ndryshe nga gluonet dhe fotonet, të cilat nuk kanë masë.

Problemi është se teoritë e matësve merren vetëm me elementë pa masë. Nëse bozonet matës kanë masë, atëherë një hipotezë e tillë nuk mund të përcaktohet në mënyrë të arsyeshme. Mekanizmi Higgs e shmang këtë problem duke futur një fushë të re të quajtur fusha Higgs. Në energji të larta, bozonet matës nuk kanë masë dhe hipoteza funksionon siç pritej. Në energji të ulëta, fusha shkakton thyerjen e simetrisë, e cila lejon që elementët të kenë masë.

Çfarë është bozoni Higgs?

Fusha Higgs prodhon grimca të quajtura bozone Higgs. Teoria nuk e specifikon masën e tyre, por si rezultat i eksperimentit u konstatua se ajo është e barabartë me 125 GeV. Me fjalë të thjeshta, ekzistenca e bozonit Higgs më në fund konfirmoi Modelin Standard.

Mekanizmi, fusha dhe bozoni janë emëruar sipas shkencëtarit skocez Peter Higgs. Edhe pse ai nuk ishte i pari që propozoi këto koncepte, por, siç ndodh shpesh në fizikë, ai thjesht doli të ishte ai pas të cilit u emëruan.

Thyerja e simetrisë

Besohej se fusha e Higgs ishte përgjegjëse për faktin se grimcat që nuk duhet të kishin masë. Ky është një medium universal që u jep grimcave pa masë masa të ndryshme. Kjo shkelje e simetrisë shpjegohet me analogji me dritën - të gjitha gjatësitë e valëve lëvizin në një vakum me të njëjtën shpejtësi, por në një prizëm çdo gjatësi vale mund të izolohet. Kjo është, natyrisht, një analogji e pasaktë, pasi drita e bardhë përmban të gjitha gjatësitë e valëve, por shembulli tregon se si fusha Higgs duket se krijon masë për shkak të thyerjes së simetrisë. Prizma thyen simetrinë e shpejtësisë së gjatësive të ndryshme të valëve të dritës duke i ndarë ato, dhe fusha e Higgs mendohet se thyen simetrinë e masës së disa grimcave që përndryshe janë simetrikisht pa masë.

Si të shpjegoni bozonin e Higgs në terma të thjeshtë? Vetëm kohët e fundit fizikanët e kanë kuptuar se nëse fusha e Higgs ekziston vërtet, veprimi i saj do të kërkonte praninë e një bartësi të përshtatshëm me veti që e bëjnë atë të vëzhgueshme. Supozohej se kjo grimcë i përkiste bozoneve. Bozoni Higgs në terma të thjeshtë është e ashtuquajtura forcë bartëse, njësoj si fotonet, të cilët janë bartës të fushës elektromagnetike të Universit. Fotonet, në një farë kuptimi, janë ngacmime lokale të tij, ashtu si bozoni Higgs është një ngacmim lokal i fushës së tij. Vërtetimi i ekzistencës së një grimce me vetitë e pritura nga fizikanët ishte në fakt ekuivalente me provë të drejtpërdrejtë të ekzistencës së një fushe.

Eksperimentoni

Shumë vite planifikimi kanë lejuar që Përplasësi i Madh i Hadronit (LHC) të bëhet një eksperiment i mjaftueshëm për të hedhur poshtë potencialisht teorinë e bozonit Higgs. Unaza 27 km e elektromagnetëve super të fuqishëm mund të përshpejtojë grimcat e ngarkuara në fraksione të konsiderueshme, duke shkaktuar përplasje me forcë të mjaftueshme për t'i ndarë ato në përbërës, si dhe deformojnë hapësirën rreth pikës së goditjes. Sipas llogaritjeve, në një energji përplasjeje të një niveli mjaft të lartë, një bozoni mund të ngarkohet në mënyrë që të kalbet dhe kjo të mund të vërehet. Kjo energji ishte aq e madhe sa disa madje u panikuan dhe parashikuan fundin e botës, dhe imagjinata e të tjerëve ishte aq e egër sa zbulimi i bozonit Higgs u përshkrua si një mundësi për të parë një dimension alternativ.

Konfirmimi përfundimtar

Vëzhgimet fillestare në fakt dukej se hodhën poshtë parashikimet dhe asnjë shenjë e grimcës nuk mund të gjendej. Disa nga studiuesit e përfshirë në fushatën për të shpenzuar miliarda dollarë madje u shfaqën në televizion dhe deklaruan me butësi faktin se përgënjeshtrimi i një teorie shkencore është po aq i rëndësishëm sa konfirmimi i saj. Megjithatë, pas ca kohësh, matjet filluan të plotësojnë pamjen e përgjithshme dhe më 14 mars 2013, CERN njoftoi zyrtarisht konfirmimin e ekzistencës së grimcës. Ka prova që sugjerojnë ekzistencën e bozoneve të shumta, por kjo ide ka nevojë për studim të mëtejshëm.

Dy vjet pasi CERN njoftoi zbulimin e grimcës, shkencëtarët që punonin në Përplasësin e Madh të Hadronit ishin në gjendje ta konfirmonin atë. Nga njëra anë, kjo ishte një fitore e madhe për shkencën, por nga ana tjetër, shumë shkencëtarë ishin të zhgënjyer. Nëse dikush do të shpresonte që bozoni Higgs do të ishte grimca që do të çonte në rajone të çuditshme dhe të mrekullueshme përtej Modelit Standard - supersimetria, materia e errët, energjia e errët - atëherë, për fat të keq, doli se nuk ishte kështu.

Një studim i botuar në Nature Physics konfirmoi zbërthimin në fermione. parashikon që, me fjalë të thjeshta, bozoni Higgs është grimca që i jep fermioneve masën e tyre. Detektori CMS i përplasësit më në fund konfirmoi zbërthimin e tyre në fermione - kuarkë poshtë dhe tau lepton.

Bozoni Higgs në terma të thjeshtë: çfarë është?

Ky studim konfirmoi përfundimisht se ky është bozoni Higgs i parashikuar nga Modeli Standard i fizikës së grimcave. Ndodhet në rajonin e masës së energjisë prej 125 GeV, nuk ka rrotullim dhe mund të kalbet në shumë elementë më të lehtë - çifte fotonesh, fermionesh, etj. Falë kësaj, mund të themi me bindje se bozoni Higgs, në terma të thjeshtë, është një grimcë, që i jep masë çdo gjëje.

Sjellja standarde e elementit të sapo zbuluar ishte zhgënjyese. Nëse prishja e tij do të ishte edhe pak më ndryshe, do të lidhej ndryshe me fermionet dhe do të shfaqeshin linja të reja kërkimi. Nga ana tjetër, kjo do të thotë se ne nuk kemi avancuar një hap përtej Modelit Standard, i cili nuk merr parasysh gravitetin, energjinë e errët, materien e errët dhe fenomene të tjera të çuditshme të realitetit.

Tani vetëm mund të hamendësojmë se çfarë i shkaktoi. Teoria më e njohur është supersimetria, e cila thotë se çdo grimcë e Modelit Standard ka një superpartner tepër të rëndë (duke përbërë kështu 23% të Universit - materien e errët). Përmirësimi i përplasësit për të dyfishuar energjinë e tij të përplasjes në 13 TeV ka të ngjarë të mundësojë zbulimin e këtyre supergrimcave. Përndryshe, supersimetria do të duhet të presë për ndërtimin e një pasuesi më të fuqishëm të LHC.

Perspektivat e ardhshme

Pra, si do të jetë fizika pas bozonit Higgs? LHC sapo u rihap me përmirësime të mëdha dhe është në gjendje të shohë gjithçka nga antimateria tek energjia e errët. Besohet se ndërvepron me atë normale vetëm përmes gravitetit dhe përmes krijimit të masës, dhe rëndësia e bozonit Higgs është çelësi për të kuptuar saktësisht se si ndodh kjo. E meta kryesore e Modelit Standard është se ai nuk mund të shpjegojë forcën e gravitetit - një model i tillë mund të quhet Teoria e Madhe e Unifikuar - dhe disa besojnë se grimca dhe fusha Higgs mund të ofrojnë urën që fizikanët janë kaq të dëshpëruar për të gjetur.

Ekzistenca e bozonit Higgs është konfirmuar, por kuptimi i plotë i tij është ende shumë larg. A do të hedhin poshtë eksperimentet e ardhshme supersimetrinë dhe idenë e zbërthimit të saj në vetë lëndën e errët? Apo do të konfirmojnë çdo detaj të fundit të parashikimeve të modelit standard për vetitë e bosonit Higgs dhe kjo fushë e kërkimit do të përfundojë përgjithmonë?

Mund të vëmë bast për një shumë të madhe që shumica prej jush (përfshirë njerëzit e interesuar për shkencën) nuk e kanë një ide shumë të mirë të asaj që fizikanët gjetën në përplasësin e madh të Hadronit, pse e kërkuan atë për kaq shumë kohë dhe çfarë do të ndodhë më pas .

Prandaj, një histori e shkurtër se çfarë është bozoni Higgs.

Ne duhet të fillojmë me faktin se njerëzit në përgjithësi janë shumë të varfër për të imagjinuar në mendjet e tyre atë që po ndodh në mikrokozmos, në shkallën e grimcave elementare.

Për shembull, shumë njerëz nga shkolla imagjinojnë se elektronet janë topa të vegjël të verdhë, si mini-planetet, që rrotullohen rreth bërthamës së një atomi, ose duket si një mjedër e përbërë nga protone-neutrone të kuqe dhe blu. Ata që janë disi të njohur me mekanikën kuantike nga librat e njohur i imagjinojnë grimcat elementare si re të paqarta. Kur na thuhet se çdo grimcë elementare është gjithashtu një valë, ne imagjinojmë valët në det (ose në oqean): sipërfaqja e një mediumi tredimensional që lëkundet periodikisht. Nëse na thuhet se një grimcë është një ngjarje në një fushë të caktuar, imagjinojmë një fushë (diçka që gumëzhin në zbrazëti, si një kuti transformatori).

E gjithë kjo është shumë e keqe. Fjalët "grimcë", "fushë" dhe "valë" pasqyrojnë realitetin jashtëzakonisht keq, dhe nuk ka asnjë mënyrë për t'i imagjinuar ato. Çfarëdo imazhi vizual që ju vjen në mendje do të jetë i pasaktë dhe do të pengojë të kuptuarit. Grimcat elementare nuk janë diçka që në parim mund të shihet ose "preket", dhe ne, pasardhësit e majmunëve, jemi krijuar të imagjinojmë vetëm gjëra të tilla. Nuk është e vërtetë që një elektron (ose foton, ose bozon Higgs) "është edhe një grimcë edhe një valë"; kjo është diçka e tretë, për të cilën nuk ka pasur kurrë fjalë në gjuhën tonë (si të panevojshme). Ne (në kuptimin, njerëzimi) e dimë se si sillen, mund të bëjmë disa llogaritje, mund të organizojmë eksperimente me ta, por nuk mund të gjejmë një imazh të mirë mendor për ta, sepse gjërat që janë të paktën afërsisht të ngjashme me grimcat elementare nuk janë gjendet fare në shkallën tonë.

Fizikanët profesionistë nuk përpiqen të imagjinojnë vizualisht (ose në ndonjë mënyrë tjetër për sa i përket ndjenjave njerëzore) se çfarë po ndodh në mikrobotë; kjo është një rrugë e keqe, nuk të çon askund. Ata gradualisht zhvillojnë një intuitë se çfarë objektesh jetojnë atje dhe çfarë do t'u ndodhë nëse bëjnë këtë dhe atë, por një joprofesionist nuk ka gjasa të jetë në gjendje ta kopjojë atë.

Kështu që, shpresoj që të mos mendoni më për topa të vegjël. Tani për atë që ata po kërkonin dhe gjenin në Përplasësin e Madh të Hadronit.

Teoria e pranuar përgjithësisht se si funksionon bota në shkallët më të vogla quhet Modeli Standard. Sipas saj, bota jonë funksionon kështu. Ai përmban disa lloje thelbësisht të ndryshme të materies që ndërveprojnë me njëri-tjetrin në mënyra të ndryshme. Ndonjëherë është e përshtatshme të flasim për ndërveprime të tilla si shkëmbimi i "objekteve" të caktuara për të cilat mund të matet shpejtësia, masa, t'i përshpejtojë ato ose t'i shtyjë ato kundër njëri-tjetrit, etj. Në disa raste është e përshtatshme t'i quash ato (dhe t'i mendosh ato) si grimca bartëse. Ekzistojnë 12 lloje të grimcave të tilla në model. Ju kujtoj se gjithçka për të cilën po shkruaj tani është ende e pasaktë dhe përdhosje; por, shpresoj, ende shumë më pak se sa raportojnë shumica e mediave. (Për shembull, "Echo of Moscow" më 4 korrik u dallua me frazën "5 pikë në shkallën sigma"; ata që e dinë do ta vlerësojnë atë).

Në një mënyrë apo tjetër, 11 nga 12 grimcat e Modelit Standard janë vëzhguar tashmë më parë. I 12-ti është një bozon që korrespondon me fushën e Higgs - ajo që u jep shumë grimcave të tjera masë. Një analogji shumë e mirë (por, natyrisht, edhe e pasaktë), e cila nuk u shpik nga unë: imagjinoni një tavolinë bilardosh të përkryer të lëmuar, mbi të cilën ka topa bilardosh - grimca elementare. Ato shpërndahen lehtësisht në drejtime të ndryshme dhe lëvizin kudo pa ndërhyrje. Tani imagjinoni që tavolina është e mbuluar me një lloj mase ngjitëse që pengon lëvizjen e grimcave: kjo është fusha e Higgs-it dhe shkalla në të cilën një grimcë ngjitet në një shtresë të tillë është masa e saj. Fusha Higgs nuk ndërvepron në asnjë mënyrë me disa grimca, për shembull, me fotone, dhe masa e tyre, në përputhje me rrethanat, është zero; mund të imagjinohet se fotonet janë si një top hokeji me ajër, dhe veshja nuk vërehet fare.

E gjithë kjo analogji është e pasaktë, për shembull, sepse masa, ndryshe nga veshja jonë ngjitëse, e pengon grimcën të lëvizë, por të përshpejtohet, por jep njëfarë iluzioni mirëkuptimi.

Bozoni Higgs është grimca që korrespondon me këtë "fushë ngjitëse". Imagjinoni të goditni shumë fort një tavolinë pishinë, duke dëmtuar shaminë dhe duke shtypur një sasi të vogël të substancës ngjitëse në një palosje të ngjashme me flluska që shpejt rrjedh përsëri jashtë. Kjo eshte.

Në fakt, kjo është pikërisht ajo që ka bërë përplasësi i madh i Hadronit gjatë gjithë këtyre viteve dhe përafërsisht kështu dukej procesi i marrjes së bozonit Higgs: ne goditëm tavolinën me gjithë fuqinë tonë derisa vetë pëlhura të fillojë të shndërrohet nga shumë sipërfaqe statike, e fortë dhe ngjitëse në diçka më interesante (ose derisa të ndodhë diçka edhe më e mrekullueshme, e paparashikuar nga teoria). Kjo është arsyeja pse LHC është kaq i madh dhe i fuqishëm: ata tashmë janë përpjekur të godasin tryezën me më pak energji, por pa sukses.

Tani në lidhje me famëkeqin 5 sigma. Problemi me procesin e mësipërm është se ne vetëm mund të trokasim dhe të shpresojmë se diçka do të vijë prej tij; Nuk ka asnjë recetë të garantuar për marrjen e bozonit Higgs. Më keq, kur ai më në fund lind në botë, ne duhet të kemi kohë për ta regjistruar atë (natyrisht, është e pamundur ta shohim atë, dhe ai ekziston vetëm për një pjesë të parëndësishme të sekondës). Çfarëdo detektor që përdorim, mund të themi vetëm se duket se mund të kemi vërejtur diçka të ngjashme.

Tani imagjinoni që ne kemi një vdekje të veçantë; ai bie rastësisht në një nga gjashtë fytyrat, por nëse bozoni Higgs është afër tij pikërisht në atë kohë, atëherë gjashtë nuk do të bien kurrë. Ky është një detektor tipik. Nëse hedhim zarin një herë dhe në të njëjtën kohë godasim tavolinën me gjithë fuqinë tonë, atëherë asnjë rezultat fare nuk do të na thotë asgjë: a doli si 4? Një ngjarje mjaft e mundshme. A keni rrokullisur një 6? Ndoshta ne thjesht e goditëm tavolinën pak në momentin e gabuar dhe bozoni, megjithëse ekzistonte, nuk pati kohë të lindte në momentin e duhur, ose, anasjelltas, arriti të kalbet.

Por ne mund ta bëjmë këtë eksperiment disa herë, madje edhe shumë herë! E shkëlqyeshme, le të hedhim zarin 60,000,000 herë. Le të themi se gjashtë dolën "vetëm" 9.500.000 herë, dhe jo 10.000.000; a do të thotë kjo që një bozoni shfaqet herë pas here, apo është thjesht një rastësi e pranueshme - ne nuk besojmë se dieta duhet të përfundojë si gjashtë e lëmuar 10 milionë herë nga 60?

Epo, Gjëra të tilla nuk mund të vlerësohen me sy, duhet të keni parasysh sa i madh është devijimi dhe si lidhet me aksidentet e mundshme. Sa më i madh të jetë devijimi, aq më pak ka gjasa që kocka të shtrihet ashtu rastësisht dhe aq më e madhe është mundësia që herë pas here (jo gjithmonë) të lindte një grimcë e re elementare që e pengonte atë të shtrihej si një gjashtëshe. Është e përshtatshme për të shprehur devijimin nga mesatarja në "sigmas". “Një sigma” është niveli i devijimit që është “më i prituri” (vlera specifike e tij mund të llogaritet nga çdo student i vitit të tretë në Fakultetin e Fizikës ose Matematikës). Nëse ka mjaft eksperimente, atëherë një devijim prej 5 sigma është niveli kur mendimi "rastësia nuk ka gjasa" kthehet në një besim absolutisht të fortë.

Fizikanët njoftuan arritjen e afërsisht të këtij niveli të devijimeve në dy detektorë të ndryshëm më 4 korrik. Të dy detektorët silleshin në mënyrë shumë të ngjashme me mënyrën se si do të silleshin nëse grimca e prodhuar nga goditja e fortë e tavolinës do të ishte në fakt një bozon Higgs; Në mënyrë të rreptë, kjo nuk do të thotë se kjo është pikërisht ajo që kemi para nesh, ne duhet të matim të gjitha llojet e karakteristikave të tjera të saj me lloj-lloj detektorësh të tjerë. Por kanë mbetur pak dyshime.

Së fundi, për atë që na pret në të ardhmen. A është zbuluar "fizikë e re" dhe a është bërë një zbulim që do të na ndihmojë të krijojmë motorë hiperhapësirë ​​dhe karburant absolut? Jo; dhe madje anasjelltas: u bë e qartë se në atë pjesë të fizikës që studion grimcat elementare, mrekullitë nuk ndodhin dhe natyra është strukturuar pothuajse ashtu siç kishin supozuar fizikanët gjatë gjithë kohës (mirë, ose pothuajse kështu). Është edhe pak e trishtuar.

Situata është e ndërlikuar nga fakti se ne e dimë me siguri absolute se në parim nuk mund të strukturohet tamam kështu. Modeli Standard është thjesht matematikisht i papajtueshëm me teorinë e përgjithshme të relativitetit të Ajnshtajnit, dhe të dyja thjesht nuk mund të jenë të vërteta në të njëjtën kohë.

Dhe ku të gërmoni tani nuk është ende shumë e qartë (nuk është se nuk ka fare mendime, përkundrazi, përkundrazi: ka shumë mundësi të ndryshme teorike, dhe ka shumë më pak mënyra për t'i testuar ato). Epo, ndoshta është e qartë për dikë, por sigurisht jo për mua. Unë kam shkuar përtej kompetencave të mia në këtë post shumë kohë më parë. Nëse kam gënjyer keq diku, ju lutem më korrigjoni.

Modeli në formën e fushave fizike u ndërtua për një kohë shumë të gjatë nga shumë fizikanë që studiojnë me këmbëngulje Universin. Zhvillimi i këtij modeli filloi në vitet 70 të shekullit të njëzetë. Thelbi i tij është i thjeshtë: pa bozonin Higgs, materia nuk mund të ketë masë.

Kohët e fundit, ndodhi një ngjarje e shumëpritur: "grimca e Zotit" e famshme u zbulua në CERN. Parashikimi u realizua dhe shkenca iu afrua zgjidhjes së misterit të Universit. Le të përpiqemi të imagjinojmë se si është ai. Për ta bërë këtë, ju duhet të thërrmoni një copë shkumë polistireni në tryezë. Nëse fryni në thërrimet që rezultojnë, të cilat janë analoge të grimcave elementare, ato do të shpërndahen lehtësisht. Por nëse sipërfaqja e tryezës është e mbuluar me një shtresë uji, shpërndarja e thërrimeve do të bëhet e vështirë. Në këtë krahasim, uji kryen funksionin e fushës Higgs, sikur u jep thërrimeve një masë. Dhe një analog i bozoneve do të jenë valëzimet e një sipërfaqeje uji nëse fryni mbi të. I vetmi ndryshim është se një fushë e tillë nuk ndikon në lëvizjen e grimcave, por në nxitimin e tyre.

Fusha e Higgs-it

Fusha Higgs ndikon në grimcat që kalojnë nëpër të. Për shembull, fotonet mund të kalojnë nëpër këtë fushë absolutisht lirshëm, por grimcat e tjera - W- dhe Z-bosons - do të ngadalësohen. Çdo gjë që ka masë ndërvepron me fushën e Higgs. Dhe kjo fushë zë të gjithë hapësirën e Universit, si të gjitha fushat e tjera, fusha e Higgs-it kërkon një grimcë të caktuar që do të mbajë ndërveprimin, duke ndikuar në grimcat në këtë fushë. Ky bartës është bozoni Higgs. Ai u zbulua eksperimentalisht në LHC më 4 korrik 2012 dhe kishte një masë prej 125 – 126 GeV/c 2. Pa fushën e Higgs-it, koncepti i ndërtimit të materies do të kishte dalë krejtësisht i ndryshëm, por edhe fotografia e Universit që është shfaqur tani nuk mund të jetë përfundimtare dhe nuk shpjegon të gjitha vetitë e tij. Kozmologjia thotë se pjesa më e madhe e materies në Univers mund të përbëhet nga forma krejtësisht të ndryshme të materies. Bozoni Higgs duhet të ndihmojë kërkimet e mëtejshme për të kuptuar këto forma. Dhe disa shkencëtarë optimistë tashmë po përpiqen ta përdorin zbulimin në praktikë. Për shembull, nëse hiqni disi fushën Higgs, atëherë të gjitha grimcat elementare do të humbasin masën. Ndoshta do të ketë një mundësi reale të krijimit të antigravitetit. Edhe pse, nuk dihet se si mund të ndodhë kjo, dhe nëse kjo është e mundur.

Në modelin standard, lejohet vetëm një fushë Higgs, e cila përcakton të gjitha masat e grimcave elementare. Por modelet standarde të zgjeruara, supersimetrike (SSM) po shfaqen. Në këto modele, çdo grimcë shoqërohet me një superpartner që ka veti të lidhura ngushtë (megjithatë, grimca të tilla nuk janë zbuluar ende). SSM tashmë kërkon të paktën dy fusha, të cilat, duke ndërvepruar me grimcat, i pajisin ato me masë. Po këto fusha i japin një pjesë të masës superpartnerëve. Dy fusha Higgs mund të prodhojnë pesë lloje të bozoneve Higgs. Prej tyre, tre kanë vlerë neutrale dhe dy kanë marrë tarifë. Neutrinot, masat e të cilave janë pakrahasueshëm më të vogla se masat e grimcave të tjera, mund të lindin nga ndërveprime të tilla.

Bozoni Higgs - një pararojë e vdekjes së Universit?

Një nga opsionet e shumta për fundin e botës mbështetet veçanërisht në bozonin Higgs. Vetitë e kësaj grimce i japin Universit tonë një gjendje të paqëndrueshme, gjë që bën të mundur që ajo të përthithet nga një Univers tjetër alternativ. Pas ca kohësh, për shkak të luhatjeve kuantike, mund të shfaqet një flluskë vakumi, e cila do të bëhet një Univers alternativ dhe do të shkatërrojë tonën. Madhësia e masës së bosonit të zbuluar e bën shumë reale një katastrofë të tillë. Por jo gjithçka është aq e keqe: fundi i botës do të ndodhë me shpejtësinë e dritës, kështu që nuk ka gjasa të kemi kohë për të kuptuar pasojat e saj. Besohet se kjo katastrofë mund të shpërthejë në çdo moment, por me shumë mundësi do të shpaloset shumë larg nesh. Pra, ne kemi një fillim prej disa miliardë vjetësh.

Si e hapën

Përplasësi i madh i Hadronit u ndërtua për të kërkuar këtë grimcë. Ky është ndoshta projekti më i shtrenjtë në të gjithë historinë e njerëzimit, duke përfshirë arritjet më të fundit të gjenive shkencorë dhe inxhinierikë. Vetëm projektet madhështore hapësinore mund të krahasohen me të në kosto. Në një unazë nëntokësore rreth 27 km të gjatë, bërthamat e hidrogjenit - protonet - përshpejtohen duke përdorur fusha elektrike. Rrezet e protonit shkrehen në drejtime të kundërta. Të përshpejtuar në shpejtësi gjigante, pak më pak se shpejtësia e dritës, protonet përplasen me njëri-tjetrin. Energjia e madhe e fituar nga protonet është e barabartë me masën, kështu që rezultati i përplasjeve të grimcave masive është lindja e grimcave të reja. Ata janë shumë të paqëndrueshëm dhe i nënshtrohen kalbjes së shpejtë. Gjurmët e përplasjeve regjistrohen dhe përpunohen nga detektorë të veçantë. Duke studiuar vazhdimisht gjurmët e këtyre përplasjeve, u zbulua bozoni Higgs.

Rëndësia e zbulimit të bozonit Higgs për shkencën moderne konfirmohet nga fakti se ai u quajt "grimca e perëndisë".

Teoria moderne e grimcave elementare bazohet në një simetri të caktuar midis ndërveprimeve elektromagnetike dhe të dobëta - simetri e dobët. Besohet se kjo simetri ekzistonte në Universin e hershëm dhe për shkak të saj grimcat fillimisht ishin pa masë, por në një fazë ajo u prish spontanisht dhe grimcat fituan masë. Në teorinë e grimcave, për këtë thyerje të simetrisë elektrike të dobët, ajo u shpik Mekanizmi Higgs. Kjo është ajo që LHC-ja do të duhet të studiojë.

Për ta bërë këtë, eksperimenti do të kërkojë hapjen Bozon Higgs- një grimcë-jehonë e mekanizmit Higgs. Nëse ky bozon gjendet dhe studiohet, fizikanët do të mësojnë se si ndodhi thyerja e simetrisë dhe madje mund të krijojnë një teori të re, më të thellë të botës sonë. Nëse ky bozon nuk gjendet (në çfarëdo forme!), atëherë do të kërkohet një rishikim serioz i Modelit Standard të grimcave elementare, pasi nuk mund të funksionojë pa mekanizmin Higgs.

Të gjitha eksperimentet e kryera deri më tani nuk mund ta përballonin këtë detyrë për shkak të energjisë së pamjaftueshme të grimcave. Përplasësi LHC, me energjinë e tij rekord të protonit, pritet të japë përgjigje për të gjitha pyetjet kryesore.

Pak më shumë detaje

Teoria moderne e grimcave elementare - Modeli Standard - merret jo aq shumë me renditjen e grimcave themelore sa me përshkrimin e ndërveprimeve të tyre. Ai bazohet në idenë se dy ndërveprime në dukje të ndryshme, të tilla si elektromagnetike dhe të dobëta, janë në të vërtetë dy anët e "së njëjtës monedhë" - ndërveprim elektro-dobët.

Në kuadrin e kësaj teorie, rezulton se në temperatura të larta ka simetri midis ndërveprimeve të dobëta dhe elektromagnetike. Por simetria e dobët është e mundur vetëm kur grimcat themelore janë pa masë, dhe ne e dimë nga përvoja se në botën tonë këto grimca janë masive. Kjo do të thotë se simetria duhet të prishet. Mekanizmi Higgsështë pikërisht forca lëvizëse që thyen këtë simetri. Mund të themi se detyra kryesore e mekanizmit Higgs është t'i bëjë grimcat masive.

Ndodh kështu. Në teorinë kuantike, të gjitha grimcat nuk janë fare "topa të ngurtë", por kuantë, "copë" lëkundëse të një fushe. Elektronet janë lëkundje të fushës elektronike, fotonet janë lëkundje të fushës elektromagnetike, etj. Çdo fushë ka një gjendje me energjinë më të ulët - quhet “vakum” i asaj fushe. Për grimcat e zakonshme, vakum është kur nuk ka grimca, domethënë kur fusha e tyre është zero kudo. Nëse grimcat janë të pranishme (domethënë fusha nuk është zero kudo), atëherë kjo gjendje e fushës ka energji më të madhe se ajo e vakumit.

Dhe fusha Higgs është e strukturuar në një mënyrë të veçantë - ajo ka një vakum jo zero. Me fjalë të tjera, gjendja me energjinë më të ulët të fushës Higgs është kur e gjithë hapësira përshkohet nga një fushë Higgs me një forcë të caktuar, kundër së cilës lëvizin grimcat e tjera. Lëkundjet e fushës Higgs në lidhje me këtë "mesatare vakum" janë Bozonet e Higgs-it, kuanta e fushës Higgs.

Prania e kudondodhur e sfondit të fushës së Higgs-it ndikon në lëvizjen e grimcave në një mënyrë të përcaktuar rreptësisht - kjo e bën të vështirë nxitimi grimca, por nuk ndërhyn në lëvizjen e tyre uniforme. Grimcat bëhen më inerte nën ndikimin e forcave të jashtme, ato fillojnë të lëvizin disi me ngurrim - me fjalë të tjera, ato zhvillohen peshë. Kjo masë është më e madhe, aq më fort ata "kapen" në fushën e Higgs. Megjithatë, disa grimca, të tilla si fotonet, nuk ngjiten drejtpërdrejt në fushën e Higgs dhe mbeten pa masë.

Ka shumë përpjekje për të shpjeguar thelbin e mekanizmit Higgs në gishta, me fjalët më të thjeshta. Disa prej tyre janë dhënë në faqen mekanizmi Higgs në analogji.

Bozonet e Higgs janë gjithashtu masive sepse fusha e Higgs ndërvepron me vetveten. Një tipar dallues i bozoneve Higgs është se ato ndërveprojnë me grimca të ndryshme në përpjesëtim me masën e tyre - në fund të fundit, mesatarja e vakumit të Higgs dhe bozoni Higgs janë dy manifestime të së njëjtës fushë Higgs. Kjo veti e bozoneve Higgs është shumë e rëndësishme për kërkimin e tyre në LHC.

A dihet gjithçka për mekanizmin Higgs?

Aspak! Për më tepër, shumë, shumë pak dihet për të.

Fakti është se pothuajse të gjitha të dhënat eksperimentale mbi të cilat "u rrit" Modeli Standard kërkojnë vetëm vetë fakti shkeljet e simetrisë, por thuajse nuk thonë asgjë për mekanizmin e saj. Prandaj, problemi tani nuk është se fizikanët nuk dinë të shpjegojnë shkeljen e simetrisë së dobët elektrike, por se ata tashmë kanë dalë me shumë opsione kjo shkelje.

Disa prej tyre janë shumë të thjeshta - si në Modelin Standard, të tjerët janë të thjeshtë në koncept, por pak më komplekse në ekzekutim (për shembull, në modele me disa bozone Higgs), dhe disa bazohen në ide thelbësisht të reja, siç është supersimetria. , hapësira shumëdimensionale ose një lloj i ri ndërveprimi . Të gjitha këto opsione quhen kolektivisht " mekanizmat jo minimale të Higgs-it" Se cili do të jetë më afër realitetit do të dihet pas disa vitesh funksionimi të LHC.

A është e mundur të bëhet pa mekanizmin Higgs?

Në parim, po, por atëherë në mënyrë të pashmangshme do të përfundoni me një teori shumë më ekzotike sesa Modeli Standard me mekanizmin e zakonshëm Higgs.

Këtu ju duhet të kuptoni zinxhirin logjik. Nëse pranojmë idenë e simetrisë së dobët elektrike, atëherë kjo simetri duhet të prishet disi. Mekanizmi Higgs është mënyra më e natyrshme dhe minimale e një shkeljeje të tillë. Ka përpjekje për të ndërtuar një mekanizëm pa Higgs, por të gjitha ato janë shumë ekzotike dhe kërkojnë futjen e grimcave të reja, ndërveprimet apo edhe koordinatat hapësinore. Sigurisht, do të jetë shumë interesante nëse një model i tillë do të realizohet në botën tonë, por nga pikëpamja e ndërtimit të modeleve, këto janë teori shumë më komplekse dhe më pak të natyrshme sesa mekanizmi Higgs.

Nëse nuk e pranojmë idenë e simetrisë elektrike të dobët, atëherë mekanizmi Higgs nuk është më i nevojshëm, por atëherë do të jetë e nevojshme të krijohet një teori tjetër e ndërveprimeve të dobëta që do të shpjegonte të gjitha vetitë e vëzhguara të grimcave. Më lejoni t'ju kujtoj se Modeli Standard jo vetëm që e përballon këtë në mënyrë të përsosur, por ishte në bazë të tij që vetitë e bozoneve W dhe Z përgjegjës për ndërveprimin e dobët u parashikuan dhe më pas u konfirmuan në eksperiment. Nuk ka ende një teori tjetër që mund të zëvendësojë Modelin Standard.

A u përgjigjet mekanizmi Higgs të gjitha pyetjeve?

Përsëri, jo. Mekanizmi Higgs nuk shpjegon gjithçka, ai vetëm plotëson Modelin Standard, duke e bërë atë një teori të përshtatshme për llogaritjet në energji shumë më të vogla se 1 TeV.

Prandaj, lindin probleme kur përpiqemi të ekstrapolojmë Modelin Standard në energji shumë të larta. Le të theksojmë se këto nuk janë probleme të vetë mekanizmit Higgs, por të të gjithë Modelit Standard. Ato pasqyrojnë faktin se SM nuk është i plotë dhe është vetëm një teori "e përafërt" që funksionon mirë vetëm në energji të ulëta.

Në energjitë e larta, në vend të Modelit Standard, duhet të funksionojë një teori e re, më e thellë dhe ende e pandërtuar, në të cilën këto probleme do të zgjidhen (pjesërisht?). Se çfarë lloj teorie është kjo nuk dihet me siguri, por tashmë ka shumë zhvillime. Prandaj, detyra kryesore e LHC është të përpiqet të paktën të shikojë manifestimet e kësaj teorie në mënyrë që të kuptojë se ku të lëvizë më pas. Shumica e fizikanëve janë të bindur se kjo mund të arrihet pikërisht përmes hulumtimit të mekanizmit Higgs.

Literaturë shtesë:

• Informacioni bazë rreth mekanizmit Higgs mund të gjendet në librin e L. B. Okun " Fizika e grimcave"(në nivelin e fjalëve dhe fotografive) dhe " Leptonet dhe kuarkët"(në një nivel serioz, por të arritshëm).
• S. Dawson. Hyrje në thyerjen e simetrisë elektrike të dobët // hep-ph/9901280 - leksione me 83 faqe rreth mekanizmit Higgs dhe vetive të bozonit Higgs në Modelin Standard dhe në teoritë supersimetrike.
• C. Quigg. Thyerja spontane e simetrisë si bazë e masës së grimcave // Reps. Prog. Fiz. 70 1019–1053 (2007); artikulli është i disponueshëm falas.

Të gjithë e mbajnë mend zhurmën rreth zbulimit të bozonit Higgs në vitin 2012. Të gjithë e mbajnë mend, por shumë ende nuk e kuptojnë plotësisht se çfarë lloj feste ishte? Ne vendosëm ta kuptojmë, të ndriçohemi dhe në të njëjtën kohë të flasim për atë që është bozoni Higgs me fjalë të thjeshta!

Modeli Standard dhe bozoni Higgs

Le të fillojmë nga fillimi. Grimcat ndahen në bozonet Dhe fermionet. Bozonet janë grimca me rrotullim me numër të plotë. Fermionet - me gjysmënumër të plotë.

Bozoni Higgs është një grimcë elementare që u parashikua teorikisht në vitin 1964. Një bozon elementar që lind për shkak të mekanizmit të thyerjes spontane të simetrisë së dobët elektrike.

Është e qartë? Jo mirë. Për ta bërë më të qartë, duhet të flasim Modeli standard.

Modeli standard– një nga modelet kryesore moderne për përshkrimin e botës. Ai përshkruan ndërveprimin e grimcave elementare. Siç e dimë, ekzistojnë 4 ndërveprime themelore në botë: gravitacionale, e fortë, e dobët dhe elektromagnetike. Ne nuk e konsiderojmë menjëherë gravitetin, sepse ka natyrë tjetër dhe nuk përfshihet në model. Por ndërveprimet e forta, të dobëta dhe elektromagnetike përshkruhen brenda kornizës së modelit standard. Për më tepër, sipas kësaj teorie, materia përbëhet nga 12 grimca themelore elementare - fermionet. Bozonet Ata janë gjithashtu bartës të ndërveprimeve. Ju mund të aplikoni drejtpërdrejt në faqen tonë të internetit.

Pra, nga të gjitha grimcat e parashikuara brenda modelit standard, ajo që mbeti e pazbuluar eksperimentalisht ishte Bozon Higgs. Sipas Modelit Standard, ky bozon, duke qenë një kuant i fushës Higgs, është përgjegjës për faktin se grimcat elementare kanë masë. Le të imagjinojmë se grimcat janë topa të bilardos të vendosura në pëlhurën e një tavoline. Në këtë rast, pëlhura është fusha Higgs, e cila siguron masën e grimcave.

Si u kërkua për bozon Higgs?

Pyetjes se kur u zbulua bozoni Higgs nuk mund të përgjigjet me saktësi. Në fund të fundit, ai u parashikua teorikisht në vitin 1964, dhe ekzistenca e tij u konfirmua eksperimentalisht vetëm në vitin 2012. Dhe gjatë gjithë kësaj kohe ata po kërkonin bozonin e pakapshëm! Ata kërkuan gjatë dhe shumë. Përpara LHC, një tjetër përshpejtues operonte në CERN, përplasësi elektron-pozitron. Kishte gjithashtu një Tevatron në Illinois, por fuqia e tij nuk ishte e mjaftueshme për të përfunduar detyrën, megjithëse eksperimentet, natyrisht, dhanë rezultate të caktuara.

Fakti është se bozoni Higgs është një grimcë e rëndë dhe është shumë e vështirë ta zbulosh atë. Thelbi i eksperimentit është i thjeshtë, zbatimi dhe interpretimi i rezultateve është kompleks. Dy protone merren me shpejtësi afër dritës dhe përplasen kokë më kokë. Protonet, të përbërë nga kuarkë dhe antikuarkë, shpërbëhen nga një përplasje kaq e fuqishme dhe shfaqen shumë grimca dytësore. Pikërisht mes tyre u kërkua bozoni Higgs.

Problemi është se ekzistenca e këtij bozoni mund të konfirmohet vetëm në mënyrë indirekte. Periudha gjatë së cilës ekziston bozoni Higgs është jashtëzakonisht i vogël, siç është distanca midis pikave të zhdukjes dhe shfaqjes. Është e pamundur të matet drejtpërdrejt një kohë dhe distancë e tillë. Por Higgs nuk zhduket pa lënë gjurmë dhe mund të llogaritet nga "produktet e kalbjes".

Edhe pse një kërkim i tillë është shumë i ngjashëm me kërkimin e një gjilpëre në një kashtë. Dhe as në një, por në të gjithë fushën e kashtës. Fakti është se bozoni Higgs zbërthehet me probabilitete të ndryshme në "grupe" të ndryshme grimcash. Ky mund të jetë një çift kuark-antiquarku, bozonet W, ose leptonet më masive, grimcat tau. Në disa raste, këto zbërthime janë jashtëzakonisht të vështira për t'u dalluar nga prishjet e grimcave të tjera, jo vetëm të Higgs. Në të tjerat, nuk mund të regjistrohet në mënyrë të besueshme nga detektorë. Megjithëse detektorët LHC janë instrumentet matëse më të sakta dhe më të fuqishme të bëra nga njerëzit, ata nuk mund të matin gjithçka. Transformimi i Higgs-it në katër leptone zbulohet më së miri nga detektorët. Sidoqoftë, probabiliteti i kësaj ngjarje është shumë i vogël - vetëm 0.013%.

Megjithatë, mbi gjashtë muaj eksperimente, kur qindra miliona përplasje protonike ndodhin në një sekondë në përplasës, u identifikuan deri në 5 raste të tilla me katër lepton. Për më tepër, ato u regjistruan në dy detektorë gjigantë të ndryshëm: ATLAS dhe CMS. Sipas një llogaritjeje të pavarur duke përdorur të dhëna nga njëri dhe tjetri detektor, masa e grimcave ishte afërsisht 125 GeV, që korrespondon me parashikimin teorik për bozonin Higgs.

Për të konfirmuar plotësisht dhe saktë se grimca e zbuluar ishte pikërisht bozoni Higgs, duheshin kryer shumë eksperimente të tjera. Dhe përkundër faktit se bozoni Higgs tani është zbuluar, eksperimentet në një numër rastesh ndryshojnë nga teoria, kështu që Modeli standard Shumë shkencëtarë besojnë se ka shumë të ngjarë pjesë e një teorie më të avancuar që ende nuk është zbuluar.

Zbulimi i bozonit Higgs është padyshim një nga zbulimet kryesore të shekullit të 21-të. Zbulimi i tij është një hap i madh për të kuptuar strukturën e botës. Nëse nuk do të ishte për të, të gjitha grimcat do të ishin pa masë, si fotonet, dhe asgjë nga e cila përbëhet Universi ynë material nuk do të ekzistonte. Bozoni Higgs është një hap drejt të kuptuarit se si funksionon universi. Bozoni Higgs madje është quajtur grimca perëndie ose grimca e mallkuar. Megjithatë, vetë shkencëtarët preferojnë ta quajnë atë bozoni i shisheve të shampanjës. Në fund të fundit, një ngjarje si zbulimi i bozonit Higgs mund të festohet për vite me rradhë.

Miq, sot na e hodhëm mendjen me bozon Higgs. Dhe nëse tashmë jeni të lodhur duke e mbushur mendjen me rutinë të pafundme ose detyra studimore dërrmuese, drejtohuni te . Si gjithmonë, ne do t'ju ndihmojmë të zgjidhni shpejt dhe me efikasitet çdo problem.