“Otkriven je Higgsov bozon. Što je sljedeće? Dugo očekivano otkriće: Higgsov bozon Masa Higgsovog bozona u kg
govoreći jednostavnim jezikom, Higgsov bozon najskuplja je čestica svih vremena. Ako je, na primjer, potrebna samo vakuumska cijev i nekoliko briljantnih umova, potraga za Higgsovim bozonom zahtijevala je stvaranje eksperimentalne energije kakva se rijetko viđa na Zemlji. Veliki hadronski sudarač ne treba predstavljati, jer je jedan od najpoznatijih i najuspješnijih znanstvenih eksperimenata, ali njegov profil čestice, kao i prije, obavijen je velom tajne za većinu stanovništva. Nazvan je Božjom česticom, ali zahvaljujući naporima doslovno tisuća znanstvenika, više ne moramo njegovo postojanje uzimati zdravo za gotovo.
Posljednja nepoznanica
Što je to i kolika je važnost njegovog otkrića? Zašto je postao predmet toliko pompe, financiranja i dezinformacija? Iz dva razloga. Prvo, bila je to posljednja neotkrivena čestica potrebna za potvrdu Standardnog modela fizike. Njegovo otkriće značilo je da čitava generacija znanstvenih publikacija nije bila uzaludna. Drugo, ovaj bozon drugim česticama daje njihovu masu, što mu daje posebno značenje i neku “čaroliju”. Skloni smo misliti o masi kao o intrinzičnom svojstvu stvari, ali fizičari misle drugačije. Jednostavno rečeno, Higgsov bozon je čestica bez koje masa u osnovi ne postoji.
Još jedno polje
Razlog leži u takozvanom Higgsovom polju. Opisano je i prije Higgsovog bozona, budući da su ga fizičari izračunali za potrebe vlastitih teorija i promatranja, što je zahtijevalo prisutnost novog polja čije bi se djelovanje proteglo na cijeli Svemir. Pojačavanje hipoteza izmišljanjem novih dijelova svemira je opasno. U prošlosti je to, primjerice, dovelo do stvaranja teorije o eteru. Ali što je više matematičkih izračuna bilo napravljeno, to su fizičari više shvaćali da Higgsovo polje mora postojati u stvarnosti. Jedini problem bio je nedostatak praktičnih mogućnosti promatranja.
U Standardnom modelu, fizičari dobivaju masu putem mehanizma koji se temelji na postojanju Higgsovog polja koje prožima cijeli prostor. Stvara Higgsove bozone, koji zahtijevaju velike količine energije, i to je glavni razlog zašto znanstvenici trebaju moderne akceleratore čestica za provođenje visokoenergetskih eksperimenata.
Odakle dolazi masa?
Snaga slabih nuklearnih interakcija brzo opada s povećanjem udaljenosti. Prema kvantnoj teoriji polja, to znači da čestice koje sudjeluju u njegovom stvaranju - W i Z bozoni - moraju imati masu, za razliku od gluona i fotona koji nemaju masu.
Problem je u tome što se teorije mjerenja bave samo elementima bez mase. Ako baždarni bozoni imaju masu, onda se takva hipoteza ne može razumno definirati. Higgsov mehanizam izbjegava ovaj problem uvođenjem novog polja koje se naziva Higgsovo polje. Pri visokim energijama, mjerni bozoni nemaju masu, a hipoteza radi prema očekivanjima. Pri niskim energijama, polje uzrokuje narušavanje simetrije, što omogućuje elementima da imaju masu.
Što je Higgsov bozon?
Higgsovo polje proizvodi čestice koje se nazivaju Higgsovi bozoni. Teorija ne precizira njihovu masu, ali je kao rezultat pokusa utvrđeno da je jednaka 125 GeV. Jednostavno rečeno, postojanje Higgsovog bozona konačno je potvrdilo standardni model.
Mehanizam, polje i bozon nazvani su po škotskom znanstveniku Peteru Higgsu. Iako on nije bio prvi koji je predložio te koncepte, već se, kao što to često biva u fizici, jednostavno ispostavilo da je on taj po kojem su nazvani.
Kršenje simetrije
Vjerovalo se da je Higgsovo polje odgovorno za to što čestice koje ne bi trebale imati masu imaju. Ovo je univerzalni medij koji česticama bez mase daje različite mase. Ovo narušavanje simetrije objašnjava se analogijom sa svjetlošću - sve se valne duljine kreću u vakuumu istom brzinom, ali u prizmi se svaka valna duljina može izolirati. Ovo je, naravno, netočna analogija, budući da bijela svjetlost sadrži sve valne duljine, ali primjer pokazuje kako se čini da Higgsovo polje stvara masu zbog narušavanja simetrije. Prizma razbija simetriju brzina različitih valnih duljina svjetlosti razdvajajući ih, a smatra se da Higgsovo polje narušava simetriju mase nekih čestica koje su inače simetrično bez mase.
Kako jednostavno objasniti Higgsov bozon? Tek nedavno su fizičari shvatili da bi, ako Higgsovo polje doista postoji, njegovo djelovanje zahtijevalo postojanje odgovarajućeg nosača sa svojstvima koja ga čine vidljivim. Pretpostavljalo se da ta čestica pripada bozonima. Higgsov bozon je pojednostavljeno rečeno tzv. sila prijenosnik, kao i fotoni, koji su nositelji elektromagnetskog polja Svemira. Fotoni su, u određenom smislu, njegova lokalna pobuda, baš kao što je Higgsov bozon lokalna pobuda svog polja. Dokazivanje postojanja čestice sa svojstvima koja očekuju fizičari zapravo je bilo jednako izravnom dokazu postojanja polja.
Eksperiment
Mnogo godina planiranja omogućilo je da Large Hadron Collider (LHC) postane eksperiment dovoljan da potencijalno opovrgne teoriju o Higgsovom bozonu. Prsten od 27 km super-snažnih elektromagneta može ubrzati nabijene čestice do značajnih frakcija, uzrokujući sudare dovoljne snage da ih razdvoji na komponente, kao i deformirati prostor oko točke udara. Prema proračunima, pri sudaru energije ima dovoljno visoka razina možete nabiti bozon tako da se raspadne i to se može promatrati. Ta je energija bila tolika da su neki čak paničarili i predviđali smak svijeta, a drugima je mašta bila toliko divlja da je otkriće Higgsovog bozona opisano kao prilika za pogled u alternativnu dimenziju.
Konačna potvrda
Činilo se da početna promatranja zapravo opovrgavaju predviđanja i nije se mogao pronaći nikakav znak čestice. Neki od istraživača uključenih u kampanju trošenja milijardi dolara čak su se pojavili na televiziji i krotko izjavili da je opovrgavanje znanstvene teorije jednako važno kao i njezino potvrđivanje. Nakon nekog vremena, međutim, mjerenja su počela pridonositi ukupnoj slici, a 14. ožujka 2013. CERN je službeno objavio potvrdu postojanja čestice. Postoje dokazi koji upućuju na postojanje višestrukih bozona, ali ovu ideju treba dalje proučavati.
Dvije godine nakon što je CERN objavio otkriće čestice, znanstvenici koji rade na Velikom hadronskom sudaraču uspjeli su to potvrditi. S jedne strane, bila je to velika pobjeda za znanost, ali s druge, mnogi su znanstvenici bili razočarani. Ako se netko nadao da će Higgsov bozon biti čestica koja će dovesti do čudnih i prekrasnih područja izvan Standardnog modela - supersimetrija, tamna tvar, tamna energija, - tada se, nažalost, pokazalo da to nije tako.
Studija objavljena u časopisu Nature Physics potvrdila je raspad na fermione. predviđa da je, jednostavno rečeno, Higgsov bozon čestica koja fermionima daje njihovu masu. CMS detektor sudarača konačno je potvrdio njihov raspad u fermione - down kvarkove i tau leptone.
Higgsov bozon jednostavnim rječnikom: što je to?
Ovo je istraživanje definitivno potvrdilo da se radi o Higgsovom bozonu predviđenom Standardnim modelom fizike čestica. Nalazi se u području mase i energije od 125 GeV, nema spin i može se raspasti na mnogo lakših elemenata - parove fotona, fermiona itd. Zahvaljujući tome, možemo pouzdano reći da Higgsov bozon, jednostavnim rječnikom, je čestica koja svemu daje masu.
Standardno ponašanje novootkrivenog elementa bilo je razočaravajuće. Da je njegov raspad samo malo drugačiji, bio bi drugačije povezan s fermionima i pojavile bi se nove linije istraživanja. S druge strane, to znači da nismo odmakli ni korak dalje od Standardnog modela, koji ne uzima u obzir gravitaciju, tamnu energiju, tamnu materiju i druge bizarne fenomene stvarnosti.
Sada možemo samo nagađati što ih je uzrokovalo. Najpopularnija teorija je supersimetrija, koja kaže da svaka čestica Standardnog modela ima nevjerojatno teškog superpartnera (čime se čini 23% Svemira - tamna tvar). Nadogradnja sudarača da udvostruči njegovu energiju sudara na 13 TeV vjerojatno će omogućiti detekciju ovih superčestica. U suprotnom, supersimetrija će morati pričekati na izgradnju moćnijeg nasljednika LHC-a.
Buduci izgledi
Dakle, kakva će biti fizika nakon Higgsovog bozona? LHC je nedavno ponovno otvoren s velikim poboljšanjima i sposoban je vidjeti sve, od antimaterije do tamne energije. Vjeruje se da s normalnim djeluje isključivo putem gravitacije i stvaranja mase, a značaj Higgsova bozona ključan je za razumijevanje kako se točno to događa. Glavna mana Standardnog modela je to što ne može objasniti silu gravitacije - takav model bi se mogao nazvati Velika ujedinjena teorija - a neki vjeruju da bi čestica i Higgsovo polje mogli pružiti most koji fizičari toliko žele pronaći.
Postojanje Higgsovog bozona je potvrđeno, ali je njegovo potpuno razumijevanje još jako daleko. Hoće li budući eksperimenti opovrgnuti supersimetriju i ideju o njezinoj razgradnji u samu tamnu tvar? Ili će potvrditi svaki detalj predviđanja standardnog modela o svojstvima Higgsovog bozona, i ovo područje istraživanja će biti gotovo zauvijek?
Možemo se kladiti u veliku svotu da većina vas (uključujući ljude zainteresirane za znanost) nema baš dobru predodžbu o tome što su fizičari pronašli na Velikom hadronskom sudaraču, zašto su ga tako dugo tražili i što će se sljedeće dogoditi .
Stoga, kratka priča o tome što je Higgsov bozon.
Moramo početi s činjenicom da ljudi općenito vrlo slabo zamišljaju što se događa u mikrokozmosu, na razini elementarnih čestica.
Na primjer, mnogi ljudi iz škole zamišljaju da su elektroni tako mali žute kuglice, poput mini-planeta koji se okreću oko jezgre atoma, ili pak izgleda poput maline sastavljene od crvenih i plavih protonskih neutrona. Oni koji su iole upoznati s kvantnom mehanikom iz popularnih knjiga zamišljaju elementarne čestice kao mutne oblake. Kad nam kažu da je svaka elementarna čestica također val, zamišljamo valove na moru (ili u oceanu): površinu trodimenzionalnog medija koji periodički oscilira. Ako nam se kaže da je čestica događaj u određenom polju, zamišljamo polje (nešto što bruji u praznini, poput transformatorske kutije).
Sve je ovo jako loše. Riječi “čestica”, “polje” i “val” vrlo slabo odražavaju stvarnost i ne postoji način da ih zamislite. Koja god vam vizualna slika padne na pamet bit će netočna i ometat će razumijevanje. Elementarne čestice nisu nešto što se u principu može vidjeti ili "dotaknuti", a mi, potomci majmuna, stvoreni smo da zamišljamo samo takve stvari. Nije točno da je elektron (ili foton, ili Higgsov bozon) “i čestica i val”; ovo je nešto treće, za što u našem jeziku nikada nije bilo riječi (kao nepotrebno). Mi (u smislu, čovječanstvo) znamo kako se oni ponašaju, možemo napraviti neke proračune, možemo organizirati eksperimente s njima, ali ne možemo pronaći dobru mentalnu sliku za njih, jer stvari koje su barem približno slične elementarnim česticama nisu uopće naći na našoj ljestvici.
Profesionalni fizičari ne pokušavaju vizualno (ili na bilo koji drugi način u smislu ljudskih osjećaja) zamisliti što se događa u mikrosvijetu; ovo je loš put, ne vodi nikamo. Oni postupno razvijaju neku intuiciju o tome koji predmeti tamo žive i što će im se dogoditi ako učine ovo i ono, ali neprofesionalac to vjerojatno neće moći ponoviti.
Dakle, nadam se da više ne razmišljaš o malim mudima. Sada o tome što su tražili i pronašli na Large Hadron Collideru.
Općeprihvaćena teorija o tome kako svijet funkcionira na najmanjim razmjerima naziva se standardni model. Prema njezinim riječima, naš svijet tako funkcionira. Ima nekoliko temeljnih različiti tipovi tvari koje međusobno djeluju na različite načine. Ponekad je zgodno govoriti o takvim interakcijama kao što je razmjena određenih "objekata" za koje se može mjeriti brzina, masa, ubrzati ih ili gurnuti jedan o drugi, itd. U nekim slučajevima zgodno ih je nazvati (i misliti o njima) kao čestice nosače. U modelu postoji 12 vrsta takvih čestica. Podsjećam da je sve što sada pišem još uvijek netočno i profanacija; ali, nadam se, ipak puno manje od većine medijskih izvješća. (Na primjer, “Echo of Moscow” 4. srpnja istaknuo se izrazom “5 bodova na sigma ljestvici”; oni koji znaju to će cijeniti).
Na ovaj ili onaj način, 11 od 12 čestica Standardnog modela već je promatrano prije. 12. je bozon koji odgovara Higgsovom polju - ono što mnogim drugim česticama daje masu. Vrlo dobra (ali, naravno, i netočna) analogija, koju nisam ja izmislio: zamislite savršeno gladak bilijarski stol na kojem se nalaze biljarske kugle - elementarne čestice. Lako se razlijeću različite strane i kretati se bilo gdje bez smetnji. Zamislimo sada da je stol prekriven nekom vrstom ljepljive mase koja ometa kretanje čestica: to je Higgsovo polje, a mjera u kojoj se čestica lijepi za takav premaz je njezina masa. Higgsovo polje ni na koji način ne djeluje s nekim česticama, na primjer, s fotonima, pa je njihova masa, prema tome, nula; Može se zamisliti da su fotoni poput paka u zračnom hokeju, a premaz se uopće ne primjećuje.
Cijela ta analogija je netočna, na primjer, jer masa, za razliku od našeg ljepljivog omotača, sprječava česticu da se kreće, već da ubrzava, ali daje neku iluziju razumijevanja.
Higgsov bozon je čestica koja odgovara ovom "ljepljivom polju". Zamislite da jako jako udarate o bilijarski stol, oštećujete filc i drobite malu količinu ljepljive tvari u nabor nalik mjehuriću koji brzo istječe natrag. To je to.
Zapravo, upravo je to ono što je Veliki hadronski sudarač radio svih ovih godina, a ovako je otprilike izgledao proces dobivanja Higgsovog bozona: svom snagom udaramo o stol dok se sama tkanina ne počne transformirati iz vrlo statičnu, tvrdu i ljepljivu površinu u nešto zanimljivije (ili dok se ne dogodi nešto još divnije, što nije predviđeno teorijom). Zato je LHC tako velik i moćan: već su pokušali udariti o stol s manje energije, ali bez uspjeha.
Sada o notornoj 5 sigmi. Problem s gornjim procesom je taj što možemo samo kucati i nadati se da će nešto biti od toga; Ne postoji zajamčeni recept za dobivanje Higgsovog bozona. Što je još gore, kad se konačno rodi na svijet, moramo ga imati vremena registrirati (naravno, nemoguće ga je vidjeti, a postoji samo neznatan djelić sekunde). Koji god detektor koristili, možemo samo reći da se čini da smo možda primijetili nešto slično.
Sada zamislite da imamo posebnu matricu; nasumično padne na jedno od šest lica, ali ako je Higgsov bozon baš u tom trenutku blizu njega, tada šest nikada neće ispasti. Ovo je tipičan detektor. Ako jednom bacimo kocku i pritom iz sve snage udarimo o stol, onda nam nikakav rezultat neće reći baš ništa: je li ispalo kao 4? Sasvim vjerojatan događaj. Jeste li bacili 6? Možda smo jednostavno lagano udarili o stol u krivom trenutku, a bozon, iako je postojao, nije se stigao roditi u pravom trenutku, ili se, obrnuto, uspio raspasti.
Ali ovaj eksperiment možemo izvesti nekoliko puta, pa čak i mnogo puta! Super, bacimo kockice 60.000.000 puta. Recimo da se šestica pojavila "samo" 9.500.000 puta, a ne 10.000.000; Znači li to da se bozon pojavi s vremena na vrijeme ili je to samo prihvatljiva slučajnost - ne vjerujemo da bi kocka trebala biti šestica glatko, nesmetano 10 milijuna puta od 60?
Pa uh. Takve se stvari ne mogu procijeniti na oko; morate uzeti u obzir koliko je odstupanje veliko i kako je povezano s mogućim nesrećama. Što je veće odstupanje, to je manja vjerojatnost da je kost samo slučajno tako legla, a veća je vjerojatnost da se s vremena na vrijeme (ne uvijek) pojavi neka nova elementarna čestica koja ju je spriječila da leži kao šestica. Prikladno je odstupanje od prosjeka izraziti u “sigmama”. “Jedna sigma” je razina odstupanja koja se “najočekuje” (njenu konkretnu vrijednost može izračunati svaki student treće godine Fizičkog ili Matematičkog fakulteta). Ako postoji dosta eksperimenata, tada je odstupanje od 5 sigma razina kada se mišljenje "slučajnost nije vjerojatna" pretvara u apsolutno čvrsto povjerenje.
Fizičari su 4. srpnja objavili postizanje približno ove razine odstupanja na dva različita detektora. Oba detektora ponašala su se vrlo slično onome kako bi se ponašala da je čestica nastala jakim udarcem o stol zapravo Higgsov bozon; Strogo govoreći, to ne znači da je on taj koji je ispred nas; trebamo izmjeriti sve vrste drugih njegovih karakteristika raznim drugim detektorima. No nedoumica je ostalo malo.
Za kraj o tome što nas čeka u budućnosti. Je li otkrivena “nova fizika” i je li napravljen pomak koji će nam pomoći u stvaranju hipersvemirskih motora i apsolutnog goriva? Ne; pa čak i obrnuto: postalo je jasno da se u onom dijelu fizike koji proučava elementarne čestice čuda ne događaju, a priroda je ustrojena gotovo onako kako su fizičari cijelo vrijeme pretpostavljali (dobro, ili gotovo tako). Čak je i pomalo tužno.
Situacija je komplicirana činjenicom da sa apsolutnom sigurnošću znamo da u načelu ne može biti strukturirana baš ovako. Standardni model je čisto matematički nekompatibilan s Einsteinovom općom teorijom relativnosti i oboje jednostavno ne mogu biti istiniti u isto vrijeme.
A gdje sada kopati, još nije sasvim jasno (nije da uopće nema razmišljanja, već naprotiv: previše je različitih teorijskih mogućnosti, a puno je manje načina da ih se provjeri). Pa, možda je nekome jasno, ali meni sigurno nije. Već sam davno izašao iz okvira svoje kompetencije na ovom mjestu. Ako sam negdje loše lagao, ispravite me.
Model u obliku fizikalnih polja gradili su jako dugo mnogi fizičari koji ustrajno proučavaju Svemir. Razvoj ovog modela započeo je 70-ih godina dvadesetog stoljeća. Njegova bit je jednostavna: bez Higgsovog bozona materija ne može imati masu.
Dogodilo se nedavno dugo očekivani događaj: Poznata “Božja čestica” otkrivena je u CERN-u. Predviđanje se obistinilo i znanost se približila rješavanju misterija svemira. Pokušajmo zamisliti kakav je on. Da biste to učinili, morate izmrviti komad polistirenske pjene na stol. Ako puhnete na dobivene mrvice, koje su analogne elementarnim česticama, lako će se razletjeti. Ali ako je površina stola prekrivena slojem vode, rasipanje mrvica bit će otežano. U ovoj usporedbi voda obavlja funkciju Higgsovog polja, kao da daje mrvicama neku masu. A analog bozona bit će mreškanje vodene površine ako puhnete u nju. Jedina razlika je u tome što takvo polje ne utječe na kretanje čestica, već na njihovo ubrzanje.
Higgsovo polje
Higgsovo polje utječe na čestice koje prolaze kroz njega. Na primjer, fotoni mogu prolaziti kroz ovo polje apsolutno slobodno, ali će druge čestice - W- i Z-bozoni - usporiti. Sve što ima masu u interakciji je s Higgsovim poljem. I ovo polje zauzima cijeli prostor Svemira Kao i sva druga polja, Higgsovo polje zahtijeva određenu česticu koja će prenositi interakciju, utječući na čestice u ovom polju. Ovaj nosač je Higgsov bozon. Eksperimentalno je otkriven u LHC-u 4. srpnja 2012. i imao je masu od 125 – 126 GeV/c 2 . Bez Higgsovog polja, koncept konstrukcije materije bio bi potpuno drugačiji, ali čak ni slika svemira koja se sada pojavila ne može biti konačna i ne objašnjava sva njegova svojstva. Kozmologija tvrdi da se velika većina materije u Svemiru može sastojati od potpuno različitih oblika materije. Higgsov bozon trebao bi pomoći u daljnjem istraživanju razumijevanja ovih oblika. A neki optimistični znanstvenici već pokušavaju to otkriće iskoristiti u praksi. Na primjer, ako nekako uklonite Higgsovo polje, tada će sve elementarne čestice izgubiti masu. Možda će postojati stvarna mogućnost stvaranja antigravitacije. No, ne zna se kako bi to moglo ispasti i je li to uopće moguće.
U standardnom modelu dopušteno je samo jedno Higgsovo polje koje određuje sve mase elementarnih čestica. No, pojavljuju se prošireni, supersimetrični standardni modeli (SSM). U tim je modelima svaka čestica povezana sa superpartnerom koji ima blisko povezana svojstva (međutim, takve čestice još nisu otkrivene). SSM već zahtijeva najmanje dva polja koja, u interakciji s česticama, daju im masu. Ta ista polja daju dio mase superpartnerima. Dva Higgsova polja mogu proizvesti pet vrsta Higgsovih bozona. Od toga tri imaju neutralnu vrijednost, a dva su dobila naplatu. Iz takvih međudjelovanja mogu nastati neutrini čije su mase neusporedivo manje od masa drugih čestica.
Higgsov bozon - vjesnik smrti svemira?
Jedna od mnogih opcija za kraj svijeta oslanja se upravo na Higgsov bozon. Svojstva ove čestice daju našem svemiru nestabilno stanje, što ga čini mogućim da ga apsorbira drugi, alternativni svemir. Nakon nekog vremena, zbog kvantne fluktuacije, može se pojaviti vakuumski mjehurić koji će postati alternativni Svemir, a uništit će naš. Veličina mase otkrivenog bozona čini takvu katastrofu vrlo stvarnom. Ali nije sve tako loše: kraj svijeta dogodit će se brzinom svjetlosti, pa je malo vjerojatno da ćemo imati vremena shvatiti njegove posljedice. Vjeruje se da bi ova katastrofa mogla izbiti svakog trenutka, ali najvjerojatnije će se odvijati vrlo daleko od nas. Dakle, imamo prednost od nekoliko milijardi godina.
Kako su ga otvorili
Veliki hadronski sudarač izgrađen je za traženje ove čestice. Ovo je vjerojatno najskuplji projekt u cijeloj povijesti čovječanstva, koji uključuje najviše najnovija dostignuća znanstveni i inženjerski geniji. Samo se grandiozni svemirski projekti mogu usporediti s njim po cijeni. U podzemnom prstenu dugom oko 27 km jezgre vodika - protoni - ubrzavaju se pomoću električnih polja. Protonske zrake ispaljuju se u suprotnim smjerovima. Ubrzani do golemih brzina, nešto manjih od brzine svjetlosti, protoni se međusobno sudaraju. Ogromna energija koju stječu protoni ekvivalentna je masi, pa je rezultat sudara masivnih čestica rađanje novih čestica. Vrlo su nestabilni i brzo se raspadaju. Tragovi sudara snimaju se i obrađuju posebnim detektorima. Uzastopnim proučavanjem tragova tih sudara otkriven je Higgsov bozon.
Važnost otkrića Higgsovog bozona za moderna znanost potvrđeno činjenicom da je nazvana “božja čestica”.
Suvremena teorija elementarnih čestica temelji se na određenoj simetriji između elektromagnetskih i slabih međudjelovanja - elektroslaba simetrija. Vjeruje se da je ta simetrija postojala u ranom Svemiru i da su zbog nje čestice u početku bile bez mase, ali se u nekoj fazi spontano pokvarila i čestice su dobile masu. U teoriji čestica, za ovo kršenje elektroslabe simetrije, izumljeno je Higgsov mehanizam. To je ono što će LHC morati proučavati.
Da biste to učinili, eksperiment će zahtijevati otvaranje Higgsov bozon- čestica-jeka Higgsovog mehanizma. Ako se ovaj bozon pronađe i prouči, fizičari će saznati kako je došlo do narušavanja simetrije i možda će čak stvoriti novu, dublju teoriju našeg svijeta. Ako se ovaj bozon ne pronađe (u bilo kojem obliku!), tada će biti potrebna ozbiljna revizija Standardnog modela elementarnih čestica, jer on ne može funkcionirati bez Higgsovog mehanizma.
Svi do sada izvedeni eksperimenti nisu se mogli nositi s tim zadatkom zbog nedovoljne energije čestica. LHC sudarač s rekordnom energijom protona trebao bi dati odgovore na sva ključna pitanja.
Još malo detalja
Moderna teorija elementarnih čestica - Standardni model - ne bavi se toliko popisom osnovnih čestica koliko opisom njihovih međudjelovanja. Temelji se na ideji da su dvije naizgled različite interakcije, kao što su elektromagnetska i slaba, zapravo dvije strane "istog novčića" - elektroslaba interakcija.
U okviru ove teorije ispada da kada visoka temperatura Postoji simetrija između slabih i elektromagnetskih međudjelovanja. Ali elektroslaba simetrija moguća je samo kada su osnovne čestice bez mase, a iz iskustva znamo da su te čestice u našem svijetu masivne. To znači da se mora narušiti simetrija. Higgsov mehanizam je upravo pokretačka snaga koja razbija ovu simetriju. Možemo reći da je glavni zadatak Higgsovog mehanizma učiniti čestice masivnim.
Događa se ovako. U kvantnoj teoriji, sve čestice uopće nisu "čvrste lopte", već kvanti, oscilirajući "komadi" polja. Elektroni su oscilacije elektroničkog polja, fotoni su oscilacije elektromagnetskog polja itd. Svako polje ima stanje s najmanjom energijom - naziva se “vakuum” tog polja. Za obične čestice vakuum je kada čestica nema, odnosno kada je njihovo polje posvuda jednako nuli. Ako su čestice prisutne (to jest, polje nije svugdje nula), tada ovo stanje polja ima energiju veću od energije vakuuma.
I Higgsovo polje je strukturirano na poseban način – ima vakuum različit od nule. Drugim riječima, stanje s najnižom energijom Higgsovog polja je kada je cijeli prostor prožet Higgsovim poljem određene jakosti, protiv kojeg se kreću druge čestice. Oscilacije Higgsovog polja u odnosu na ovaj "vakuumski prosjek" su Higgsovi bozoni, kvantima Higgsovog polja.
Sveprisutna prisutnost pozadinskog Higgsovog polja utječe na kretanje čestica na strogo definiran način – otežava ga ubrzanječestica, ali ne ometa njihovo ravnomjerno kretanje. Čestice postaju inertnije; pod utjecajem vanjskih sila počinju se pomalo nevoljko kretati - drugim riječima, razvijaju se težina. Ta je masa to veća što se jače "prilijepe" za Higgsovo polje. Međutim, neke čestice, poput fotona, ne prianjaju izravno na Higgsovo polje i ostaju bez mase.
Mnogo je pokušaja da se suština Higgsovog mehanizma objasni na prstima, najviše jednostavnim riječima. Neki od njih dati su na stranici Higgsov mehanizam u analogijama.
Higgsovi bozoni također su masivni jer je Higgsovo polje u interakciji samo sa sobom. Posebna značajka Higgsovih bozona je da oni međusobno djeluju s različitim česticama proporcionalno njihovoj masi - na kraju krajeva, Higgsov vakuumski prosjek i Higgsov bozon dvije su manifestacije istog Higgsovog polja. Ovo svojstvo Higgsovih bozona vrlo je važno za njihovu potragu na LHC-u.
Zna li se sve o Higgsovom mehanizmu?
Nikako! Štoviše, o njemu se zna jako, jako malo.
Činjenica je da gotovo svi eksperimentalni podaci na kojima je Standardni model “izrastao” zahtijevaju samo sama činjenica povrede simetrije, ali ne govore gotovo ništa o njegovom mehanizmu. Dakle, sada problem nije u tome što fizičari ne znaju kako objasniti kršenje elektroslabe simetrije, već u tome što su već došli do puno opcija ovo kršenje.
Neki od njih su vrlo jednostavni - kao u standardnom modelu, drugi su jednostavni u konceptu, ali malo složeniji u izvedbi (na primjer, u modelima s nekoliko Higgsovih bozona), a neki se temelje na fundamentalno novim idejama, kao što je supersimetrija , višedimenzionalni prostori ili novi tip interakcije . Sve ove opcije zajednički se nazivaju " neminimalni Higgsovi mehanizmi" Koji će biti bliži stvarnosti, znat će se nakon nekoliko godina rada LHC-a.
Može li se bez Higgsovog mehanizma?
U principu, da, ali tada ćete neizbježno završiti s mnogo egzotičnijom teorijom od Standardnog modela s uobičajenim Higgsovim mehanizmom.
Ovdje morate razumjeti logički lanac. Ako prihvatimo ideju elektroslabe simetrije, onda se ta simetrija mora nekako narušiti. Higgsov mehanizam je najprirodniji i minimalan način takvog kršenja. Postoje pokušaji da se izgradi mehanizam bez Higgsa, ali svi su vrlo egzotični i zahtijevaju uvođenje novih čestica, interakcija ili čak prostornih koordinata. Naravno, bit će vrlo zanimljivo ako se upravo takav model realizira u našem svijetu, ali sa stajališta konstruiranja modela, to su puno složenije i manje prirodne teorije od Higgsovog mehanizma.
Ako ne prihvatimo ideju elektroslabe simetrije, onda Higgsov mehanizam više nije potreban, ali će tada biti potrebno stvoriti drugačiju teoriju slabih međudjelovanja koja bi objasnila sva promatrana svojstva čestica. Podsjetit ću vas da Standardni model ne samo da se savršeno nosi s tim, već su upravo na njegovoj osnovi predviđena i eksperimentalno potvrđena svojstva W- i Z-bozona odgovornih za slabu interakciju. Još nema druge teorije koja bi mogla zamijeniti Standardni model.
Odgovara li Higgsov mehanizam na sva pitanja?
Opet, ne. Higgsov mehanizam ne objašnjava sve, on samo dovršava standardni model, čineći ga teorijom prikladnom za izračune pri energijama mnogo manjim od 1 TeV.
Stoga nastaju problemi kada se pokušava ekstrapolirati standardni model na vrlo visoke energije. Naglasimo da se ne radi o problemima samog Higgsovog mehanizma, već cijelog Standardnog modela. Oni odražavaju činjenicu da SM nije potpun i da je samo "približna" teorija koja dobro funkcionira samo pri niskim energijama.
Na visokim energijama bi umjesto Standardnog modela trebala proraditi neka nova, dublja i još neizgrađena teorija u kojoj će se ti problemi (djelomično?) riješiti. Ne zna se pouzdano o kakvoj se teoriji radi, ali već ima puno razvoja. Stoga je glavna zadaća LHC-a pokušati barem nazreti manifestacije ove teorije kako bismo razumjeli kamo dalje. Većina fizičara je uvjerena da se to može postići upravo istraživanjem Higgsovog mehanizma.
Dodatna literatura:
- Osnovne podatke o Higgsovom mehanizmu možete pronaći u knjizi L. B. Okuna “ Fizika čestica"(na razini riječi i slika) i " Leptoni i kvarkovi“ (na ozbiljnoj, ali pristupačnoj razini).
- S. Dawson. Introduction to Electroweak Symmetry Breaking // hep-ph/9901280 - predavanja na 83 stranice o Higgsovom mehanizmu i svojstvima Higgsovog bozona u Standardnom modelu iu supersimetričnim teorijama.
- C. Quigg. Spontano narušavanje simetrije kao osnova mase čestica // Rep. Prog. Phys. 70 1019–1053 (2007.); članak je besplatno dostupan.
Svi se sjećaju pompe oko otkrića Higgsovog bozona 2012. godine. Svi se sjećaju, ali mnogi još uvijek ne razumiju u potpunosti kakav je to bio praznik? Odlučili smo to shvatiti, prosvijetliti se, a ujedno jednostavnim riječima progovoriti o tome što je Higgsov bozon!
Standardni model i Higgsov bozon
Krenimo od samog početka. Čestice se dijele na bozoni I fermioni. Bozoni su čestice s cijelim brojem spina. Fermioni - s polucijelim brojem.
Higgsov bozon je elementarna čestica koja je teoretski predviđena još 1964. godine. Elementarni bozon koji nastaje zbog mehanizma spontanog prekida elektroslabe simetrije.
To je jasno? Nije dobro. Da bi bilo jasnije, moramo razgovarati o Standardni model.
Standardni model- jedan od glavnih moderni modeli opisi svijeta. Opisuje međudjelovanje elementarnih čestica. Kao što znamo, u svijetu postoje 4 temeljne interakcije: gravitacijska, jaka, slaba i elektromagnetska. Ne razmatramo odmah gravitaciju, jer ima drugačiju prirodu i nije uključen u model. Ali jake, slabe i elektromagnetske interakcije opisane su u okviru standardnog modela. Štoviše, prema ovoj teoriji materija se sastoji od 12 osnovnih elementarnih čestica - fermioni. bozoni Oni su također nositelji interakcija. Možete se prijaviti izravno na našoj web stranici.
Dakle, od svih čestica predviđenih u okviru standardnog modela, jedna koja je eksperimentalno ostala neotkrivena Higgsov bozon. Prema Standardnom modelu, ovaj bozon, kao kvant Higgsovog polja, odgovoran je za to što elementarne čestice imaju masu. Zamislimo da su čestice biljarske kugle postavljene na stolnjak. U ovom slučaju, tkanina je Higgsovo polje, koje daje masu čestica.
Kako se tražio Higgsov bozon?
Na pitanje kada je Higgsov bozon otkriven ne može se precizno odgovoriti. Uostalom, teoretski je predviđen još 1964., a njegovo postojanje eksperimentalno je potvrđeno tek 2012. I sve to vrijeme tražili su nedostižni bozon! Tražili su dugo i naporno. Prije LHC-a, u CERN-u je radio još jedan akcelerator, sudarač elektron-pozitron. U Illinoisu je također postojao Tevatron, ali njegova snaga nije bila dovoljna za izvršenje zadatka, iako su eksperimenti, naravno, dali određene rezultate.
Činjenica je da je Higgsov bozon teška čestica, te ju je vrlo teško detektirati. Bit eksperimenta je jednostavna, implementacija i interpretacija rezultata složena. Dva protona se približe brzini svjetlosti i sudare se frontalno. Protoni, koji se sastoje od kvarkova i antikvarkova, raspadaju se od tako snažnog sudara i pojavljuju se mnoge sekundarne čestice. Među njima se tražio Higgsov bozon.
Problem je što se postojanje ovog bozona može potvrditi samo neizravno. Period u kojem postoji Higgsov bozon iznimno je mali, kao i udaljenost između točaka nestanka i pojavljivanja. Nemoguće je izravno izmjeriti takvo vrijeme i udaljenost. Ali Higgs ne nestaje bez traga, a može se izračunati po “proizvodima raspada”.
Iako je takva potraga vrlo slična traženju igle u plastu sijena. I to ne u jednom, nego u cijelom polju stogova. Činjenica je da se Higgsov bozon s različitim vjerojatnostima raspada na različite "skupove" čestica. To bi mogao biti par kvark-antikvark, W bozoni ili najmasivniji leptoni, tau čestice. U nekim slučajevima te je raspade iznimno teško razlikovati od raspada drugih čestica, ne samo Higgsovih. U drugima se ne može pouzdano zabilježiti detektorima. Iako su LHC detektori najprecizniji i najjači mjerni instrumenti koje su napravili ljudi, oni ne mogu mjeriti sve. Higgsovu transformaciju u četiri leptona najbolje detektiramo detektorima. Međutim, vjerojatnost ovog događaja je vrlo mala - samo 0,013%.
Međutim, tijekom šest mjeseci eksperimenata, kada se u jednoj sekundi u sudaraču dogode stotine milijuna sudara protona, identificirano je čak 5 takvih četveroleptonskih slučajeva. Štoviše, snimljeni su na dva različita gigantska detektora: ATLAS i CMS. Prema neovisnom proračunu korištenjem podataka s jednog i drugog detektora, masa čestice iznosila je približno 125 GeV, što odgovara teoretskom predviđanju za Higgsov bozon.
Kako bi se potpuno i točno potvrdilo da je detektirana čestica upravo Higgsov bozon, moralo se provesti još mnogo eksperimenata. I unatoč činjenici da je Higgsov bozon sada otkriven, eksperimenti u nizu slučajeva odstupaju od teorije, pa Standardni model, vjeruju mnogi znanstvenici, najvjerojatnije je dio naprednije teorije koja tek treba biti otkrivena.
Otkriće Higgsovog bozona definitivno je jedno od najvećih otkrića 21. stoljeća. Njegovo otkriće veliki je korak u razumijevanju strukture svijeta. Da nije bilo njega, sve bi čestice bile bez mase, poput fotona, i ništa od čega se sastoji naš materijalni Svemir ne bi postojalo. Higgsov bozon korak je prema razumijevanju funkcioniranja svemira. Higgsov bozon je čak nazvan božjom česticom ili prokletom česticom. Međutim, sami ga znanstvenici radije nazivaju bozonom boce šampanjca. Uostalom, događaj kao što je otkriće Higgsovog bozona može se slaviti godinama.
Prijatelji, danas smo se oduševili Higgsovim bozonom. A ako ste već umorni od zamajavanja glave beskonačnom rutinom ili neodoljivim zadacima učenja, obratite se na . Kao i uvijek, pomoći ćemo vam da brzo i učinkovito riješite svaki problem.