“Il bosone di Higgs è stato scoperto. Qual è il prossimo? La scoperta tanto attesa: il bosone di Higgs Massa del bosone di Higgs in kg
In termini semplici, il bosone di Higgs è la particella più costosa di tutti i tempi. Se fossero bastati un tubo a vuoto e un paio di menti brillanti, ad esempio, la ricerca del bosone di Higgs avrebbe richiesto la creazione di energia sperimentale raramente vista sulla Terra. Il Large Hadron Collider non ha bisogno di presentazioni, essendo uno degli esperimenti scientifici più famosi e di successo, ma il suo profilo particellare, come prima, è avvolto nel mistero per la maggior parte della popolazione. È stata chiamata la Particella di Dio, ma grazie agli sforzi di letteralmente migliaia di scienziati, non dobbiamo più dare per scontata la sua esistenza.
L'ultima incognita
Cos'è e qual è l'importanza della sua scoperta? Perché è diventato oggetto di così tanta pubblicità, finanziamenti e disinformazione? Per due ragioni. Innanzitutto, era l’ultima particella da scoprire necessaria per confermare il Modello Standard della fisica. La sua scoperta ha fatto sì che un'intera generazione di pubblicazioni scientifiche non fosse stata vana. In secondo luogo, questo bosone conferisce ad altre particelle la loro massa, il che gli conferisce un significato speciale e una certa “magia”. Tendiamo a pensare alla massa come una proprietà intrinseca delle cose, ma i fisici la pensano diversamente. In termini semplici, il bosone di Higgs è una particella senza la quale fondamentalmente non esiste massa.
Un campo in più
La ragione risiede nel cosiddetto campo di Higgs. Fu descritto anche prima del bosone di Higgs, poiché i fisici lo calcolarono per le esigenze delle proprie teorie e osservazioni, che richiedevano la presenza di un nuovo campo, la cui azione si estenderebbe all'intero Universo. Rafforzare le ipotesi inventando nuove parti dell’universo è pericoloso. In passato, ad esempio, ciò ha portato alla creazione della teoria dell'etere. Ma più calcoli matematici venivano effettuati, più i fisici si rendevano conto che il campo di Higgs doveva esistere nella realtà. L'unico problema era la mancanza di possibilità pratiche per osservarlo.
Nel Modello Standard, i fisici ottengono la massa attraverso un meccanismo basato sull’esistenza del campo di Higgs che permea tutto lo spazio. Crea bosoni di Higgs, che richiedono grandi quantità di energia, e questo è il motivo principale per cui gli scienziati hanno bisogno di moderni acceleratori di particelle per condurre esperimenti ad alta energia.
Da dove viene la massa?
La forza delle interazioni nucleari deboli diminuisce rapidamente con l’aumentare della distanza. Secondo la teoria quantistica dei campi, ciò significa che le particelle coinvolte nella sua creazione - i bosoni W e Z - devono avere massa, a differenza dei gluoni e dei fotoni, che non hanno massa.
Il problema è che le teorie di Gauge si occupano solo di elementi privi di massa. Se i bosoni di gap hanno massa, allora tale ipotesi non può essere ragionevolmente definita. Il meccanismo di Higgs evita questo problema introducendo un nuovo campo chiamato campo di Higgs. Alle alte energie, i bosoni di gauge non hanno massa e l’ipotesi funziona come previsto. A basse energie, il campo provoca la rottura della simmetria, che consente agli elementi di avere massa.
Cos'è il bosone di Higgs?
Il campo di Higgs produce particelle chiamate bosoni di Higgs. La teoria non specifica la loro massa, ma a seguito dell'esperimento si è stabilito che è pari a 125 GeV. In termini semplici, l’esistenza del bosone di Higgs ha finalmente confermato il Modello Standard.
Il meccanismo, il campo e il bosone prendono il nome dallo scienziato scozzese Peter Higgs. Sebbene non sia stato il primo a proporre questi concetti, ma, come spesso accade in fisica, si è rivelato semplicemente quello da cui prendono il nome.
Rottura della simmetria
Si credeva che il campo di Higgs fosse responsabile del fatto che le particelle che non avrebbero dovuto avere massa l'avessero. Questo è un mezzo universale che conferisce alle particelle prive di massa masse diverse. Questa violazione della simmetria è spiegata per analogia con la luce: tutte le lunghezze d'onda si muovono nel vuoto alla stessa velocità, ma in un prisma ciascuna lunghezza d'onda può essere isolata. Questa è, ovviamente, un'analogia errata, poiché la luce bianca contiene tutte le lunghezze d'onda, ma l'esempio mostra come il campo di Higgs sembra creare massa a causa della rottura della simmetria. Il prisma rompe la simmetria della velocità delle diverse lunghezze d'onda della luce separandole, e si pensa che il campo di Higgs rompa la simmetria di massa di alcune particelle che altrimenti sarebbero simmetricamente prive di massa.
Come spiegare il bosone di Higgs in termini semplici? Solo di recente i fisici si sono accorti che se il campo di Higgs esistesse davvero, la sua azione richiederebbe la presenza di un opportuno portatore con proprietà che lo rendano osservabile. Si presumeva che questa particella appartenesse ai bosoni. Il bosone di Higgs in parole povere è la cosiddetta forza portante, la stessa dei fotoni, che sono i portatori del campo elettromagnetico dell'Universo. I fotoni, in un certo senso, sono eccitazioni locali del suo campo, proprio come il bosone di Higgs è un'eccitazione locale del suo campo. Dimostrare l'esistenza di una particella con le proprietà attese dai fisici equivaleva in realtà alla prova diretta dell'esistenza di un campo.
Sperimentare
Molti anni di pianificazione hanno permesso al Large Hadron Collider (LHC) di diventare un esperimento sufficiente a confutare potenzialmente la teoria del bosone di Higgs. L'anello di 27 km di elettromagneti super potenti può accelerare le particelle cariche fino a frazioni significative, provocando collisioni di forza sufficiente per separarle in componenti, oltre a deformare lo spazio attorno al punto di impatto. Secondo i calcoli, con un'energia di collisione sufficientemente elevata, un bosone può caricarsi in modo tale da decadere e ciò può essere osservato. Questa energia era così grande che alcuni furono addirittura presi dal panico e predissero la fine del mondo, e l'immaginazione di altri era così sfrenata che la scoperta del bosone di Higgs fu descritta come un'opportunità per guardare in una dimensione alternativa.
Conferma finale
Le osservazioni iniziali in realtà sembravano confutare le previsioni e non è stato trovato alcun segno della particella. Alcuni dei ricercatori coinvolti nella campagna per spendere miliardi di dollari sono apparsi anche in televisione e hanno dichiarato docilmente che confutare una teoria scientifica è altrettanto importante quanto confermarla. Dopo qualche tempo, però, le misurazioni iniziarono a dare un quadro generale e il 14 marzo 2013 il CERN annunciò ufficialmente la conferma dell'esistenza della particella. Esistono prove che suggeriscono l'esistenza di più bosoni, ma questa idea necessita di ulteriori studi.
Due anni dopo che il CERN aveva annunciato la scoperta della particella, gli scienziati che lavoravano al Large Hadron Collider sono stati in grado di confermarla. Da un lato, questa è stata un'enorme vittoria per la scienza, ma dall'altro molti scienziati sono rimasti delusi. Se qualcuno sperava che il bosone di Higgs fosse la particella che avrebbe portato a regioni strane e meravigliose oltre il Modello Standard - supersimmetria, materia oscura, energia oscura - allora, sfortunatamente, questo non è stato il caso.
Uno studio pubblicato su Nature Physics ha confermato il decadimento in fermioni. prevede che, in termini semplici, il bosone di Higgs è la particella che conferisce la massa ai fermioni. Il rilevatore CMS del collisore ha finalmente confermato il loro decadimento in fermioni: quark down e leptoni tau.
Il bosone di Higgs in parole povere: cos'è?
Questo studio ha confermato definitivamente che si tratta del bosone di Higgs previsto dal Modello Standard della fisica delle particelle. Si trova nella regione di massa-energia di 125 GeV, non ha spin e può decadere in molti elementi più leggeri: coppie di fotoni, fermioni, ecc. Grazie a ciò, possiamo dire con sicurezza che il bosone di Higgs, in termini semplici, è una particella, che dà massa a tutto.
Il comportamento standard dell'elemento appena scoperto è stato deludente. Se il suo decadimento fosse anche leggermente diverso, sarebbe correlato ai fermioni in modo diverso e emergerebbero nuove linee di ricerca. D’altra parte, ciò significa che non abbiamo fatto un passo oltre il Modello Standard, che non tiene conto della gravità, dell’energia oscura, della materia oscura e di altri bizzarri fenomeni della realtà.
Ora possiamo solo immaginare cosa li abbia causati. La teoria più popolare è la supersimmetria, che afferma che ogni particella del Modello Standard ha un superpartner incredibilmente pesante (costituisce quindi il 23% dell’Universo: la materia oscura). L’aggiornamento del collisore per raddoppiare la sua energia di collisione fino a 13 TeV consentirà probabilmente il rilevamento di queste superparticelle. Altrimenti, la supersimmetria dovrà attendere la costruzione di un successore più potente dell’LHC.
Prospettive future
Allora come sarà la fisica dopo il bosone di Higgs? L'LHC ha riaperto di recente con importanti miglioramenti ed è in grado di vedere di tutto, dall'antimateria all'energia oscura. Si ritiene che interagisca con quello normale esclusivamente attraverso la gravità e attraverso la creazione di massa, e il significato del bosone di Higgs è fondamentale per comprendere esattamente come ciò avvenga. Il principale difetto del Modello Standard è che non può spiegare la forza di gravità – un modello del genere potrebbe essere chiamato Teoria della Grande Unificazione – e alcuni credono che la particella e il campo di Higgs possano fornire il ponte che i fisici sono così disperatamente alla ricerca.
L'esistenza del bosone di Higgs è stata confermata, ma la sua completa comprensione è ancora molto lontana. Gli esperimenti futuri confuteranno la supersimmetria e l’idea della sua decomposizione nella stessa materia oscura? Oppure confermeranno ogni minimo dettaglio delle previsioni del modello standard sulle proprietà del bosone di Higgs, e quest'area di ricerca sarà finita per sempre?
Possiamo scommettere una grossa somma che la maggior parte di voi (comprese le persone interessate alla scienza) non ha una buona idea di cosa hanno trovato i fisici al Large Hadron Collider, perché lo hanno cercato così a lungo e cosa succederà dopo .
Pertanto, una breve storia su cosa sia il bosone di Higgs.
Dobbiamo partire dal fatto che le persone generalmente sono molto povere nell'immaginare nella loro mente cosa sta accadendo nel microcosmo, sulla scala delle particelle elementari.
Ad esempio, molte persone a scuola immaginano che gli elettroni siano piccole palline gialle, come mini-pianeti, che ruotano attorno al nucleo di un atomo, o assomiglino a un lampone composto da protoni-neutroni rossi e blu. Coloro che hanno una certa familiarità con la meccanica quantistica attraverso i libri popolari immaginano le particelle elementari come nuvole sfocate. Quando ci viene detto che qualsiasi particella elementare è anche un'onda, immaginiamo le onde del mare (o dell'oceano): la superficie di un mezzo tridimensionale che oscilla periodicamente. Se ci viene detto che una particella è un evento in un certo campo, immaginiamo un campo (qualcosa che ronza nel vuoto, come una scatola del trasformatore).
Tutto questo è molto brutto. Le parole "particella", "campo" e "onda" riflettono la realtà in modo estremamente scarso e non c'è modo di immaginarle. Qualunque immagine visiva ti venga in mente sarà errata e interferirà con la comprensione. Le particelle elementari non sono qualcosa che in linea di principio può essere visto o “toccato”, e noi, discendenti delle scimmie, siamo progettati per immaginare solo queste cose. Non è vero che un elettrone (o un fotone, o un bosone di Higgs) “è sia una particella che un’onda”; questo è qualcosa di terzo, per il quale non sono mai esistite parole nella nostra lingua (in quanto non necessarie). Noi (nel senso dell'umanità) sappiamo come si comportano, possiamo fare dei calcoli, possiamo fare esperimenti con loro, ma non riusciamo a trovarne una buona immagine mentale, perché le cose che sono almeno approssimativamente simili alle particelle elementari non lo sono trovato affatto sulla nostra scala.
I fisici professionisti non cercano di immaginare visivamente (o in altro modo in termini di sentimenti umani) cosa sta succedendo nel micromondo; questa è una brutta strada, non porta da nessuna parte. Sviluppano gradualmente una certa intuizione su quali oggetti vivono lì e cosa accadrà loro se fanno questo e quello, ma è improbabile che un non professionista sia in grado di duplicarlo.
Quindi spero che tu non pensi più alle palline. Ora parliamo di cosa stavano cercando e trovando al Large Hadron Collider.
La teoria generalmente accettata su come funziona il mondo su scala più piccola è chiamata Modello Standard. Secondo lei, il nostro mondo funziona così. Contiene diversi tipi di materia fondamentalmente diversi che interagiscono tra loro in modi diversi. A volte è conveniente parlare di interazioni come lo scambio di determinati “oggetti” di cui si può misurare la velocità, la massa, accelerarli o spingerli l’uno contro l’altro, ecc. In alcuni casi è conveniente chiamarli (e pensarli) come particelle portatrici. Nel modello sono presenti 12 tipi di tali particelle. Ti ricordo che tutto ciò di cui scrivo adesso è ancora inesatto e profanatorio; ma, spero, ancora molto meno di quanto riportato dalla maggior parte dei media. (Ad esempio, "L'Eco di Mosca" del 4 luglio si è distinto con la frase "5 punti sulla scala sigma"; gli addetti ai lavori lo apprezzeranno).
In un modo o nell'altro, 11 delle 12 particelle del Modello Standard sono già state osservate in precedenza. Il 12° è un bosone corrispondente al campo di Higgs, ciò che dà la massa a molte altre particelle. Un'analogia molto buona (ma, ovviamente, anche errata), che non è stata inventata da me: immagina un tavolo da biliardo perfettamente liscio su cui ci sono palle da biliardo - particelle elementari. Si disperdono facilmente in direzioni diverse e si muovono ovunque senza interferenze. Ora immagina che il tavolo sia ricoperto da una sorta di massa appiccicosa che impedisce il movimento delle particelle: questo è il campo di Higgs, e la misura in cui una particella aderisce a tale rivestimento è la sua massa. Il campo di Higgs non interagisce in alcun modo con alcune particelle, ad esempio con i fotoni, e la loro massa, di conseguenza, è zero; si può immaginare che i fotoni siano come un disco da hockey e il rivestimento non si noti affatto.
Tutta questa analogia non è corretta, ad esempio, perché la massa, a differenza del nostro rivestimento appiccicoso, impedisce alla particella di muoversi, ma di accelerare, ma dà una certa illusione di comprensione.
Il bosone di Higgs è la particella corrispondente a questo “campo appiccicoso”. Immagina di colpire molto forte un tavolo da biliardo, danneggiando il feltro e schiacciando una piccola quantità di sostanza appiccicosa in una piega simile a una bolla che rifluisce rapidamente fuori. Questo è.
In realtà, questo è esattamente ciò che il Large Hadron Collider ha fatto in tutti questi anni, e questo è più o meno come si presentava il processo per ottenere il bosone di Higgs: colpiamo il tavolo con tutte le nostre forze finché il tessuto stesso inizia a trasformarsi da un punto molto superficie statica, dura e appiccicosa in qualcosa di più interessante (o finché non accade qualcosa di ancora più meraviglioso, non previsto dalla teoria). Ecco perché l’LHC è così grande e potente: hanno già provato ad arrivare al tavolo con meno energia, ma senza successo.
Ora riguardo al famigerato 5 sigma. Il problema con il processo di cui sopra è che possiamo solo bussare e sperare che ne venga fuori qualcosa; Non esiste una ricetta garantita per ottenere il bosone di Higgs. Peggio ancora, quando finalmente verrà al mondo, dobbiamo avere il tempo di registrarlo (naturalmente è impossibile vederlo ed esiste solo per un'insignificante frazione di secondo). Qualunque sia il rilevatore che usiamo, possiamo solo dire che sembra che potremmo aver osservato qualcosa di simile.
Ora immaginiamo di avere un dado speciale; cade casualmente su una delle sei facce, ma se il bosone di Higgs è vicino ad esso in quel preciso momento, le sei facce non cadranno mai. Questo è un tipico rilevatore. Se lanciamo i dadi una volta e allo stesso tempo colpiamo il tavolo con tutte le nostre forze, nessun risultato ci dirà nulla: è uscito 4? Un evento piuttosto probabile. Hai tirato un 6? Forse abbiamo semplicemente colpito leggermente il tavolo nel momento sbagliato e il bosone, sebbene esistesse, non ha avuto il tempo di nascere al momento giusto o, al contrario, è riuscito a decadere.
Ma possiamo fare questo esperimento più volte, e anche molte volte! Ottimo, lanciamo i dadi 60.000.000 di volte. Diciamo che i sei sono usciti "solo" 9.500.000 di volte, e non 10.000.000; questo significa che di tanto in tanto appare un bosone, o è solo una coincidenza accettabile - non crediamo che il dado debba dare come risultato un sei liscio 10 milioni di volte su 60?
Beh, eh. Queste cose non possono essere valutate a occhio; è necessario considerare quanto è grande la deviazione e come si collega a possibili incidenti. Maggiore è la deviazione, meno probabile è che l'osso si sia adagiato così per sbaglio, e maggiore è la probabilità che di tanto in tanto (non sempre) si formi una nuova particella elementare che gli impedisce di giacere come un sei. È conveniente esprimere lo scostamento dalla media in “sigma”. “Un sigma” è il livello di deviazione “più atteso” (il suo valore specifico può essere calcolato da qualsiasi studente del terzo anno della Facoltà di Fisica o Matematica). Se ci sono molti esperimenti, la deviazione di 5 sigma è il livello in cui l'opinione "la casualità è improbabile" si trasforma in una fiducia assolutamente ferma.
I fisici hanno annunciato il 4 luglio il raggiungimento di questo livello di deviazioni su due diversi rilevatori. Entrambi i rilevatori si comportavano in modo molto simile a come si comporterebbero se la particella prodotta colpendo forte il tavolo fosse in realtà un bosone di Higgs; A rigor di termini, ciò non significa che questo sia esattamente ciò che abbiamo di fronte a noi; dobbiamo misurarne ogni sorta di altre caratteristiche con ogni sorta di altri rilevatori. Ma i dubbi restano pochi.
Infine, su cosa ci aspetta in futuro. È stata scoperta la “nuova fisica” e fatto un passo avanti che ci aiuterà a creare motori iperspaziali e carburante assoluto? NO; e anche viceversa: è diventato chiaro che in quella parte della fisica che studia le particelle elementari i miracoli non accadono, e la natura è strutturata quasi come i fisici avevano sempre supposto (beh, o quasi). È anche un po' triste.
La situazione è complicata dal fatto che sappiamo con assoluta certezza che in linea di principio non può essere strutturata esattamente così. Il Modello Standard è puramente matematicamente incompatibile con la teoria generale della relatività di Einstein, ed entrambi semplicemente non possono essere veri allo stesso tempo.
E dove scavare adesso non è ancora molto chiaro (non è che non ci siano affatto pensieri, anzi, al contrario: ci sono troppe possibilità teoriche diverse, e ci sono molti meno modi per testarle). Beh, forse è chiaro a qualcuno, ma certamente non a me. Già sono andato oltre le mie competenze in questo post molto tempo fa. Se ho mentito male da qualche parte, per favore correggimi.
Il modello sotto forma di campi fisici è stato costruito per molto tempo da molti fisici che studiano con insistenza l'Universo. Lo sviluppo di questo modello iniziò negli anni '70 del XX secolo. La sua essenza è semplice: senza il bosone di Higgs la materia non può avere massa.
Recentemente si è verificato un evento tanto atteso: la famosa “particella di Dio” è stata scoperta al CERN. La previsione si è avverata e la scienza si è avvicinata alla soluzione del mistero dell'Universo. Proviamo a immaginare come è. Per fare questo, sbriciolare un pezzo di polistirolo espanso sul tavolo. Se soffi sulle briciole risultanti, che sono analoghi alle particelle elementari, voleranno facilmente a pezzi. Ma se la superficie del tavolo è ricoperta da uno strato d'acqua, la dispersione delle briciole diventerà difficile. In questo confronto, l'acqua svolge la funzione del campo di Higgs, come se conferisse una massa alle briciole. E un analogo dei bosoni saranno le increspature della superficie dell'acqua se ci soffi sopra. L'unica differenza è che tale campo non influenza il movimento delle particelle, ma la loro accelerazione.
Campo di Higgs
Il campo di Higgs influenza le particelle che lo attraversano. Ad esempio, i fotoni possono passare attraverso questo campo in modo assolutamente libero, ma altre particelle, i bosoni W e Z, rallenteranno. Tutto ciò che ha massa interagisce con il campo di Higgs. E questo campo occupa l'intero spazio dell'Universo, come tutti gli altri campi, il campo di Higgs richiede una certa particella che porterà l'interazione, influenzando le particelle in questo campo. Questo vettore è il bosone di Higgs. È stato scoperto sperimentalmente all'LHC il 4 luglio 2012 e aveva una massa di 125 – 126 GeV/c 2 . Senza il campo di Higgs, il concetto di costruzione della materia sarebbe completamente diverso. Ma anche l'immagine dell'Universo che è emersa ora non può essere definitiva e non spiega tutte le sue proprietà. La cosmologia afferma che la stragrande maggioranza della materia nell'Universo può essere costituita da forme di materia completamente diverse. Il bosone di Higgs dovrebbe aiutare ulteriori ricerche nella comprensione di queste forme. E alcuni scienziati ottimisti stanno già cercando di mettere in pratica la scoperta. Ad esempio, se in qualche modo rimuovi il campo di Higgs, tutte le particelle elementari perderanno massa. Forse ci sarà una reale possibilità di creare l’antigravità. Tuttavia, non è noto come ciò potrebbe andare a finire e se ciò sia possibile.
Nel modello standard è consentito un solo campo di Higgs, che determina tutte le masse delle particelle elementari. Ma stanno emergendo modelli standard estesi e supersimmetrici (SSM). In questi modelli, ogni particella è associata a un superpartner che ha proprietà strettamente correlate (tuttavia, tali particelle non sono ancora state scoperte). L’SSM richiede già almeno due campi che, interagendo con le particelle, conferiscono loro massa. Questi stessi campi danno parte della massa ai superpartner. Due campi di Higgs possono produrre cinque tipi di bosoni di Higgs. Di questi, tre hanno valore neutro e due hanno ricevuto una carica. Da tali interazioni possono nascere neutrini, le cui masse sono incomparabilmente più piccole delle masse di altre particelle.
Bosone di Higgs: un presagio della morte dell'Universo?
Una delle tante opzioni per la fine del mondo si basa proprio sul bosone di Higgs. Le proprietà di questa particella conferiscono al nostro Universo uno stato instabile, che gli consente di essere assorbito da un altro Universo alternativo. Dopo qualche tempo, a causa della fluttuazione quantistica, potrebbe apparire una bolla di vuoto, che diventerà un Universo alternativo e distruggerà il nostro. L’entità della massa del bosone scoperto rende una tale catastrofe molto reale. Ma non tutto è così brutto: la fine del mondo avverrà alla velocità della luce, quindi difficilmente avremo il tempo di realizzarne le conseguenze. Si ritiene che questa catastrofe possa scoppiare in qualsiasi momento, ma molto probabilmente si svolgerà molto lontano da noi. Quindi, abbiamo un vantaggio di diversi miliardi di anni.
Come l'hanno aperto
Il Large Hadron Collider è stato costruito per cercare questa particella. Questo è probabilmente il progetto più costoso dell'intera storia dell'umanità, che incorpora le ultime conquiste di geni scientifici e ingegneristici. Solo i progetti spaziali grandiosi possono essere paragonati ad esso in termini di costi. In un anello sotterraneo lungo circa 27 km, i nuclei di idrogeno - i protoni - vengono accelerati utilizzando campi elettrici. I raggi di protoni vengono sparati in direzioni opposte. Accelerati a velocità gigantesche, leggermente inferiori alla velocità della luce, i protoni si scontrano tra loro. L'enorme energia acquisita dai protoni equivale alla massa, quindi il risultato delle collisioni di particelle massicce è la nascita di nuove particelle. Sono molto instabili e subiscono un rapido decadimento. Le tracce delle collisioni vengono registrate ed elaborate da speciali rilevatori. Studiando ripetutamente le tracce di queste collisioni, fu scoperto il bosone di Higgs.
L’importanza della scoperta del bosone di Higgs per la scienza moderna è confermata dal fatto che esso venne chiamato la “particella di Dio”.
La moderna teoria delle particelle elementari si basa su una certa simmetria tra le interazioni elettromagnetiche e quelle deboli - simmetria elettrodebole. Si ritiene che questa simmetria esistesse nell'Universo primordiale e per questo motivo le particelle inizialmente erano prive di massa, ma ad un certo punto si disintegrò spontaneamente e le particelle acquisirono massa. Nella teoria delle particelle, è stata inventata questa rottura della simmetria elettrodebole Meccanismo di Higgs. Questo è ciò che dovrà studiare l'LHC.
Per fare ciò, l'esperimento richiederà l'apertura bosone di Higgs- un'eco particellare del meccanismo di Higgs. Se questo bosone verrà trovato e studiato, i fisici impareranno come si è verificata la rottura della simmetria e potrebbero persino creare una nuova e più profonda teoria del nostro mondo. Se questo bosone non viene trovato (in nessuna forma!), allora sarà necessaria una seria revisione del Modello Standard delle particelle elementari, poiché non può funzionare senza il meccanismo di Higgs.
Tutti gli esperimenti condotti finora non hanno potuto far fronte a questo compito a causa dell'energia insufficiente delle particelle. Si prevede che il collisore LHC, con la sua energia protonica da record, fornirà risposte a tutte le domande chiave.
Un po' più di dettaglio
La moderna teoria delle particelle elementari - il Modello Standard - non si occupa tanto di elencare le particelle fondamentali quanto di descrivere le loro interazioni. Si basa sull'idea che due interazioni apparentemente diverse, come quella elettromagnetica e quella debole, sono in realtà due facce della “stessa medaglia” - Interazione elettrodebole.
Nell'ambito di questa teoria, risulta che alle alte temperature esiste una simmetria tra le interazioni deboli ed elettromagnetiche. Ma la simmetria elettrodebole è possibile solo quando le particelle fondamentali sono prive di massa, e sappiamo per esperienza che nel nostro mondo queste particelle sono massicce. Ciò significa che la simmetria deve essere rotta. Meccanismo di Higgsè proprio la forza trainante che rompe questa simmetria. Possiamo dire che il compito principale del meccanismo di Higgs è rendere massicce le particelle.
Succede così. Nella teoria quantistica, tutte le particelle non sono affatto “palle solide”, ma quanti, “pezzi” oscillanti di un campo. Gli elettroni sono oscillazioni del campo elettronico, i fotoni sono oscillazioni del campo elettromagnetico, ecc. Ogni campo ha uno stato con l'energia più bassa: si chiama "vuoto" di quel campo. Per le particelle ordinarie, il vuoto è quando non ci sono particelle, cioè quando il loro campo è zero ovunque. Se sono presenti particelle (cioè il campo non è zero ovunque), allora questo stato del campo ha un'energia maggiore di quella del vuoto.
E il campo di Higgs è strutturato in modo speciale: ha il vuoto diverso da zero. In altre parole, lo stato con l'energia più bassa del campo di Higgs è quando tutto lo spazio è permeato da un campo di Higgs di una certa intensità, contro il quale si muovono altre particelle. Le oscillazioni del campo di Higgs rispetto a questa “media del vuoto” lo sono Bosoni di Higgs, quanti del campo di Higgs.
La presenza onnipresente del campo di Higgs di fondo influenza il movimento delle particelle in un modo rigorosamente definito - rendendolo difficile accelerazione particelle, ma non interferisce con il loro movimento uniforme. Le particelle diventano più inerti; sotto l'influenza di forze esterne iniziano a muoversi con riluttanza - in altre parole, si sviluppano peso. Questa massa è tanto maggiore quanto più fortemente “si aggrappano” al campo di Higgs. Tuttavia, alcune particelle, come i fotoni, non si attaccano direttamente al campo di Higgs e rimangono prive di massa.
Esistono molti tentativi di spiegare l'essenza del meccanismo di Higgs sulle dita, con le parole più semplici. Alcuni di essi sono riportati nella pagina Meccanismo di Higgs in analogie.
Anche i bosoni di Higgs sono massicci perché il campo di Higgs interagisce con se stesso. Una caratteristica distintiva dei bosoni di Higgs è che interagiscono con particelle diverse in proporzione alla loro massa: dopo tutto, la media del vuoto di Higgs e il bosone di Higgs sono due manifestazioni dello stesso campo di Higgs. Questa proprietà dei bosoni di Higgs è molto importante per la loro ricerca all'LHC.
Si sa tutto del meccanismo di Higgs?
Affatto! Inoltre, di lui si sa molto, molto poco.
Il fatto è che quasi tutti i dati sperimentali su cui è “cresciuto” il Modello Standard richiedono solo il fatto stesso violazioni di simmetria, ma non dicono quasi nulla sul suo meccanismo. Pertanto, il problema ora non è che i fisici non sappiano come spiegare la violazione della simmetria elettrodebole, ma che hanno già escogitato molte opzioni questa violazione.
Alcuni di essi sono molto semplici, come nel Modello Standard, altri sono semplici concettualmente, ma un po' più complessi nell'esecuzione (ad esempio, nei modelli con diversi bosoni di Higgs), e alcuni si basano su idee fondamentalmente nuove, come la supersimmetria. , spazi multidimensionali o un nuovo tipo di interazione . Tutte queste opzioni sono chiamate collettivamente " meccanismi di Higgs non minimi" Quale sarà il più vicino alla realtà lo sapremo dopo diversi anni di funzionamento dell’LHC.
È possibile fare a meno del meccanismo di Higgs?
In linea di principio sì, ma poi inevitabilmente ti ritroverai con una teoria molto più esotica del Modello Standard con il solito meccanismo di Higgs.
Qui è necessario comprendere la catena logica. Se accettiamo l’idea della simmetria elettrodebole, allora questa simmetria deve essere rotta in qualche modo. Il meccanismo di Higgs è il modo più naturale e minimo di tale violazione. Esistono tentativi di costruire un meccanismo privo di Higgs, ma sono tutti molto esotici e richiedono l'introduzione di nuove particelle, interazioni o persino coordinate spaziali. Naturalmente, sarebbe molto interessante se un modello del genere fosse realizzato nel nostro mondo, ma dal punto di vista della costruzione dei modelli, si tratta di teorie molto più complesse e meno naturali del meccanismo di Higgs.
Se non accettiamo l'idea della simmetria elettrodebole, allora il meccanismo di Higgs non sarà più necessario, ma allora sarà necessario creare una diversa teoria delle interazioni deboli che spiegherebbe tutte le proprietà osservate delle particelle. Permettetemi di ricordarvi che il Modello Standard non solo affronta perfettamente questo problema, ma è sulla sua base che le proprietà dei bosoni W e Z responsabili dell'interazione debole sono state previste e poi confermate sperimentalmente. Non esiste ancora un’altra teoria che possa sostituire il Modello Standard.
Il meccanismo di Higgs risponde a tutte le domande?
Ancora una volta, no. Il meccanismo di Higgs non spiega tutto, completa solo il Modello Standard, rendendolo una teoria adatta per calcoli ad energie molto inferiori a 1 TeV.
Pertanto sorgono problemi quando si tenta di estrapolare il Modello Standard a energie molto elevate. Sottolineiamo che questi non sono problemi del meccanismo di Higgs stesso, ma dell'intero Modello Standard. Riflettono il fatto che la MS non è completa ed è solo una teoria “approssimativa” che funziona bene solo a basse energie.
Alle alte energie, invece del Modello Standard, dovrebbe funzionare una teoria nuova, più profonda e non ancora costruita, in cui questi problemi saranno (parzialmente?) risolti. Di che tipo di teoria si tratti non si sa con certezza, ma ci sono già molti sviluppi. Pertanto, il compito principale di LHC è cercare di intravedere almeno le manifestazioni di questa teoria per capire dove muoversi dopo. La maggior parte dei fisici è convinta che ciò possa essere raggiunto proprio attraverso la ricerca sul meccanismo di Higgs.
Letteratura aggiuntiva:
- Informazioni di base sul meccanismo di Higgs possono essere trovate nel libro di L. B. Okun “ Fisica delle particelle"(a livello di parole e immagini) e " Leptoni e quark"(a un livello serio ma accessibile).
- S. Dawson. Introduzione alla rottura della simmetria elettrodebole // hep-ph/9901280 - lezioni di 83 pagine sul meccanismo di Higgs e sulle proprietà del bosone di Higgs nel Modello Standard e nelle teorie supersimmetriche.
- C.Quigg. Rottura spontanea della simmetria come base della massa delle particelle // Rappresentante. Progr. Fis. 70 1019–1053 (2007); l'articolo è liberamente disponibile.
Tutti ricordano il clamore attorno alla scoperta del bosone di Higgs nel 2012. Tutti ricordano, ma molti ancora non capiscono appieno che tipo di vacanza fosse? Abbiamo deciso di capirlo, illuminarci e allo stesso tempo parlare di cos'è il bosone di Higgs in parole semplici!
Modello Standard e bosone di Higgs
Cominciamo dall'inizio. Le particelle sono divise in bosoni E fermioni. I bosoni sono particelle con spin intero. Fermioni - con semiintero.
Il bosone di Higgs è una particella elementare prevista teoricamente nel 1964. Un bosone elementare che nasce dal meccanismo di rottura spontanea della simmetria elettrodebole.
È chiaro? Non bene. Per renderlo più chiaro, dobbiamo parlare Modello standard.
Modello standard– uno dei principali modelli moderni per descrivere il mondo. Descrive l'interazione delle particelle elementari. Come sappiamo, nel mondo esistono 4 interazioni fondamentali: gravitazionale, forte, debole ed elettromagnetica. Non consideriamo immediatamente la gravità, perché ha natura diversa e non è inclusa nel modello. Ma le interazioni forti, deboli ed elettromagnetiche sono descritte nel quadro del modello standard. Inoltre, secondo questa teoria, la materia è composta da 12 particelle elementari fondamentali: fermioni. Bosoni Sono anche portatori di interazioni. Puoi candidarti direttamente sul nostro sito web.
Quindi, di tutte le particelle previste nel modello standard, quella che non è stata rilevata sperimentalmente lo è stata bosone di Higgs. Secondo il Modello Standard, questo bosone, essendo un quanto del campo di Higgs, è responsabile del fatto che le particelle elementari abbiano massa. Immaginiamo che le particelle siano palle da biliardo poste sulla tovaglia di un tavolo. In questo caso il tessuto è il campo di Higgs, che fornisce la massa delle particelle.
Come è stato cercato il bosone di Higgs?
Non è possibile rispondere con precisione alla domanda su quando sia stato scoperto il bosone di Higgs. Dopotutto, è stato previsto teoricamente nel 1964 e la sua esistenza è stata confermata sperimentalmente solo nel 2012. E per tutto questo tempo hanno cercato l'inafferrabile bosone! Hanno cercato a lungo e duramente. Prima dell'LHC, al CERN operava un altro acceleratore, il collisore elettrone-positrone. C'era anche un Tevatron nell'Illinois, ma la sua potenza non era sufficiente per portare a termine il compito, anche se gli esperimenti, ovviamente, hanno prodotto alcuni risultati.
Il fatto è che il bosone di Higgs è una particella pesante ed è molto difficile da rilevare. L'essenza dell'esperimento è semplice, l'implementazione e l'interpretazione dei risultati sono complesse. Due protoni vengono presi a velocità prossima alla luce e si scontrano frontalmente. I protoni, costituiti da quark e antiquark, si disintegrano in seguito a una collisione così potente e compaiono molte particelle secondarie. Fu tra questi che fu cercato il bosone di Higgs.
Il problema è che l’esistenza di questo bosone può essere confermata solo indirettamente. Il periodo durante il quale esiste il bosone di Higgs è estremamente piccolo, così come la distanza tra i punti di scomparsa e di apparizione. È impossibile misurare direttamente tale tempo e distanza. Ma l’Higgs non scompare senza lasciare traccia e può essere calcolato dai “prodotti di decadimento”.
Sebbene tale ricerca sia molto simile alla ricerca di un ago in un pagliaio. E nemmeno in uno, ma in tutto il campo dei pagliai. Il fatto è che il bosone di Higgs decade con probabilità diverse in diversi “insiemi” di particelle. Potrebbe trattarsi di una coppia quark-antiquark, di bosoni W o dei leptoni più massicci, le particelle tau. In alcuni casi, questi decadimenti sono estremamente difficili da distinguere dai decadimenti di altre particelle, non solo dal bosone di Higgs. In altri, non può essere registrato in modo affidabile dai rilevatori. Sebbene i rilevatori dell’LHC siano gli strumenti di misura più accurati e potenti realizzati dall’uomo, non possono misurare tutto. La trasformazione di Higgs in quattro leptoni viene rilevata meglio dai rilevatori. Tuttavia, la probabilità che questo evento si verifichi è molto piccola: solo lo 0,013%.
Tuttavia, in sei mesi di esperimenti, quando nel collisore si verificano centinaia di milioni di collisioni di protoni in un secondo, sono stati identificati fino a 5 casi di quattro leptoni. Inoltre, sono stati registrati su due diversi rivelatori giganti: ATLAS e CMS. Secondo un calcolo indipendente utilizzando i dati dell'uno e dell'altro rivelatore, la massa delle particelle era di circa 125 GeV, che corrisponde alla previsione teorica per il bosone di Higgs.
Per confermare in modo completo e accurato che la particella rilevata fosse proprio il bosone di Higgs, si dovettero effettuare molti altri esperimenti. E nonostante il fatto che il bosone di Higgs sia stato ora scoperto, in molti casi gli esperimenti divergono dalla teoria, quindi Modello standard, ritengono molti scienziati, è molto probabilmente parte di una teoria più avanzata che deve ancora essere scoperta.
La scoperta del bosone di Higgs è sicuramente una delle più importanti scoperte del 21° secolo. La sua scoperta rappresenta un enorme passo avanti nella comprensione della struttura del mondo. Se non fosse per lui, tutte le particelle sarebbero prive di massa, come i fotoni, e non esisterebbe nulla di ciò che costituisce il nostro Universo materiale. Il bosone di Higgs è un passo avanti verso la comprensione di come funziona l'universo. Il bosone di Higgs è stato anche chiamato la particella divina o la particella maledetta. Tuttavia, gli stessi scienziati preferiscono chiamarlo il bosone della bottiglia di champagne. Dopotutto, un evento come la scoperta del bosone di Higgs può essere celebrato per anni.
Amici, oggi ci siamo lasciati a bocca aperta con il bosone di Higgs. E se sei già stanco di sbalordire con una routine infinita o compiti di studio travolgenti, rivolgiti a . Come sempre, ti aiuteremo a risolvere qualsiasi problema in modo rapido ed efficiente.