Что такое бозон Хиггса и почему его так искали?

В 2012 году на пресс-конференции Европейская организация по ядерным исследованиям (CERN, ЦЕРН) сделала сенсационное заявление об открытии новой частицы, которая может быть бозоном Хиггса. Рассказываем, что это такое и почему на данный момент это самое важное научное событие в физике 21 века.

Стандартная модель и бозон Хиггса

Стандартная модель (СМ) — одна из наиболее полных концепций, описывающих устройство нашего мира. Она не совершенна, так как включает в себя только 3 фундаментальных взаимодействия элементарных частиц из 4 — сильное, слабое и электромагнитное. 

Согласно СМ, частицы делятся на:

1. Фермионы (с полуцелым спином).
2. Бозоны (с целым спином).

Бозон Хиггса — неуловимая элементарная частица, существование которой было предсказано в 1964 году в рамках объяснения «механизма Хиггса» независимо друг от друга несколькими командами ученых: Робертом Браутом и Франсуа Энглером (Брюссельский свободный университет), Г.С. Гуральником, К.Р. Хагеном и Т.В.Б. Кибболом (Имперский колледж) и, конечно, самим Питером Хиггсом, работавшим тогда в Эдинбургском университете. В СМ этот элемент является квантом поля Хиггса, которое отвечает за наличие массы электронов, мюонов и некоторых других тяжелых частиц. Сам бозон не дает массу и нужен ученым для изучения поля и механизма.

Так как долгое время никому не удавалось подтвердить существование частицы экспериментально, в науке начали появляться «бесхиггсовские модели». Открытие 2012 года их опровергло. 

Как искали бозон Хиггса?

Как мы уже сказали, существование бозона Хиггса (и некоторых тогда еще неоткрытых других элементов) было теоретически предсказано в 1964 году. С тех пор ученые активно ее искали, попутно давая неформальные названия вроде «частицы бога», «проклятой частицы» или «бозона бутылки шампанского».

Для экспериментов такого рода недостаточно лаборатории — обнаружить многие составляющие можно, сталкивая протоны на больших скоростях. В результате удара они распадаются на более мелкие частицы, среди которых и искали бозон Хиггса. 

Но и здесь все не так просто. Оказалось, что бозон Хиггса распадается на разные «наборы» частиц (пара кварк-антикварк, W-бозоны, тау-частицы). В некоторых случаях эти элементы сложно отличить от продуктов распада какой-либо другой частицы. Также не всегда есть возможность достоверной регистрации данных, хотя детекторы, например, Большого адронного коллайдера, где проводились эксперименты, — самые точные измерительные приборы, созданные человеком.

Фермилаб vs ЦЕРН

Первой попыткой найти бозон Хиггса становится Тэватрон (проект Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми, или Фермилаб)— один из мощнейших кольцевых коллайдеров, созданных человеком. Строительство этого ускорителя начинается в 1968 году и занимает 15 лет. До запуска Большого адронного коллайдера (БАК) в 2008-м Тэватрон был первым в мире по энергии столкновения частиц. 

«Частицу бога» здесь найти не удается, но тогда у ученых было много других «незакрытых» задач — например, экспериментальное подтверждение самой тяжелой из частиц t-кварка.

Также поисками бозона Хиггса занимается ЦЕРН. Мощностей Большого электрон-позитронного коллайдера оказывается недостаточно, и проект закрывается в 2000 году. К этому времени для приверженцев теории Стандартной модели поиск бозона Хиггса становится самой важной задачей. Анализ данных работы коллайдеров позволяет рассчитать новую примерную массу частицы, и к поискам снова возвращается Тэватрон.

ЦЕРН тоже не сдается и разворачивает следующий проект — мощнейший в истории человечества Большой адронный коллайдер, построенный на месте предыдущего электрон-позитронного. Запуск ускорителя частиц ожидается в 2008 году, а подготовка к нему сопровождается истерией СМИ по поводу неминуемого конца света. Этого, как мы видим, не произошло, но из-за утечки газа БАК все-таки приходится отключить. Тем временем Тэватрон продолжает работать.

Через год после аварии (2009) БАК возобновляет эксперименты, а еще через 2 года (2011) в интернет попадают непроанализированные результаты нескольких экспериментов, которые становятся причиной поспешных слухов о том, что бозон Хиггса все-таки найден. Тэватрон прекращает поиски, хотя результаты экспериментов лишь позволяют вычислить очередную более точную массу частицы. Научный мир замер в ожидании: никогда человечество еще не было так близко к разгадке.

В 2012 году БАК постепенно увеличивает энергию столкновений, и 4 июля ЦЕРН проводит пресс-конференцию, на которой сообщает об обнаружении новой частицы, которая может быть бозоном Хиггса.

Что нам это дало?

Это одно из главных научных событий 21 века. Открытие бозона Хиггса — большой шаг навстречу пониманию устройства мира и созданию Теории всего. Сейчас, когда экспериментальное подтверждение Стандартной модели наконец завершено, перед учеными стоит другая задача — разработка новых и совершенствование уже существующих теорий, которые выходят за пределы модели и охватывают большее количество частиц и взаимодействий. Например, гравитацию, темную материю, асимметрию материи и антиматерии и многое другое.

 

Если вы хотите сделать вклад в развитие Новой физики (так ученые называют физику за пределами Стандартной модели), но совершенствованию в выбранном направлении мешают второстепенные предметы, ФениксХэлп с радостью поможет. Обращайтесь к нашим специалистам с любой учебной задачей — мы поддержим вас в каждом начинании.