9 апреля 2024-го скончался британский физик Питер Хиггс, получивший Нобелевскую премию за предсказание бозона Хиггса. Рассказываем, как это открытие и последующие исследования помогли физикам сделать огромный шаг вперед
- Что такое бозон Хиггса
- Как обнаружили бозон Хиггса
- Почему бозон Хиггса так важен
- Продолжение исследований бозона Хиггса
Что такое бозон Хиггса
Бозон Хиггса — в современной теории элементарных частиц это неделимая частица, которая отвечает за механизм появления масс у некоторых других элементарных частиц.
Из курса физики известно, что атом (от греч. atomon — «то, что нельзя разделить»), когда-то считавшийся неделимой частицей, на самом деле состоит из еще более мелких частиц. Ученые, исследуя атом, продолжали поиски частиц, которые действительно оказались бы неделимыми. Они изучили ядро атома и обнаружили в нем протоны и нейтроны. Но и их можно было разделить на еще более мелкие элементы: протоны и нейтроны состоят из кварков, которые сегодня считаются неделимыми частицами — вместе с электронами и другими частицами.
Для описания физики микромира ученые разработали теорию, которую назвали Стандартной моделью. Тимур Уткузов, физик и старший методист физико-математического направления школы «ИнтернетУрок» объясняет, что Стандартная модель считается сегодня основной моделью описания микромира. В рамках модели классифицируются почти все известные в мире элементарные частицы и фундаментальные взаимодействия, кроме гравитационного, а именно: сильное, слабое и электромагнитное.
В Стандартную модель входят:
- фермионы, которые называют «строительными кирпичиками Вселенной» — к ним относятся кварки и лептоны;
- бозоны — частицы-переносчики взаимодействия;
- и бозон Хиггса — последняя частица в ряду частиц-переносчиков, которую часто изображают стоящей особняком [1].
Именно с помощью бозонов происходит взаимодействие между фермионами. Например, при сильном взаимодействии кварки обмениваются друг с другом особым бозоном — глюоном.
Ученые разрабатывали Стандартную модель с 1970-х годов. В последующие 20 лет благодаря опытам на мощных ускорителях были открыты многие элементарные частицы. Модель прекрасно «предсказывала» их появление, а потом эти «предсказания» подтверждались с помощью экспериментов.
В 1964 году британский физик Питер Хиггс вместе с другими учеными предположил, что существует особое поле, при взаимодействии с которым частицы приобретают массу. Позже его назвали полем Хиггса, а процесс обретения массы — хиггсовским механизмом. Изучить, как работает этот процесс, можно только через измерения свойств хиггсовского бозона. Без обнаружения бозона изучить это поле не удавалось. Поэтому открытие бозона и понимание его свойств представлялось ученым важнейшей задачей.
В СМИ бозон Хиггса часто называют «частицей Бога». И хотя это ироничное название не одобряют множество ученых, бозон Хиггса — это важнейшая элементарная частица, открытие которой завершает формирование Стандартной модели.
Леон Ледерман, физик, автор названия «частица Бога», объясняет его происхождение [2]:
«Этот бозон важен и для сегодняшнего состояния физики, и для окончательного понимания структуры материи. При этом он настолько неуловим, что я дал ему прозвище «частица Бога». Почему частица Бога? По двум причинам. Во-первых, издатель не разрешил мне называть его «проклятой частицей» [Goddamn Particle. — РБК Тренды], хотя это было бы более подходящим названием, учитывая его «злодейскую природу» и расходы, которые пошли на его поиски. А во-вторых, здесь есть некоторая связь с другой книгой, гораздо более старой, чем та, которую я написал о бозоне [подразумевается Книга Бытия. — РБК Тренды]».
Как обнаружили бозон Хиггса
Поисками бозона Хиггса занимались разные лаборатории по всему миру. Одна из самых известных — Европейская организация ядерных исследований в Швейцарии или по-другому ЦЕРН.
Бозон Хиггса нельзя увидеть в микроскоп. Поэтому ученые ЦЕРНа построили для поисков самый крупный ускоритель частиц в мире — Большой адронный коллайдер или БАК. Основная цель построения БАК — уточнение или опровержение Стандартной модели.
Коллайдер разгоняет протоны почти до скорости света и сталкивает их друг с другом. В результате они распадаются на более мелкие элементы. В местах пересечения протонов находятся детекторы, которые делают десятки миллионов снимков в секунду. Среди этих снимков ученые ищут следы бозона Хиггса с помощью искусственного интеллекта. Из огромного потока снимков отбираются только те, которые с почти стопроцентной вероятностью свидетельствуют о существовании бозона Хиггса.
Физик Тимур Уткузов поясняет, почему поиски неуловимого бозона только на БАК заняли около двух лет. Дело в том, что подтвердить существование бозона можно лишь косвенно, и только хорошо зная его свойства, так как ко всему прочему у него ничтожно малое время жизни. Несмотря на то, что БАК — один из самых точных и мощных измерительных приборов в мире, он все-таки не может измерить все. И за период экспериментов удалось зафиксировать лишь несколько случаев, где по продуктам распада можно было обнаружить бозон Хиггса. При этом за это же время в коллайдере происходили сотни триллионов столкновений частиц, в которых пытались отыскать его следы. В некоторых случаях было трудно определить, действительно ли распад имеет отношение к бозону Хиггса, в других — его распад было невозможно зафиксировать детекторами.
Об открытии бозона Хиггса ЦЕРН осторожно сообщил 4 июля 2012 года. Исследователи заявили, что открыли новую частицу, свойства которой согласуются с ожидаемыми свойствами бозона Хиггса.
Джо Инкандела, представитель одной из лабораторий, искавшей неуловимый бозон [3]:
«Предварительные результаты с полным набором данных 2012 года великолепны, и для меня очевидно, что мы имеем дело с бозоном Хиггса. Но нам еще предстоит пройти долгий путь, чтобы узнать, что это за бозон Хиггса».
В марте 2013 года отдельные представители ЦЕРНа сообщили, что найденная полугодом ранее частица действительно является бозоном Хиггса. В том же году Нобелевская премия по физике была присуждена физикам Питеру Хиггсу и Франсуа Энглеру «за теоретическое открытие механизма, который способствует нашему пониманию происхождения массы субатомных частиц и который недавно был подтвержден открытием предсказанной фундаментальной частицы на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе» [4].
Почему бозон Хиггса так важен
Открытие по-настоящему нового типа материи
Бозон Хиггса — это не просто еще одно рядовое открытие новой частицы, которых в последнее время было предостаточно. До него физики имели дело лишь с частицами вещества (электроны, протоны и так далее), либо с частицами-переносчиками взаимодействия, квантами силовых полей (фотоны, глюоны и другие), объясняет физик-теоретик, специалист в области элементарных частиц, популяризатор науки Игорь Иванов [5]. Но хиггсовский бозон не является ни тем, ни другим — это «кусочек» хиггсовского поля, который занимает совсем иное место в устройстве нашего мира. Это не просто новая частица, а представитель нового сектора элементарных частиц — хиггсовского сектора.
Ключевой элемент Стандартной модели
Бозон Хиггса оставался единственным элементом Стандартной модели, который ученые долго не могли обнаружить. В рамках модели есть еще много нерешенных вопросов, но считается, что открытие бозона Хиггса завершило современную теорию элементарных частиц.
Приближение к пониманию хиггсовского механизма обретения массы
Открыв бозон Хиггса, ученые подтвердили свою догадку о том, что некоторые элементарные частицы приобретают массу за счет взаимодействия с полем Хиггса.
«Кирпичик» мироздания
Открытие бозона Хиггса — это еще один шаг к пониманию того, как устроен наш мир. Эту частицу иногда называют «кирпичиком» мироздания. Ученые полагают, что до Большого взрыва — события, которого привело к созданию всего, все частицы не имели массы [6]. В момент Большого взрыва и через 10–12 секунд после него частицы вступили во взаимодействие с полем Хиггса, что придало им массу. Если бы этого не случилось, они просто бы разлетелись по космическому пространству, так и не соединившись в атомы и молекулы и в конечном итоге никогда бы не образовали все то, что существует сейчас.
Продолжение исследований бозона Хиггса
Важность изучения бозона Хиггса можно сравнить со значением открытия и исследования атома. Физик Нью-Йоркского университета Кайл Кранмер объясняет, что таким же образом ученые начала XX века пытались понять атом и на основе этого разработали квантовую механику.
Кранмер говорит, что вся квантовая механика — это в каком-то смысле эзотерика, то есть знание, недоступное для непосвященных [7]. Но при этом квантовая механика привела к изобретению транзистора, ключевого ингредиента для всей современной электроники, лазера и других медицинских технологий. Кранмер отмечает, что никто из тех, кто стоял у истоков квантовой механики, не мог предвидеть такого ее практического применения. По аналогии с квантовой механикой, такие открытия как бозон Хиггса повлияют не только на науку, но и в будущем найдут применение в повседневной жизни.
ЦЕРН на своей официальной странице в 2022 году подвел итоги изучения бозона Хиггса — спустя десять лет с его открытия [8]. Организация отмечает, что за это время физики сделали огромный шаг вперед в понимании Вселенной: например, они получили данные, что поле Хиггса было установлено во всей Вселенной через десятую долю миллиардной доли секунды после Большого взрыва.
С начала работы БАК в 2010 году было открыто более 60 составных частиц, предсказанных Стандартной моделью: некоторые из них — экзотические «тетракварки» и «пентакварки». Эксперименты также указали на отклонения от Стандартной модели, которые требуют дальнейшего изучения. Кроме того, эксперименты, выполняемые на БАК, дают возможность найти неизвестные частицы, выходящие за рамки Стандартной модели — например, обнаружить частицы, составляющие загадочную темную материю. Сам бозон Хиггса может указывать на явления, которые, возможно, ответственны за темную материю во Вселенной.
Ученые также ищут ответы на вопросы, придает ли поле Хиггса массу легким фермионам или тут действует другой механизм, является ли бозон Хиггса элементарной или составной частицей, может ли он взаимодействовать с темной материей и раскрыть ее природу, есть ли у бозона Хиггса «близнецы» или «родственники»? Поиск ответов на эти и другие интригующие вопросы не только углубит наше понимание Вселенной, но и поможет раскрыть некоторые из самых больших ее тайн — почему она возникла такой, какая есть, и какова ее конечная судьба.
