Как возможно, что элементарная частица, формирующая всю известную нам материю, настолько труднодоступна, что даже ученые не могут ее достичь? Исследователи сообщили о таинственной находке на Большом адронном коллайдере, и стало очевидно, что мы неправильно понимали сущность так называемой "частицы Бога". Предполагалось, что бозоны Хиггса окончательно предоставят нам ключ к пониманию происхождения всего сущего, однако они скорее открыли доступ к ранее неизведанному аспекту реальности. На границе поля Хиггса, самые мелкие частицы, формирующие фундаментальные строительные блоки нашего мира, обретают способность приобретать массу. В этом загадочном месте то, что ранее существовало как чистая энергия и потенциальная возможность, становится заметным. Физик Питер Хиггс предположил существование этого энергетического поля, пронизывающего Вселенную, еще в 1964 году. Частица, которая наиболее точно соответствует этому полю — это бозон Хиггса, иногда именуемый в неофициальном обиходе как "частица Бога". Исследователи элементарных частиц уже более десяти лет занимаются изучением бозонов Хиггса на Большом адронном коллайдере. Поведение этих незначительных элементов нашего мира по-прежнему вызывает множество вопросов. Почему эти бозоны ведут себя столь непредсказуемо? И почему они почти сразу после появления распадаются на множество других частиц? Что делает их практически неуловимыми для исследователей?
Ученые часто описывают поле Хиггса как океан невидимой субстанции. Все известные элементарные частицы взаимодействуют с этим полем, но каждая реагирует на него по-своему. Фотоны, или частицы света, проходят сквозь поле Хиггса как элегантные и обтекаемые рыбы, скользя по нему практически без сопротивления. Частицы, такие как электроны или кварки, взаимодействуют с полем Хиггса, напоминая обычных человеческих пловцов, которые хоть и двигаются достаточно грациозно, все же создают в воде волны и сопротивление. W-бозоны и Z-бозоны ведут себя так, как если бы гладкий шарик плавал по поверхности воды, не взаимодействуя активно с водой, но и не вызывая особой ряби. Бозон Хиггса — это то, что особенно интригует в этом поле. Он движется по поверхности, подобно волнам, и для ученых является ключом к пониманию механизма передачи массы. Он не только часть поля, но и подтверждение его реального существования. Впервые частица была зафиксирована в 2012 году на Большом адронном коллайдере организации CERN в Женеве, Швейцария. Открытие бозона Хиггса подтвердило теории Хиггса 1960-х годов и считается одним из самых значительных научных достижений XXI века.
С помощью этой находки нам удалось выявить механизмы формирования материи. В сравнении с другими частицами, бозон Хиггса обладает значительной тяжестью. Его масса достигает примерно 125 гигаэлектроновольт, умноженных на квадрат скорости света, что в 133 раза тяжелее протона. Революционность открытия бозона Хиггса заключается в том, что оно подтвердило реальность долго предполагаемого поля Хиггса. Чем большее количество частиц вступает во взаимодействие с этим полем, тем большую массу они приобретают, и, соответственно, тем они становятся тяжелее. Примечательно, что фотоны, элементарные носители света, не взаимодействуют с полем Хиггса и проходят сквозь него, оставаясь безмассовыми и обладая высокой скоростью. Важно отметить, что частицы бозона Хиггса на самом деле являются основой нашей материи, их поведение непредсказуемо. Ученые объясняют эту непредсказуемость их крайне коротким временем жизни. Бозоны Хиггса существуют всего около 10 в минус двадцать второй степени секунды, после чего они распадаются на другие частицы.
Изучая эти процессы распада, ученые получают множество новых сведений о свойствах бозона Хиггса. Однако работа с этой частицей ученым дается не просто. Ее распад происходит настолько сложно и непредсказуемо, что сделать какие-либо значимые выводы на ее основе практически невозможно. Поэтому создается впечатление, что мы все дальше уходим от понимания реальной роли бозона Хиггса во Вселенной. В настоящее время мы точно знаем только то, что он каким-то образом наделяет массой другие элементарные частицы, хотя они и настолько мимолетны, что трудно представить. Тем не менее, можно с уверенностью утверждать, что без бозона Хиггса и поля Хиггса наш мир, включая атомы, молекулы, элементы, деревья и птицы, был бы невозможен. Весь наш земной шар существует лишь благодаря тому, что бозоны Хиггса придают массу электронам, протонам и нейтронам на субатомном уровне. Распад бозона Хиггса происходит за доли секунды в субатомном мире. По наблюдениям до сих пор, основные продукты распада — это W и Z-бозоны, которые являются носителями слабых ядерных сил, а также возможен распад на тау-лептоны, являющиеся более тяжелыми аналогами электронов.
Особенно увлекательным представляется процесс распада бозона Хиггса на фотоны, который происходит через сложную систему, именуемую петлей, в рамках которой виртуальные частицы временно возникают и исчезают. Ещё более таинственным является распад на фотон и Z-бозон. Недавние исследования на Большом адронном коллайдере показали, что данный распад происходит примерно в 6,6% случаев, тогда как теоретические расчеты стандартной модели предсказывали лишь около 0,15%. Учёные пока не могут сформулировать закономерности, создавая впечатление, что бозон Хиггса ведёт себя всё более хаотично, чем ближе к нему пытаются подойти исследователи. Тем не менее, каждое новое испытание позволяет учёным осознать, что они открывают двери к частицам и явлениям, которые ранее считались недоступными.
Эти исследования в будущем предоставят нам ключи к пониманию природы и Вселенной. Прежде всего, как подчёркивают учёные ЦЕРНа, эти удивительные новые наблюдения должны быть интегрированы в существующую стандартную модель физики частиц. Отклонения от теоретических предсказаний могут указывать на неоткрытые ранее аспекты и силы в субатомном мире, которые также могут радикально изменить наше понимание материи и энергии. Стандартная модель физики частиц, разработанная в 1970-х годах, долгое время служила теоретической основой, описывающей фундаментальные частицы и силы, из которых состоит наша Вселенная. Такие частицы, как кварки и лептоны, а также носители сил — например, фотоны и глюоны, или бозон Хиггса, были лишь теоретическими предположениями, пока не получили подтверждения благодаря экспериментам в Женеве.
Прорыв, отмеченный в 2012 году обнаружением бозона Хиггса, считался последней недостающей деталью этой модели. Имея массу около 125 гигаэлектроновольт, бозон Хиггса выделяется уникальной способностью наделять массой другие частицы через поле Хиггса. Но стоит ли считать частицу, которую практически невозможно описать согласно существующим правилам, действительно последним элементом головоломки? Важно не преуменьшать значение расхождений между наблюдениями и расчётами. Стандартная модель проявила свою выдающуюся точность в бесчисленных экспериментах. Её предсказания оказались точными с точностью до долей процента, за исключением случаев, связанных с бозоном Хиггса. Возможно, мы стоим на пороге открытия новой фундаментальной силы.
Или же мы должны быть готовы к тому, что исследователи продолжат находить новые более мелкие частицы, и что наш поиск в субатомном мире будет так же бесконечным или непостижимым, как поиск конца Вселенной. Пока еще не до конца понятно, какую роль в субатомном мире играют темная материя и темная энергия. В ЦЕРНе исследователи также следуют этому следу. Были предположения, что аксионы могут быть строительными блоками темной материи, однако эти выводы пока не подтверждены. Открыл ли коллайдер дверь в новое измерение? Ученые в Женеве потратили годы на восстановление ускорителя частиц, который встретил широкое общественное одобрение.
Некоторые критики утверждают, что подземные эксперименты несут в себе опасности, и что огромная сила столкновения частиц может создать трещины в структуре пространства-времени или в магнитном поле Земли. Большой адронный коллайдер — это самый большой в мире ускоритель частиц и великолепное творение инженерного искусства, созданное с участием множества стран. На сегодняшний день это лучший и единственный метод исследования мира самых мелких частиц. Коллайдер ускоряет протоны почти до скорости света, заставляя их сталкиваться и создавая условия, схожие с моментом сразу после Большого взрыва. Детекторы Atlas и CMS коллайдера — это высокотехнологичные устройства, способные обнаруживать и анализировать мельчайшие фрагменты этих столкновений. Для ускорения протонов используются самые мощные магниты, когда-либо созданные на Земле, и требуется огромное количество энергии. Планируемое улучшение коллайдера с высокой светимостью позволит увеличить количество столкновений, что также приведет к усилению магнитных полей и потреблению большего количества энергии. Ученые ожидают, что модернизация коллайдера позволит проводить более точные измерения и, возможно, приведет к открытию новых частиц или явлений.
Но стоит ли это таких усилий и, возможно, связанного с этим риска? Критики экспериментов связывают необычные погодные явления в окрестностях Женевы с работой коллайдера. Говорят, что во время одного из последних тестов образовалась огромная гроза, в центре которой было видно нечто, напоминающее странный глаз. В это время к решению проблемы подключился юный американец, считающийся ясновидящим технологическим гением. Как и знаменитый медиум Эдгар Кейси, Макс Лаффлин делает поразительные прогнозы о будущем мира. Макс утверждал в интервью, что эксперименты в Женеве уже в 2022 году откроют размерные врата, и мы окажемся в совершенно новой реальности, даже не осознавая этого. Нейтрино и мионы - это как бы атмосферные посланники и частицы-призраки. Разнообразие частиц, открытое учеными, почти непостижимо. Нейтрино - одни из самых увлекательных и таинственных элементарных частиц физики. Они настолько легкие, что их масса практически равна нулю и они почти не взаимодействуют с другими частицами. Это означает, что они способны проходить сквозь обычную материю, не оказывая на нее влияния и не подвергаясь влиянию. Поэтому ученые также называют нейтрино частицами-призраками, способными проходить даже сквозь стены.
Эти частицы возникают в колоссальных объемах в ходе ядерных реакций, таких как те, что происходят на Солнце или во время взрывов сверхновых звезд. Нейтрино распространены по всей Вселенной, и каждую секунду триллионы таких частиц проходят через каждый квадратный сантиметр поверхности Земли. Из-за их чрезвычайно низкой вероятности взаимодействия их обнаружение представляет большую сложность. Исследователи отправляются даже на Южный полюс, чтобы изучать нейтрино там, где меньше помех. С помощью мюонной томографии археологам удалось проникнуть вглубь Великой пирамиды Гизы с использованием нейтрино и открыть абсолютно новую замурованную камеру в этом легендарном строении.
Еще одна захватывающая частица – мюон, который похож на тяжелого родственника электрона. Мюоны образуются в верхних слоях атмосферы нашей планеты в результате столкновений космических лучей с атомами. Мюоны крайне нестабильны и распадаются на электронные нейтрино в течение нескольких микросекунд. Как и бозоны Хиггса, мюоны проявляют аномалии, которые не соответствуют предсказаниям стандартной модели физики частиц. В частности, их магнитное взаимодействие оказывается сильнее, чем теоретически предполагалось. Исследователи предполагают, что мюоны также могут указать путь к новым областям в физике и естественных науках. Что думаете?