Бозон Хиггса как недостающий пазл механизма, объясняющего происхождение массы элементарных частиц был предсказан в 1964 году. В 2012 году учёные зафиксировали следы его распада на Большом адронном коллайдере. Что эта крохотная частица рассказала физикам об устройстве Вселенной и можно ли на её основе разрабатывать новые технологии, рассказывает учёный Южного федерального университета.
Вопрос «Бозон Хиггса: частица Бога или начало конца?» задала подписчица ЮФУ в социальных сетях Елизавета. Отвечает главный научный сотрудник НИИ Физики ЮФУ, доктор физико-математических наук, профессор Максим Хлопов.
Чтобы начать разговор про бозоны, нужно вспомнить, что во Вселенной существуют четыре фундаментальных взаимодействия, которые определяют все физические процессы.
Сильное взаимодействие удерживает кварки внутри протонов и нейтронов, а также связывает протоны и нейтроны в атомных ядрах. Без этого взаимодействия вещество просто не могло бы существовать. Переносчиками сильного взаимодействия являются глюоны.
Слабое взаимодействие действует на очень коротких расстояниях, сравнимых с размерами атомного ядра. Оно ответственно за процессы радиоактивного распада и играет ключевую роль в термоядерных реакциях, происходящих в звездах. Переносчиками слабого взаимодействия служат W- и Z-бозоны.
Электромагнитное взаимодействие проявляется между электрически заряженными частицами. Оно значительно сильнее гравитации и отвечает за химические реакции, образование молекул, а также за такие явления как свет, электричество и магнетизм. Переносчиком этого взаимодействия являются фотоны.
И наконец гравитационное взаимодействие — самое слабое из четырёх, но действует на любых расстояниях. Оно отвечает за притяжение между всеми материальными телами, от яблока, падающего на землю, до движения галактик. Переносчиком гравитации считается… Думаете, наш друг бозон Хиггса? Нет, гипотетическая частица гравитон, которая пока не обнаружена экспериментально.
А за что тогда отвечают бозоны Хиггса? За возникновение у частиц такого свойства как масса!
«Бозон Хиггса — это не просто ещё одна открытая новая частица, которых в последнее время было открыто предостаточно. До него физики имели дело лишь с частицами вещества (электроны, протоны), либо с частицами-переносчиками взаимодействия, квантами силовых полей (фотоны, глюоны). Бозон Хиггса принципиально иной, это квант поля Хиггса, которое отвечает за механизм появления масс у остальных частиц. Стандартная модель элементарных частиц именно существованием этого поля объясняет нарушение симметрии электромагнитного и слабого взаимодействия. Чем сильнее частица взаимодействует с полем Хиггса, тем больше её масса: самый тяжёлый t-кварк сильно связан с полем Хиггса, электрон взаимодействует слабее, поэтому легче, фотон вообще не имеет с этим полем связи — потому безмассовый. Так слабое взаимодействие остаётся короткодействующим, а электромагнитное взаимодействие — дальнодействующим», — рассказал Максим Хлопов.
Из предположения, что механизм Хиггса действительно существует, следовало, что у поля Хиггса есть свои кванты. Но предсказания, что это будут именно бозоны и именно с такими свойствами — это выводы очень сложных физических и математических вычислений, которыми и занимались в 1960-ые годы Питер Хиггс, Франсуа Энглерт, Роберт Броут, Джеральд Гуральник, Карл Хаген и Том Киббл.
Так в Стандартной модели, чтобы нарушить электрослабую симметрию без создания лишних частиц, бозон Хиггса должен быть скаляром, то есть не иметь спина. Чтобы взаимодействовать и с частицами, и с античастицами одинаково, бозон Хиггса должен быть электрически нейтральным. Ну и наконец, ожидалось, что он будет иметь собственную массу в диапазоне 100–1000 гигаэлектронвольт.
В 2010–2012 годах два детектора Большого адронного коллайдера — ATLAS и CMS — начали сбор данных. Ученые искали следы распада бозона Хиггса, который мгновенно распадался на другие частицы. Оба эксперимента независимо обнаружили сигнал с массой ~125 ГэВ.
4 июля 2012 года в ЦЕРНе состоялась пресс-конференция, где коллаборации ATLAS и CMS представили результаты. Хотя ученые осторожно назвали находку «бозоном, похожим на хиггсовский», Питер Хиггс, присутствовавший в зале, прослезился. Позже, в 2013 году, он и Энглерт получили Нобелевскую премию по физике.
«В течение года было подтверждено, что свойства частицы соответствуют тому, что предсказывает для бозона Хиггса Стандартная модель — это элементарная нестабильная, распадающаяся на более легкие, электрически нейтральная частица со спином 0 и массой примерно в 125 раз большей массы протона. Хотя бозон Хиггса электрически нейтрален и не обладает сильным (цветовым) взаимодействием, за счет рождения виртуальных частиц он взаимодействует с переносчиками слабого, сильного и электромагнитного взаимодействия. Эти взаимодействия отражаются в его соответствующих каналах распада. Конечно, бозон Хиггса обладает и гравитационным взаимодействием, но в микромире эффекты этого взаимодействия ничтожны», — объяснил Максим Хлопов.
Бозон Хиггса имеет столь малое время жизни, что поймать его физически невозможно — он сразу распадается. Его существование подтверждают и его свойства изучают на коллайдере, регистрируя продукты его распада. Эти свойства со все большей точностью подтверждают предсказания Стандартной модели, однако ученые ожидают, что на каком-то уровне чувствительности должны возникнуть отклонения от этих предсказаний — слишком много аргументов в пользу расширения Стандартной модели, да и данные космологии говорят о существовании темной материи и энергии, описание которых неизбежно привлекает такие расширения.
«Именно с этими отклонениями от предсказаний Стандартной модели в свойствах бозона Хиггса будут связаны принципиально новые технологии, которые будут основаны на открытии и освоении той новой физики, которая отражает неизвестные формы материи и энергии, составляющие 95% плотности энергии Вселенной. Важно, что открытие бозона Хиггса завершило поиск набора частиц, описываемых Стандартной моделью и перед физикой стоят задачи выхода за ее пределы и подходы к открытиям новых законов Природы и их освоению», — подчеркнул Максим Хлопов.
А откуда взялось выражение, что Бозон Хиггса — это частица Бога? В 1993 году другой выдающийся американский физик, лауреат Нобелевской премии за открытие мюонного нейтрино Леон Ледерман написал научно-популярную книгу «Частица Бога: если Вселенная — это ответ, то каков вопрос?», посвящённую поискам бозона Хиггса.
Изначально он хотел назвать её «Проклятая частица» из-за сложности обнаружения и огромных затрат на эксперименты, но издатель отверг это название как неприемлемое, и Ледерман предложил вариант «God Particle», который стал медийным хитом. Сам Ледерман подчёркивал, что название — скорее шутка, отражающая «злодейскую» природу частицы, которая десятилетиями ускользала от физиков. Многие учёные, включая самого Питера Хиггса, не одобряли этот эпитет, считая его сенсационным и вводящим в заблуждение.
«Наверное, можно сказать, что поле Хиггса обеспечивает сотворение мира, придавая массу всему сущему, но мир заведомо богаче и нам еще предстоит найти те частицы и поля, которые обеспечивают основную массу Вселенной», — поделился Максим Хлопов.
Ну и совсем уж нет оснований говорить, что Бозон Хиггса — это начало конца. Сам по себе бозон Хиггса совершенно не опасен, опасно было бы нестабильное состояние поля Хиггса, которое может быть подвержено фазовому переходу в другое более стабильное состояние. Такой переход охватывал бы все частицы, обретающие свои массы за счет взаимодействия с этим полем, и тем самым разрушал бы атомы, молекулы, и все объекты, и структуры, из них состоящие. По счастью, эта опасность нам не грозит.