В середине XX века физики столкнулись с серьезной проблемой. Они уже понимали из каких частиц состоит материя и какие силы действуют во Вселенной. Постепенно формировалась так называемая Стандартная модель.
Но в ней была огромная дыра.
Согласно ранним расчетам Стандартной модели элементарные частицы должны были двигаться со скоростью света. А частица, движущаяся с такой скоростью, не может иметь массу.
Но тут возникало противоречие. В реальности многие частицы массой обладают. Например, электрон имеет массу. Если бы все частицы действительно были безмассовыми и двигались только со скоростью света, то атомы просто не смогли бы сформироваться. А значит, не появились бы звезды, планеты и сама жизнь.
Ученые долго не понимали откуда вообще берется масса.
В 1964 году британский физик Питер Хиггс и несколько других исследователей предложили необычную идею. Они предположили, что всю Вселенную заполняет особое невидимое поле. Когда частицы взаимодействуют с ним, они словно "замедляются" и получают массу.
Это поле назвали полем Хиггса.
Но любую научную теорию нужно подтвердить экспериментально. Для этого ученым необходимо было обнаружить особую частицу - бозон Хиггса, который является проявлением этого поля.
Что такое бозон Хиггса
Бозон Хиггса - это элементарная частица, которая помогает объяснить происхождение массы у других частиц.
Иногда ее называют "частицей Бога", хотя сами ученые редко используют это выражение. Популярным его сделали журналисты и издатели, чтобы привлечь внимание к сложной теме.
Главная идея теории Хиггса заключается в том, что масса появляется не сама по себе. Частицы получают ее благодаря взаимодействию с полем Хиггса, которое присутствует повсюду во Вселенной.
Бозон Хиггса - это своего рода доказательство существования этого поля.
Как работает поле Хиггса простыми словами
Чтобы проще понять принцип работы поля Хиггса, ученые часто приводят аналогию с толпой людей.
Представьте большой зал, заполненный людьми. Если через него идет обычный человек, никто почти не обращает на него внимания и он проходит быстро.
Но если в зал входит знаменитость, вокруг нее собирается толпа. Двигаться становится гораздо сложнее.
Примерно так же ведут себя частицы:
- те, которые сильно взаимодействуют с полем Хиггса, становятся тяжелее;
- те, которые почти не взаимодействуют с ним, остаются легкими;
- а некоторые частицы вообще не получают массу.
Конечно, это лишь упрощенное объяснение, но оно хорошо передает суть теории.
Как ученые нашли бозон Хиггса
Проблема поиска бозона Хиггса заключалась в том, что эта частица не существует постоянно. Она появляется лишь на крошечную долю секунды при столкновении частиц с огромной энергией.
Ученым нужно было буквально воссоздать условия, близкие к тем, что существовали сразу после Большого взрыва. Иными словами нужно было разогнать частицы до скорости света.
Для этого и построили Большой адронный коллайдер. Самый мощный ускоритель частиц в истории человечества.
Внутри огромного кольца длиной 27 километров протоны разгоняются почти до скорости света. Затем их сталкивают друг с другом на колоссальной скорости.
Во время таких столкновений возникает огромное количество энергии. Согласно формуле Эйнштейна E=mc², энергия может превращаться в массу и создавать новые частицы, которых обычно не существует в природе.
Именно так ученые пытались "родить" бозон Хиггса хотя бы на мгновение.
После столкновения частица практически мгновенно распадалась на другие частицы. Поэтому исследователи не наблюдали бозон напрямую, а искали следы его распада с помощью гигантских детекторов.
После миллионов экспериментов 4 июля 2012 году ученые наконец обнаружили частицу, свойства которой совпали с предсказаниями теории Хиггса. Это стало одним из важнейших научных открытий XXI века.
Почему это открытие изменило физику
Обнаружение Бозона Хиггса подтвердило правильность Стандартной модели и стало одним из важнейших открытий современной науки. Благодаря ему физики смогли объяснить, почему элементарные частицы обладают массой и как формируется материя во Вселенной.
Но самое интересное в том, что это открытие не завершило исследования, а наоборот открыло дверь к новым тайнам мироздания.
Когда в конце XIX века ученые открыли электрон, никто не мог представить, что спустя десятилетия это приведет к появлению компьютеров, смартфонов, интернета, телевизоров и всей современной электроники. Тогда это казалось просто странной частицей из мира науки.
С бозоном Хиггса ситуация может оказаться похожей. Сегодня его открытие выглядит как фундаментальное исследование ради науки, но именно такие открытия нередко меняют будущее человечества самым неожиданным образом.
Именно поэтому исследования продолжаются. Возможно, изучение поля Хиггса поможет человечеству лучше понять природу Вселенной, темную материю и законы, которые пока остаются скрытыми.
И вполне возможно, что самые громкие открытия физики еще впереди.