Простай мовай: базон Хігса - што гэта?

Кажучы простай мовай, базон Хігса - гэта самая дарагая часціца за ўвесь час. Калі для адкрыцця электрона, напрыклад, было дастаткова вакуумнай трубкі і пары геніяльных розумаў, пошук базона Хігса запатрабаваў стварэння эксперыментальнай энергіі, якую рэдка сустрэнеш на Зямлі. Вялікі адронны коллайдер ў прадстаўленні не мае патрэбы, будучы адным з самых вядомых і паспяховых навуковых эксперыментаў, але яго профільная часціца, як і раней, ахутана таямніцай для большай часткі насельніцтва. Яна была названая часціцай Бога, аднак, дзякуючы намаганням літаральна тысяч навукоўцаў, мы больш не павінны прымаць яе існаванне на веру.

апошняя невядомая

Што такое базон Хігса і ў чым важнасць яго адкрыцця? Чаму ён стаў прадметам гэтак вялікі шуміхі, фінансавання і дэзінфармацыі? Па дзвюх прычынах. Па-першае, ён быў апошняй неоткрытой часціцай, неабходнай для пацвярджэння Стандартнай мадэлі фізікі. Яе адкрыццё азначала, што цэлае пакаленне навуковых публікацый не было марным. Па-другое, гэты базон дае іншым часціцам іх масу, што надае яму асаблівае значэнне і некаторы «чараўніцтва». Мы схільныя думаць аб масе як пра ўнутраны ўласцівасці рэчаў, але фізікі лічаць інакш. Кажучы простай мовай, базон Хігса - гэта часціца, без якой масы прынцыпова не існуе.

Яшчэ адно поле

Прычына крыецца ў так званым поле Хігса. Яно было апісана яшчэ да базона Хігса, паколькі фізікі яго разлічылі для патрэб сваіх уласных тэорый і назіранняў, якія патрабавалі наяўнасці новага поля, дзеянне якога распаўсюджвалася б на ўсю Сусвет. Падмацаванне гіпотэз шляхам вынаходкі новых складнікаў Сусвету небяспечна. У мінулым, напрыклад, гэта прывяло да стварэння тэорыі эфіру. Але чым больш выраблялася матэматычных разлікаў, тым больш фізікі разумелі, што поле Хігса павінна існаваць у рэальнасці. Адзінай праблемай было адсутнасць практычных магчымасцяў яго назірання.

У Стандартнай мадэлі фізікі элементарныя часціцы атрымліваюць масу пасродкам механізму, заснаванага на існаванні поля Хігса, пранізвае ўсе прастору. Ён стварае базоны Хігса, для чаго патрабуецца вялікая колькасць энергіі, і гэта з'яўляецца галоўнай прычынай таго, чаму навукоўцы маюць патрэбу ў сучасных паскаральніках часціц для правядзення высокаэнергетычных эксперыментаў.

Адкуль бярэцца маса?

Сіла слабых ядзерных узаемадзеянняў з ростам адлегласці хутка падае. Згодна з квантавай тэорыі поля, гэта азначае, што часціцы, якія ўдзельнічаюць у яе стварэнні - W- і Z-базоны, - павінны валодаць масай, у адрозненне ад глюёнаў і фатонаў, у якіх масы няма.

Праблема заключаецца ў тым, што калібровачнае тэорыі аперуюць толькі безмассовыми элементамі. Калі калібровачнае базоны маюць масу, то такая гіпотэза не можа быць разумна вызначана. Механізм Хігса дазваляе пазбегнуць гэтай праблемы шляхам увядзення новага поля, званага полем Хігса. Пры высокіх энергіях калібровачнае базоны масай не валодаюць, і гіпотэза працуе, як чакалася. Пры нізкіх энергіях поле выклікае парушэнне сіметрыі, якое дазваляе элементам мець масу.

Што такое базон Хігса?

Поле Хігса спараджае часціцы, званыя базон Хігса. Тэорыяй іх маса не агаворваецца, але ў выніку эксперыменту было вызначана, што яна роўная 125 ГэВ. Кажучы простай мовай, базон Хігса сваім існаваннем канчаткова пацвердзіў Стандартную мадэль.

Механізм, поле і базон носяць імя шатландскага навукоўца Піцера Хігса. Хоць ён і не быў першым, хто прапанаваў гэтыя паняцці, а, як гэта часта здараецца ў фізіцы, проста аказаўся тым, у гонар каго яны былі названыя.

парушэнне сіметрыі

Лічылася, што поле Хігса нясе адказнасць за тое, што часціцы, якія мець масу не павінны, ёю валодалі. Гэта універсальная серада, надзяляліся часціцы без масы рознымі масамі. Такое парушэнне сіметрыі тлумачаць па аналогіі са святлом - усё даўжыні хваль рухаюцца ў вакууме з аднолькавай хуткасцю, у прызме ж кожная даўжыня хвалі можа быць выдзелена. Гэта, вядома, некарэктная аналогія, так як белы свет змяшчае ўсе даўжыні хваль, але прыклад паказвае, як уяўляецца стварэнне полем Хігса масы дзякуючы парушэння сіметрыі. Прызма ламае сіметрыю хуткасці розных даўжынь хваль святла, падзяляючы іх, і поле Хігса, як мяркуюць, ламае сіметрыю мас некаторых часціц, якія ў адваротным выпадку сіметрычна безмассовы.

Як растлумачыць простым мовай базон Хігса? Толькі нядаўна фізікі зразумелі, што калі поле Хігса сапраўды існуе, яго дзеянне запатрабуе наяўнасці адпаведнага носьбіта са ўласцівасцямі, дзякуючы якім яго можна назіраць. Меркавалася, што гэтая часціца ставілася да базон. Базон Хігса простай мовай - гэта так званая сіла-носьбіт, такая ж, як фатоны, якія з'яўляюцца носьбітамі электрамагнітнага поля Сусвету. Фатоны, у пэўным сэнсе, з'яўляюцца яго лакальнымі ўзбуджэннямі гэтак жа, як базон Хігса з'яўляецца лакальным узрушанасцю яго поля. Доказ існаванне часціцы з чаканымі фізікамі ўласцівасцямі было фактычна раўназначна непасрэднаму доказу існавання поля.

эксперымент

Многія гады планавання дазволілі Вялікага адроннага коллайдера (LHC) стаць вопытам, дастатковым для патэнцыйнага абвяржэння тэорыі базона Хігса. 27-км кольца звышмагутных электрамагнітаў можа паскорыць зараджаныя часціцы да значных доляй хуткасці святла, выклікаючы сутыкнення дастатковай сілы, каб падзяліць іх на складнікі, а таксама дэфармаваць прастору вакол кропкі ўдару. Згодна з разлікамі, пры энергіі сутыкнення досыць высокага ўзроўню можна зарадзіць базон так, што ён распадзецца і гэта можна будзе назіраць. Гэтая энергія была настолькі вялікі, што некаторыя нават запанікавалі і прадракалі канец святла, а фантазія іншых разышлася настолькі, што выяўленне базона Хігса апісвалася як магчымасць зазірнуць у альтэрнатыўнае вымярэнне.

канчатковае пацвярджэнне

Першапачатковыя назірання, здавалася, на самай справе абвяргалі прадказанні, і ніякіх прыкмет часціцы выявіць не ўдалося. Некаторыя даследчыкі, якія ўдзельнічалі ў кампаніі за расходаванне мільярдаў даляраў, нават з'явіліся на тэлебачанні і рахмана канстатавалі факт, што абвяржэнне навуковай тэорыі гэтак жа важна, як і яго пацвярджэнне. Праз некаторы час, аднак, вымярэння сталі складвацца ў агульную карціну, і 14 сакавіка 2013 г. CERN афіцыйна абвясціў пра пацверджанне існавання часціцы. Ёсць падставы меркаваць існаванне множных базонаў, але гэтая ідэя мае патрэбу ў далейшым вывучэнні.

Праз два гады пасля таго як CERN абвясціў аб адкрыцці часціцы, навукоўцы, якія працуюць на Вялікім адронным коллайдере, змаглі гэта пацвердзіць. З аднаго боку, гэта стала велізарнай перамогай навукі, а з другога шмат навукоўцаў было расчаравана. Калі хто-то спадзяваўся, што базон Хігса апынецца часціцай, якая прывядзе да дзіўным і дзіўным абласцях за межамі Стандартнай мадэлі - Суперсіметрыя, цёмнай матэрыі, цёмнай энергіі, - то, на жаль, гэта аказалася не так.

Даследаванне, апублікаванае ў Nature Physics, пацвердзіла распад на фермионы. Стандартная мадэль прадказвае, што, кажучы простай мовай, базон Хігса з'яўляецца часціцай, якая дае фермионам іх масу. Дэтэктар CMS коллайдера, нарэшце, пацвердзіў іх распад на фермионы - ніжнія кварк і таў-лептоны.

Базон Хігса простай мовай: што гэта такое?

Дадзенае даследаванне канчаткова пацвердзіла, што гэта базон Хігса, прадказаны Стандартнай мадэллю фізікі элементарных часціц. Ён размешчаны ў галіне масы-энергій 125 ГэВ, не мае спіна, і можа распадацца на мноства больш лёгкіх элементаў - пар фатонаў, фермионов і т. Д. Дзякуючы гэтаму можна ўпэўнена казаць аб тым, што базон Хігса, простай мовай кажучы, з'яўляецца часцінкай , якая дае масу ўсяго.

Расчаравала стандартныя паводзіны новооткрытого элемента. Калі б яго распад хоць трохі адрозніваўся, ён быў бы звязаны з фермионами інакш, яшчэ ўзніклі б новыя напрамкі даследаванняў. З іншага боку, гэта азначае, што мы ні на крок не прасунуліся за межы Стандартнай мадэлі, якая не ўлічвае гравітацыю, цёмную энергію, цёмную матэрыю і іншыя мудрагелістыя з'явы рэальнасці.

Зараз можна толькі здагадвацца пра тое, чым яны выкліканыя. Найбольш папулярная тэорыя Суперсіметрыя, якая сцвярджае, што кожная часціца Стандартнай мадэлі мае неверагодна цяжкага суперпартнера (такім чынам, складаючы 23% Сусвету - цёмнай матэрыі). Абнаўленне коллайдера з падваеннем яго энергіі сутыкненняў да 13 ТЭВ, верагодна, дасць магчымасць выявіць гэтыя суперчастицы. У адваротным выпадку Суперсіметрыя давядзецца пачакаць пабудовы больш магутнага пераемніка LHC.

далейшыя перспектывы

Так якая будзе фізіка пасля базона Хігса? LHC зусім нядаўна аднавіў сваю працу з істотнымі паляпшэннямі і здольны ўбачыць усё - ад антырэчыва да цёмнай энергіі. Лічыцца, што цёмная матэрыя ўзаемадзейнічае са звычайнай выключна з дапамогай гравітацыі і праз стварэнне масы, і значэнне базона Хігса з'яўляецца ключавым для разумення таго, як менавіта гэта адбываецца. Асноўны недахоп Стандартнай мадэлі складаецца ў тым, што яна не можа растлумачыць дзеянне сілы цяжару - такую мадэль можна было б назваць Вялікай адзінай тэорыяй, - і некаторыя мяркуюць, што часціца і поле Хігса могуць стаць тым мостам, які фізікі так адчайна спрабуюць знайсці.

Існаванне базона Хігса пацвердзілася, але да поўнага яго разумення яшчэ вельмі далёка. Абвергнуты Ці будучыя досведы Суперсіметрыя і ідэю аб яе раскладанні на саму цёмную матэрыю? Або яны пацвердзяць усё, да дробязяў, прадказанні стандартнай мадэлі пра ўласцівасці базона Хігса і з дадзенай вобласцю даследаванняў будзе скончана назаўсёды?