Что такое бозон Хиггса

futuraptor
18-01-2016
Что такое бозон Хиггса
79

Бозон Хиггса — последняя найденная частица стандартной модели. Частица Хиггса так важна, что в заголовке книги нобелевского лауреата Леона Ледермана «Частица Бога: если Вселенная это ответ, то каков вопрос?» она названа «god particle» (частица бога или божья частица), а сам Ледерман изначально предлагал вариант «чёртова частица» (англ. goddamn particle), отвергнутый редактором. Это ироничное название широко употребляется средствами массовой информации. 

До открытия этой частицы в физике элементарных частиц были разработаны расширения стандартной модели, не использующие понятия бозона Хиггса (бесхиггсовские модели). Ниже приведено интервью с физиком Валерием Рубаковым о значении открытия бозона Хиггса, перспективах физики элементарных частиц и новых экспериментах на БАК.

— Давайте разбираться, что такое бозон Хиггса. После его открытия возникло много вопросов о том, куда дальше будет двигаться физика элементарных частиц. Что такое бозон Хиггса?

— Это новая элементарная частица. Само по себе открытие новой элементарной частицы — это всегда большое событие в физике микромира. Но самое главное, что это начало изучения нового сектора той теории, которая описывает практически все, что мы знаем сегодня о мире элементарных частиц. Это так называемая Стандартная модель, название историческое, но не очень удачное. В этой Стандартной модели необходимо новое поле, с новыми по сравнению с известными полями свойствами. Вообще каждая частица ассоциирована с полем: с фотоном ассоциировано электромагнитное поле, это более или менее одно и то же. В квантовой физике поле и частица — это очень близкие понятия. В Стандартной модели требуется новое поле, новое до последнего времени, теперь оно уже не новое, а открытое, так как открыта частица этого поля. И у этого нового поля своя совершенно особая роль, она связана с тем, что без него все наши частицы не имели бы массы. Элементарные частицы — электроны, кварки, из которых сделаны протоны и нейтроны, — все они были бы безмассовые. В этом случае мы бы не существовали, потому что электроны летали бы со скоростью света и никаких атомов не было бы. Поэтому это очень важное поле, а бозон Хиггса — очень важная частица.

— Какое место в Стандартной модели занимает хиггсовский бозон?

— Постепенно человеческий ум проникал вглубь материи, пытался находить все более элементарные частицы. В какой-то момент нам казалось, что, например, протон — это элементарная частица. Потом оказалось, что все сложнее. Сегодня мы считаем, что элементарными являются кварки, которые входят в состав протона, кроме этого есть еще набор элементарных частиц — электрон, нейтрино и несколько других. И вот теперь бозон Хиггса — а про поле правильно говорить «поле Энглера — Браута — Хиггса», потому что Энглер и Браут его ввели раньше, чем Хиггс. Там была история довольно занятная, потому что Энглер и Браут увидели явление теоретически, построили модель, потом буквально эту же модель рассматривал Хиггс. Так вот, Энглер и Браут не заметили, что в этой модели есть новая частица — квант этого самого поля, и поэтому поле правильно называть полем Энглера — Браута — Хиггса. А вот Хиггс заметил, что есть частица. Поэтому бозон Хиггса — это адекватное название для этой частицы. Поле Энглера — Браута — Хиггса замечательно тем, что оно дает массы всем частицам. В физике элементарных частиц исключительно важное понятие — это понятие симметрии. И фактически все взаимодействия так или иначе связаны с некоторыми внутренними симметриями теории. В Стандартной модели, если приглядеться, симметрии запрещают частицам иметь массы, не может быть масс у частиц, если симметрии Стандартной модели реализуются обычным образом, если это «правильные» симметрии. Но известно, что симметрии бывают нарушенными.

Схема взаимодействий между элементарными частицами, описываемая Стандартной моделью

Есть такой пример. Мы знаем, что все направления в пространстве равноправны. Есть симметрия относительно вращений в пространстве: можете повернуть свою голову направо, налево, и у вас законы физики от этого меняться не будут. А теперь представьте себе, что мы находимся в магните, в нем магнитное поле, которое куда-то направлено, и в магните нет такой симметрии. Есть направление магнитного поля, и электроны отлично знают о том, что есть такое направление: они вдоль него летят прямо, а если поперек этого направления, то летают по окружности. Представьте себе существо внутри магнита. Оно сказало бы, что выделенное направление — это свойство пространства. Но теоретик, сидящий в этом магните, крепко задумался бы, подумал о том, не может ли быть так, что на самом деле в пространстве все же есть симметрия относительно всех вращений. А то, что выделено направление, — это не свойство пространства как такового, это особенность магнита, где есть поле, которое пронизывает весь магнит и выделяет направление. Ситуация у нас очень похожая. Только мы находимся не в железке, а в вакууме. Вакуум тоже, вообще говоря, непростая субстанция. И в ней может быть разлито некоторое поле, вроде этого самого магнитного поля. Это и есть поле Энглера — Браута — Хиггса. Оно нарушает симметрии, как магнитное поле нарушает симметрию по отношению к вращениям, выделяя направление. Поле Энглера — Браута — Хиггса также выделяет направление, только не в нашем пространстве, а как бы во внутреннем пространстве. И результатом этого является то, что симметрии оказываются «неправильно» реализованными. В конце концов появляются и массы у всех элементарных частиц в результате взаимодействия с этим самым полем. Такая довольно сложная конструкция. Но еще в 1964 году ее поняли Энглер и Браут, а затем и Хиггс. И до 2012 года это все было гипотезой. А в 2012 году открыли квант этого поля — бозон Хиггса.

— Как это объяснить? Можно говорить, что есть, например, вязкость или плотность этого поля, которое создает эту массу?

— Это, наверное, было бы вульгарно. Существует термин «нарушенная симметрия». То есть у вас есть уравнения движения: уравнение Ньютона, или уравнение электромагнитного поля, или уравнение движения электрона. И в этих уравнениях движения есть некая симметрия. А состояние, которое выбирает система, уже не симметрично. Это в физике конденсированных сред достаточно распространенное явление, и оказалось, что и в физике элементарных частиц оно тоже работает.

— По большому счету степень нарушения этой симметрии влияет на массу?

— Да. Чем больше значение этого поля, тем больше масса. Мы сегодня знаем численное значение этого поля. Оно было известно до того, как открыли массу бозона Хиггса. Его численное значение в единицах, которые используются в физике элементарных частиц, — это 247 гигаэлектронвольт. Такое поле везде существует, во всем пространстве. Оно и обеспечивает массу частиц.

— Хиггс, Энглер, Браут предложили теоретически эту модель почти полвека назад.

— Да. Причем из несколько других соображений, довольно умозрительных. Они не думали о том, что будет Стандартная модель — тогда ее еще не существовало; они пытались задать вопрос, как вообще могут возникнуть массы у элементарных частиц, особенно массы у элементарных частиц типа фотона. Ему иметь массу запрещает как раз симметрия, которая есть в электродинамике. И у него массы нет, он летает со скоростью света — вроде тавтология. Но есть похожие частицы с очень похожими свойствами, но они массивные, тяжелые. И Энглер, Браут, Хиггс задались вопросом, как можно сделать массу частицам подобного типа. Они эту задачу решили правильно.

— Как появилась возможность проверить эту теорию в эксперименте?

— Теория предсказывает новую частицу, квант нового поля — бозон Хиггса. Эту частицу искали на ускорителях начиная с середины 70-х годов. Проблема в том, что теория не предсказывает значения массы этой частицы. Сначала думали, что она легкая, но это оказалось неверным — бозон Хиггса не находили: не хватало энергии ускорителей. Потом увеличивали энергию, а ее все не было. Энергия нужна, потому что E = mс2. Если у вас тяжелая частица, то вам нужно иметь большую энергию столкновения, чтобы частицу получить, чтобы она родилась. Наконец, появился Большой адронный коллайдер со своей фантастической энергией, и частица обнаружилась.

— Насколько это важно для науки, может ли это иметь какую-то очень конкретную область практического применения?

— Вы знаете, наука развивается безотносительно к тому, будет или нет применение практическое. Наука развивается по своим законам. Это попытки продвинуться в понимании природы. Технологические применения приходят уже потом. Это вопрос интересный, но второстепенный. Поэтому говорить, что открытие бозона Хиггса какие-то технологические прорывы принесет, рано. Но я напомню, что Герц, когда открыл свои радиоволны, открытым текстом говорил, что открыл нечто, что никогда в жизни не принесет никому никакой пользы. Эйнштейн, придумавший теорию относительности, конечно, думать не мог, что в будущем эта общая теория относительности окажется востребованной с технологической точки зрения. А сейчас формулы общей теории относительности — это рабочий инструмент в космической технике. Поэтому сложно сказать, какие будут технологические прорывы, связанные с современной физикой элементарных частиц, сейчас этого не видно, но никогда не говори «никогда». Надо понимать еще и следующее: все детекторы ускорителя типа Большого адронного коллайдера и сам коллайдер — это очень высокотехнологичные объекты, для создания которых придумано море новых технологий, и теперь они веером расходятся по миру. Например, то, что мы знаем как протокол интернета, фактически сам по себе интернет — это изобретение было сделано в ЦЕРНе. Почему? Потому что нужно было передавать большие массивы данных, нужно было иметь коммуникации между людьми. Там же огромная кооперация. Сейчас на каждом из экспериментов в ЦЕРНе (а там их 4) работают по три тысячи физиков. Сейчас объем данных такой, что уже интернет не справляется. Придумана новая система ГРИД, она опробована как раз в ЦЕРНе. Вы наверняка про нее когда-нибудь услышите, потому что это система, которая позволяет распределенным образом работать с гигантскими объемами информации: распределять, обрабатывать, собирать результаты и т. д.

— К вопросу о масштабе участия в этом проекте. Сколько людей работает в нем?

— В общей сложности около десяти тысяч только физиков. Но они постоянно не находятся в Швейцарии, только время от времени ездят в ЦЕРН, но в основном работают дома, у себя в институтах, ведут обработку данных, придумывают, как это сделать. Это большое сообщество, которое интересно устроено, потому это самоорганизующаяся структура.

— Если говорить об удаленном взаимодействии, то там есть определенные факторы секретности?

— Нет, никакой секретности в обычном понимании этого слова, все результаты в конце концов становятся открытыми для всех. Но до официальной публикации никакая информация из коллаборации не выходит. Пока все не перепроверят внутри коллаборации, пока не опубликуют в докладе на конференции или в журнале, никаких утечек. Там у них очень жесткая дисциплина в этом отношении.

— Даже если это просто мой друг и коллега, с которым я работаю в одном научно-исследовательском институте, он мне не расскажет?

— Не имеет права.

— А кому-то другому, кто находится за километры, будет рассказывать.

— Если они члены этой коллаборации, то, конечно, будут это обсуждать, пока коллаборация не пришла к тому, что, да, эти результаты абсолютно надежны и достоверны. Пока такого нет, никто ничего не знает. Только какие-то неясные слухи ходят.

— Раз мы говорим про Большой адронный коллайдер, надо понимать, что это не только бозон Хиггса, но еще целый ряд разных экспериментов.

— Конечно. Если говорить о будущем, Большой адронный коллайдер заработает в начале 2015 года на полную энергию, и есть основания ожидать, что там появится нечто совершенно новое с точки зрения Стандартной модели. Произойдет выход за рамки Стандартной модели, будут обнаружены новые частицы, новые взаимодействия, может быть, новые структуры. Все это очень увлекательно и интересно. И в отличие от того, что было до последнего времени, плохо предсказуемо.

— Если говорить о дальнейшем развитии физики элементарных частиц, не только бозона Хиггса, что это за история с линейным коллайдером, зачем он нужен?

Результат эксперимента на коллайдере где была найдена новая частица

— Вообще, конечно, надо как минимум очень хорошо померить свойства бозона Хиггса. Действительно ли они такие, как предсказывается наивным вариантом Стандартной модели, или все-таки они не совсем такие, и, значит, есть какие-то новые физические явления, которые пока на Большом адронном коллайдере не открыты. Но протонные машины — это машины, в которых сталкиваются два мешка из частиц, два кирпича. Когда вы лупите протоном по протону, оттуда летит много всего лишнего, не того, что вам интересно. Протоны — это составные частицы; когда они сталкиваются, рождается море частиц, которое вас не интересует, мусор фактически. А есть электрон-позитронные коллайдеры. Электрон — это точечная частица, позитрон — тоже. Поэтому, когда они сталкиваются, у вас появляется чистое событие. Поэтому протонные машины называют машинами открытий, а электрон-позитронные коллайдеры — машинами прецизионных измерений. Как минимум для того, чтобы точно измерить свойства бозона Хиггса, его взаимодействия с другими частицами, нужен электрон-позитронный коллайдер. Для энергии, которая требуется для рождения бозона Хиггса, наверное, придется делать линейный коллайдер, а не кольцевой, как это было до сих пор. В кольцевой машине образуется синхротронное излучение. Если электроны, которые там летают, имеют высокие энергии, то это изучение мощное, оно уносит энергию, поэтому надо все время закачивать энергию. Поэтому на самые высокие энергии кольцевой коллайдер не построить, наверное, хотя такие проекты тоже есть. Люди сейчас обсуждают (и вполне конкретно обсуждают) линейный электрон-позитронный коллайдер.

— Если попробовать сформулировать коротко, какие основные наиболее сложные или наиболее интересные вопросы внутри физики элементарных частиц сегодня стоят?

— Основной вопрос: что стоит за этим хиггсовским сектором, действительно ли бозон Хиггса один, действительно ли он элементарный, нет ли суперсимметрии? В общем, открыли ли мы уже все в доступной области энергий или же нас ожидают совершенно новые явления? И очень хотелось бы, чтобы среди этих новых явлений были явления, ответственные за темную материю. В нашей Вселенной есть загадочные частицы темной материи, про которые мы не знаем, что это такое — их много, по массе их больше, чем обычного вещества. И есть более или менее обоснованная надежда, что эти частицы тоже могут рождаться на Большом адронном коллайдере. Проникнуть в эту область было бы очень интересно.

futuraptor.com - интернет-журнал, публикующий новости науки и технологий,  об их влиянии на различные сферы жизни человека.

Человек построил вокруг себя собственный мир - мир в котором даже его творцу теперь непросто ориентироваться. Проявления технологий различно - это и IT, и робототехника, био- и генная инженерия, огромное культурологическое влияние - в музыке, кино, книгах, телевидение. Поток информации просто ошеломляет - достаточно лишь подписаться на десяток околонаучных твиттеров и новостная лента будет обновляться быстрее, чем вы ее сможете прочесть. Столько всего нового и так мало времени. Наша скромная миссия - предоставить на нашем сайте возможность прочесть самое интересное, а иногда и полезное, что может появиться в сети. Вместо множества источников - выберите один, наш сайт(у нас есть твиттер @futuraptorr, а также страницы в социальных сетях) и обеспечьте себя интересным чтением в минуты досуга. 

Современные достижения науки и техники, новые технологии, электроника, компьютеры, роботы, гаджеты, мобильные устройства, интересные разработки известных корпораций, средства коммуникаций, футуристические концепты, космические исследования, интересное и полезное в сети, изобретения - все это и многое другое в новостях и обзорах на этом сайте. А также о вещах смежных(скорее субъективно, нежели объективно). 

Мы всегда готовы поведать о чем-то новом, о том что на самом краю. И если у вас есть идея для нас, просто оставьте комментарий к статье. Мы всегда читаем комментарии. Или напишите нам на story@futuraptor.com

Остались вопросы? Отправьте форму на странице обратной связи

Новые статьи

Квадрокоптер Walkera Voyager 4 позволяет делать снимки с километра

Данная модель является одной из первых в потребительском сегменте, которая может быть укомплектована камерой с оптическим 16X зумом.

Walkera F210 3D – гоночный квадрокоптер для состязаний и не только

Сравнительно недорогой FPV-беспилотник с хорошей управляемостью и прочной конструкцией.