Ние, екипът на Quantuz (опитвайки се да се присъединим към общността на GT) предлагаме нашия превод на раздела от уебсайта particleadventure.org, посветен на Хигс бозона. В този текст сме изключили неинформативни снимки (за пълната версия вижте оригинала). Материалът ще бъде интересен за всички, които се интересуват от най-новите постижения на приложната физика.
Ролята на Хигс бозона
Бозонът на Хигс е последната частица, открита в Стандартния модел. Това е критичен компонент на теорията. Неговото откритие помогна да се потвърди механизмът за това как фундаменталните частици придобиват маса. Тези фундаментални частици в Стандартния модел са кварки, лептони и частици, пренасящи сила.1964 теория
През 1964 г. шестима физици теоретични предположиха съществуването на ново поле (като електромагнитно поле), което изпълва цялото пространство и решава критичен проблем в нашето разбиране за Вселената.Независимо други физици разработиха теория за фундаменталните частици, в крайна сметка наречена Стандартен модел, която осигури феноменална точност (експерименталната точност на някои части от Стандартния модел достига 1 на 10 милиарда. Това е еквивалентно на предсказване на разстоянието между Ню Йорк и Сан Франциско с точност около 0,4 mm). Тези усилия се оказаха тясно свързани помежду си. Стандартният модел се нуждаеше от механизъм за частиците да придобият маса. Теорията на полето е разработена от Питър Хигс, Робърт Браут, Франсоа Енглерт, Джералд Гуралник, Карл Хаген и Томас Кибъл.
Бозон
Питър Хигс осъзнава, че по аналогия с други квантови полета трябва да има частица, свързана с това ново поле. Той трябва да има спин, равен на нула, и следователно да бъде бозон - частица с цяло число (за разлика от фермионите, които имат половин цяло число: 1/2, 3/2 и т.н.). И наистина скоро стана известен като Хигс бозона. Единственият му недостатък беше, че никой не го видя.Каква е масата на бозона?
За съжаление, теорията, която предсказа бозона, не уточнява неговата маса. Минаха години, докато стана ясно, че бозонът на Хигс трябва да е изключително тежък и най-вероятно извън обсега на съоръженията, построени преди Големия адронен колайдер (LHC).Не забравяйте, че според E=mc 2, колкото по-голяма е масата на частицата, толкова повече енергия е необходима за нейното създаване.
По времето, когато LHC започна да събира данни през 2010 г., експерименти на други ускорители показаха, че масата на Хигс бозона трябва да бъде по-голяма от 115 GeV/c2. По време на експериментите в LHC беше планирано да се търсят доказателства за бозон в масовия диапазон 115-600 GeV/c2 или дори по-висок от 1000 GeV/c2.
Всяка година беше експериментално възможно да се изключат бозони с по-висока маса. През 1990 г. беше известно, че необходимата маса трябва да бъде по-голяма от 25 GeV/c2, а през 2003 г. се оказа, че е по-голяма от 115 GeV/c2
Сблъсъците в Големия адронен колайдер могат да доведат до много интересни неща
Денис Овърбай в New York Times говори за пресъздаване на условията на една трилионна част от секундата след Големия взрив и казва:« ...останките от [експлозията] в тази част на космоса не са били виждани откакто Вселената е изстинала преди 14 милиарда години - пролетта на живота е мимолетна, отново и отново във всичките му възможни вариации, сякаш Вселената участваха в собствената си версия на филма Groundhog Day»
Един от тези „останки“ може да е бозонът на Хигс. Масата му трябва да е много голяма и трябва да се разпадне за по-малко от наносекунда.
Съобщение
След половинвековно очакване драмата стана напрегната. Физиците спаха извън аудиторията, за да заемат местата си на семинар в лабораторията на CERN в Женева.На десет хиляди мили разстояние, на другия край на планетата, на престижна международна конференция по физика на елементарните частици в Мелбърн, стотици учени от всички краища на света се събраха, за да чуят предаването на семинара от Женева.
Но първо, нека да разгледаме фона.
Фойерверки 4 юли
На 4 юли 2012 г. директорите на експериментите ATLAS и CMS в Големия адронен колайдер представиха последните си резултати в търсенето на бозона на Хигс. Имаше слухове, че ще докладват нещо повече от доклад за резултатите, но какво?Със сигурност, когато резултатите бяха представени, и двете сътрудничества, които извършиха експериментите, съобщиха, че са открили доказателства за съществуването на частица, подобна на бозона на Хигс, с маса от около 125 GeV. Определено беше частица и ако не е бозонът на Хигс, значи е негова много качествена имитация.
Доказателствата не бяха неубедителни; учените имаха резултати от пет сигма, което означава, че има по-малко от едно на милион шанс данните да са просто статистическа грешка.
Хигс бозонът се разпада на други частици
Хигс бозонът се разпада на други частици почти веднага след като е произведен, така че можем да наблюдаваме само неговите разпадни продукти. Най-често срещаните разпадания (сред тези, които можем да видим) са показани на фигурата:
Всеки режим на разпадане на бозона на Хигс е известен като "канал на разпадане" или "режим на разпадане". Въпреки че режимът bb е често срещан, много други процеси произвеждат подобни частици, така че ако наблюдавате разпадане на bb, е много трудно да разберете дали частиците се дължат на Хигс бозона или нещо друго. Ние казваме, че режимът на разпадане на bb има "широк фон".
Най-добрите канали за разпад за търсене на Хигс бозона са каналите на два фотона и два Z бозона.*
*(Технически, за маса на Хигс бозон от 125 GeV, разпадането на два Z бозона не е възможно, тъй като Z бозонът има маса от 91 GeV, което води до маса на двойката от 182 GeV, по-голяма от 125 GeV. Въпреки това, това, което наблюдаваме, е разпадане на Z-бозон и виртуален Z-бозон (Z*), чиято маса е много по-малка.)
Разпадането на Хигс бозона до Z + Z
Z бозоните също имат няколко режима на разпадане, включително Z → e+ + e- и Z → µ+ + µ-.Режимът на разпадане Z + Z беше доста прост за експериментите ATLAS и CMS, като и двата Z бозона се разпадаха в един от двата режима (Z → e+ e- или Z → µ+ µ-). Фигурата показва четири наблюдавани режима на разпадане на Хигс бозона:
Крайният резултат е, че понякога наблюдателят ще види (в допълнение към някои несвързани частици) четири мюона, или четири електрона, или два мюона и два електрона.
Как би изглеждал бозонът на Хигс в детектора ATLAS
В този случай „струята“ (струята) се появи надолу, а Хигс бозонът се издигаше, но се разпадна почти моментално. Всяка картина на сблъсък се нарича "събитие".
Пример за събитие с възможен разпад на Хигс бозонапод формата на красива анимация на сблъсъка на два протона в Големия адронен колайдер, можете да го видите на уебсайта на източника на тази връзка.
В този случай може да се произведе бозон на Хигс и след това веднага да се разпадне на два Z бозона, които от своя страна незабавно се разпадат (оставяйки два мюона и два електрона).
Механизъм, който придава маса на частиците
Откриването на бозона на Хигс е невероятна следа за това как фундаменталните частици придобиват маса, както твърдят Хигс, Браут, Енглер, Джералд, Карл и Кибъл. Що за механизъм е това? Това е много сложна математическа теория, но основната й идея може да бъде разбрана чрез проста аналогия.Представете си пространство, изпълнено с полето на Хигс, като група физици, които спокойно общуват помежду си с коктейли...
В един момент Питър Хигс влиза и създава вълнение, като се движи през стаята, привличайки група фенове с всяка стъпка...
Преди да влезе в стаята, професор Хигс можеше да се движи свободно. Но след като влезе в стая, пълна с физици, скоростта му намаля. Група фенове забавиха движението му през стаята; с други думи, той натрупа маса. Това е аналогично на безмасова частица, придобиваща маса при взаимодействие с полето на Хигс.
Но всичко, което искаше, беше да стигне до бара!
(Идеята за аналогията е на проф. Дейвид Дж. Милър от University College London, който спечели наградата за достъпно обяснение на бозона на Хигс - © CERN)
Как бозонът на Хигс получава собствена маса?
От друга страна, докато новината се разпространява из стаята, те също формират групи от хора, но този път изключително от физици. Такава група може бавно да се движи из стаята. Подобно на други частици, Хигс бозонът придобива маса просто чрез взаимодействие с полето на Хигс.
Намиране на масата на Хигс бозона
Как намирате масата на Хигс бозона, ако той се разпада на други частици, преди да го открием?Ако решите да сглобите велосипед и искате да знаете неговата маса, трябва да съберете масите на частите на велосипеда: две колела, рамка, кормило, седло и др.
Но ако искате да изчислите масата на Хигс бозона от частиците, на които се е разпаднал, не можете просто да съберете масите. защо не
Добавянето на масите на частиците от разпад на Хигс бозона не работи, тъй като тези частици имат огромна кинетична енергия в сравнение с енергията на покой (не забравяйте, че за частица в покой E = mc 2). Това се дължи на факта, че масата на бозона на Хигс е много по-голяма от масите на крайните продукти от неговия разпад, така че останалата енергия отива някъде, а именно в кинетичната енергия на частиците, които възникват след разпадането. Теорията на относителността ни казва да използваме уравнението по-долу, за да изчислим "инвариантната маса" на набор от частици след разпадане, което ще ни даде масата на "родителя", Хигс бозона:
E 2 = p 2 c 2 + m 2 c 4
Намиране на масата на Хигс бозона от неговите разпадни продукти
Забележка на Quantuz: тук сме малко сигурни в превода, тъй като има специални термини. Предлагаме за всеки случай да сравните превода с източника.Когато говорим за разпад като H → Z + Z* → e+ + д- + µ+ + µ-, тогава четирите възможни комбинации, показани по-горе, могат да възникнат както от разпадането на Хигс бозона, така и от фоновите процеси, така че трябва да разгледаме хистограмата на общата маса на четирите частици в тези комбинации.
Хистограмата на масата предполага, че наблюдаваме огромен брой събития и отбелязваме броя на тези събития, когато се получи получената инвариантна маса. Прилича на хистограма, защото стойностите на инвариантната маса са разделени на колони. Височината на всяка колона показва броя на събитията, при които инвариантната маса е в съответния диапазон.
Можем да си представим, че това са резултатите от разпадането на Хигс бозона, но това не е така.
Данни за Хигс бозона от заден план
Червените и лилавите области на хистограмата показват "фона", в който се очаква броят на събитията с четири лептона да се случат без участието на бозона на Хигс.Синята област (вижте анимацията) представлява "сигналната" прогноза, в която броят на събитията с четири лептона подсказва резултата от разпадането на бозона на Хигс. Сигналът се поставя в горната част на фона, защото за да получите общия предвиден брой събития, просто събирате всички възможни резултати от събития, които биха могли да се случат.
Черните точки показват броя на наблюдаваните събития, докато черните линии, минаващи през точките, представляват статистическата несигурност в тези числа. Покачването на данните (вижте следващия слайд) при 125 GeV е знак за нова частица от 125 GeV (Хигс бозон).
Анимация на еволюцията на данните за бозона на Хигс, докато се натрупват, е на оригиналния уебсайт.
Сигналът на Хигс бозона се издига бавно над фона.
Данни от Хигс бозона, разпадащ се на два фотона
Разпад на два фотона (H → γ + γ) има още по-широк фон, но въпреки това сигналът е ясно разграничен.
Това е хистограма на инвариантната маса за разпадането на Хигс бозона на два фотона. Както можете да видите, фонът е много широк в сравнение с предишната диаграма. Това е така, защото има много повече процеси, които произвеждат два фотона, отколкото има процеси, които произвеждат четири лептона.
Прекъснатата червена линия показва фона, а дебелата червена линия показва сумата от фона и сигнала. Виждаме, че данните са в добро съответствие с нова частица около 125 GeV.
Недостатъци на ранните данни
Данните бяха убедителни, но не перфектни и имаха значителни ограничения. До 4 юли 2012 г. нямаше достатъчно статистика, за да се определи скоростта, с която дадена частица (бозонът на Хигс) се разпада на различни набори от по-малко масивни частици (така наречените „пропорции на разклоняване“), предвидени от Стандартния модел.„Коефициентът на разклоняване“ е просто вероятността една частица да се разпадне през даден канал на разпадане. Тези пропорции се предвиждат от Стандартния модел и се измерват чрез многократно наблюдение на разпада на едни и същи частици.
Следната графика показва най-добрите измервания на пропорциите на разклоняване, които можем да направим от 2013 г. Тъй като това са пропорциите, предвидени от стандартния модел, очакването е 1,0. Точките са текущите измервания. Очевидно лентите за грешки (червени линии) са все още твърде големи, за да се правят сериозни заключения. Тези сегменти се съкращават при получаване на нови данни и е възможно точките да се преместят.
Как да разберете, че човек наблюдава кандидат събитие за Хигс бозона? Има уникални параметри, които отличават такива събития.
Хигс бозон ли е частицата?
Въпреки че новата частица беше открита, скоростта, с която се случваше, все още не беше ясна до 4 юли. Дори не беше известно дали откритата частица има правилните квантови числа - тоест дали има спин и паритет, необходими за бозона на Хигс.С други думи, на четвърти юли частицата изглеждаше като патица, но трябваше да сме сигурни, че плува като патица и квака като патица.
Всички резултати от експериментите ATLAS и CMS на Големия адронен колайдер (както и колайдера Tevatron във Fermilab) след 4 юли 2012 г. показаха забележително съгласие с очакваните пропорции на разклоняване за петте режима на разпад, обсъдени по-горе, и съгласие с очакваното въртене (равно на нула) и паритет (равно на +1), които са основните квантови числа.
Тези параметри са важни при определянето дали новата частица наистина е бозонът на Хигс или някаква друга неочаквана частица. Така че всички налични доказателства сочат към бозона на Хигс от Стандартния модел.
Някои физици сметнаха това за разочарование! Ако новата частица е бозонът на Хигс от Стандартния модел, тогава Стандартният модел е по същество завършен. Всичко, което може да се направи сега, е да се направят измервания с нарастваща прецизност на това, което вече е открито.
Но ако новата частица се окаже нещо, което не е предвидено от Стандартния модел, това ще отвори вратата за много нови теории и идеи, които да бъдат тествани. Неочакваните резултати винаги изискват нови обяснения и помагат за тласъка на теоретичната физика напред.
Откъде идва масата във Вселената?
В обикновената материя по-голямата част от масата се съдържа в атоми и, за да бъдем по-точни, се съдържа в ядро, състоящо се от протони и неутрони.Протоните и неутроните са изградени от три кварка, които получават своята маса чрез взаимодействие с полето на Хигс.
НО... масите на кварките допринасят с около 10 MeV, което е около 1% от масата на протона и неутрона. И така, откъде идва останалата маса?
Оказва се, че масата на протона възниква от кинетичната енергия на съставните му кварки. Както, разбира се, знаете, масата и енергията са свързани с равенството E=mc 2.
Така че само малка част от масата на обикновената материя във Вселената принадлежи на механизма на Хигс. Въпреки това, както ще видим в следващия раздел, Вселената би била напълно необитаема без масата на Хигс и нямаше кой да открие механизма на Хигс!
Ако нямаше полето на Хигс?
Ако нямаше полето на Хигс, каква би била Вселената?Не е толкова очевидно.
Със сигурност нищо не би свързало електроните в атомите. Щяха да се разлетят със скоростта на светлината.
Но кварките са свързани със силно взаимодействие и не могат да съществуват в свободна форма. Някои свързани състояния на кварките може да са запазени, но не е ясно за протоните и неутроните.
Всичко това вероятно би било ядрено-подобна материя. И може би всичко това се е сринало в резултат на гравитацията.
Факт, в който сме сигурни: Вселената ще бъде студена, тъмна и безжизнена.
Така бозонът на Хигс ни спасява от една студена, тъмна, безжизнена вселена, в която няма хора, които да открият бозона на Хигс.
Бозонът на Хигс бозон от Стандартния модел ли е?
Знаем със сигурност, че частицата, която открихме, е бозонът на Хигс. Знаем също, че той е много подобен на бозона на Хигс от Стандартния модел. Но има две точки, които все още не са доказани:1. Въпреки факта, че бозонът на Хигс е от Стандартния модел, има малки несъответствия, показващи съществуването на нова физика (в момента неизвестна).
2. Има повече от един бозон на Хигс с различни маси. Това също предполага, че ще има нови теории за изследване.
Само времето и новите данни ще разкрият или чистотата на Стандартния модел и неговия бозон, или нови вълнуващи физически теории.
Елементарната частица Хигс бозон, кръстена на британския физик Питър Хигс, който теоретично предсказва съществуването й още през 1964 г., е може би една от най-мистериозните и удивителни в съвременната физика. Именно тя предизвика много спорове и дискусии в научната общност и някой дори й присвои толкова необичаен епитет като „парче от Бог“. Има и скептици, които твърдят, че Хигс бозонът не съществува и всичко това не е нищо повече от научна измама. Какво всъщност представлява бозонът на Хигс, как е открит, какви свойства притежава, прочетете за това по-нататък.
Какво е бозонът на Хигс: обяснение на прост език
За да се обясни същността на Хигс бозона възможно най-просто и ясно не само на учен физик, но и на обикновен човек, който се интересува от наука, е необходимо да се прибегне до езика на алегориите и сравненията. Въпреки че, разбира се, всички алегории и сравнения, които се отнасят до физиката на елементарните частици, не могат да бъдат верни и точни. Едно и също електромагнитно поле или квантова вълна не е нито поле, нито вълна в смисъла, в който хората обикновено си ги представят, както и самите атоми в никакъв случай не са по-малки копия на Слънчевата система, в която електроните се въртят около атомното ядро като планети около тях. И въпреки че алегориите и сравненията все още не предават самата същност на онези неща, които се случват в квантовата физика, те все пак ни позволяват да се доближим до разбирането на тези неща.
Интересен факт: през 1993 г. британският министър на образованието дори обяви конкурс за най-просто обяснение какво е бозонът на Хигс. Победител беше обяснение, свързано с партито.
И така, представете си претъпкано парти, тогава някаква знаменитост (например „рок звезда“) влиза в стаята и гостите веднага започват да я следват, всеки иска да общува със „звездата“, докато самата „рок звезда“ се движи по-бавно отколкото всички останали гости. След това хората се събират в отделни групи, в които обсъждат някакви новини или клюки, свързани с тази рок звезда, като хората се движат хаотично от група в група. В резултат на това изглежда, че хората обсъждат клюки, близки около знаменитостта, но без прякото му участие. И така, всички хора, участващи в партито, са полето на Хигс, групи от хора са смущение на полето, а самата знаменитост, поради която са се образували, е бозонът на Хигс.
Ако тази алегория не ви е съвсем ясна, ето още една: представете си гладка билярдна маса, върху която има топки - елементарни частици. Тези топки лесно се разпръскват в различни посоки и се движат навсякъде без препятствия. Сега си представете, че билярдната маса е покрита с някакво лепкаво вещество, което затруднява движението на топките по нея. Тази лепкава маса е полето на Хигс, масата на това поле е равна на масата на частиците, които се придържат към него. Хигс бозонът е частицата, която съответства на това лепкаво поле. Тоест, ако ударите силно билярдна маса с тази лепкава маса, тогава малко количество от тази много лепкава маса временно ще образува балон, който скоро отново ще се разпространи върху масата и така този балон е бозонът на Хигс.
Откриване на Хигс бозона
Както писахме в началото, бозонът на Хигс е открит за първи път теоретично от британския физик Питър Хигс, който предполага, че някаква неизвестна досега елементарна частица участва в процеса на спонтанно нарушаване на електрослабата симетрия в стандартния модел на физиката на елементарните частици. Това се случи през 1964 г., веднага след това започна търсенето на реалното съществуване на тази елементарна частица, но дълги години те се провалиха. Поради това някои учени на шега започнаха да наричат Хигс бозона „проклетата частица“ или „Божията частица“.
И така, за да се потвърди или опровергае съществуването на тази мистериозна „частица на Бог“, през 2012 г. беше построен гигантски ускорител на частици. Експериментите върху нея експериментално потвърдиха съществуването на бозона на Хигс, а откривателят на частицата Питър Хигс спечели Нобелова награда за физика през 2013 г. за това откритие.
Връщайки се към нашата аналогия с билярдната маса, за да видят бозона на Хигс, физиците трябваше да ударят тази лепкава маса, която лежи на масата, с необходимата сила, за да извадят балон от нея, самия бозон на Хигс. И така, ускорителите на частици от миналия 20-ти век не бяха толкова мощни, че да осигурят „удар по масата“ с необходимата сила и само Големият адронен колайдер, създаден в началото на нашия 21-ви век, както се казва, помогна физиците „удрят по масата“ с необходимата сила и виждат със собствените си очи „парче от Бог“.
Ползите от Хигс бозона
За човек, далеч от науката като цяло и от физиката в частност, търсенето на определена елементарна частица може да изглежда безсмислено, но откриването на бозона на Хигс е от голямо значение за науката. На първо място, познанията ни за бозона ще помогнат при изчисленията, които се извършват в теоретичната физика при изучаване на структурата на Вселената.
По-специално, физиците предполагат, че цялото пространство около нас е изпълнено с бозони на Хигс. При взаимодействие с други елементарни частици бозоните им предават своята маса и ако е възможно да се изчисли масата на някои елементарни частици, то може да се изчисли и масата на Хигс бозона. И ако имаме масата на Хигс бозона, тогава използвайки я, вървейки в обратна посока, можем да изчислим и масите на други елементарни частици.
Разбира се, всичко това са много аматьорски разсъждения от гледна точка на академичната физика, но нашето списание е и научно-популярно, за да говорим за сериозни научни въпроси на прост и разбираем език.
Опасността от Хигс бозона
Притесненията относно бозона на Хигс и експериментите с него бяха идентифицирани от британския учен Стивън Хокинг. Според Хокинг бозонът на Хигс е изключително нестабилна елементарна частица и в резултат на определен набор от обстоятелства може да доведе до разпадане на вакуума и пълното изчезване на такива понятия като пространство и време. Но не се притеснявайте, за да се случи нещо подобно, е необходимо да се изгради колайдер с размерите на цялата ни планета.
Свойства на Хигс бозона
- Хигс бозонът, както и другите елементарни частици, е обект на влияние.
- Хигс бозонът има нулев спин (ъглов импулс на елементарните частици).
- Бозонът на Хигс има електрически и цветен заряд.
- Има 4 основни канала за раждането на Хигс бозона: след сливането на 2 глуона (главен), сливането на WW или ZZ двойки, придружено от W или Z бозон, заедно с топ кварки.
- Хигс бозонът се разпада на двойка b-кварк-b-антикварк, на 2 фотона, на две двойки електрон-позитрон и/или мюон-антимуон, или на двойка електрон-позитрон и/или мюон-антимуон с двойка неутрино.
Няколко думи към скептиците
Разбира се, има и скептици, които твърдят, че Хигс бозон в действителност не съществува и че всичко това е измислено от учени с егоистична цел да вземат парите на данъкоплатците, които уж отиват за научни изследвания на елементарни частици, а всъщност в джобовете на определени хора.
Хигс бозон, видео
И в заключение едно интересно документално видео за Хигс бозона.
Останала неуловима дълго време, така наречената Божия частица най-накрая е уловена. Бозонът на Хигс беше липсващото парче от пъзела, наречен Стандартен модел. Учените смятат, че този бозон е отговорен за масата на частиците. По-специално, Големият адронен колайдер е построен специално за търсене на бозона на Хигс, който се справи с основната си задача. Но пред учените възникнаха нови мистерии: наистина ли има един бозон на Хигс? Освен това откриването на този бозон по никакъв начин не обяснява парадоксалното съществуване на тъмната материя, което напоследък все повече занимава физиците.
Физиците най-накрая видяха как фундаментална частица, открита за първи път в Големия адронен колайдер, се разпада на два красиви кварка, екзотични, краткотрайни частици, които често се появяват след сблъсъци на високоенергийни частици. Успяхме да наблюдаваме този неуловим процес едва сега, за първи път от шест години след откриването на Хигс бозона. Учените от два LHC експеримента, ATLAS и CMS, докладваха резултатите си едновременно на семинар, проведен в CERN на 28 август.
Можем да се обзаложим на голяма сума, че повечето от вас (включително хората, интересуващи се от наука) нямат много добра представа какво са открили физиците в Големия адронен колайдер, защо са го търсили толкова дълго и какво ще се случи след това .
Ето защо, кратка история за това какво е бозонът на Хигс.
Трябва да започнем с факта, че хората като цяло са много слаби в това да си представят какво се случва в микрокосмоса, в мащаба на елементарните частици.
Например, много хора от училище си представят, че електроните са малки жълти топчета, като мини-планети, въртящи се около ядрото на атома, или изглежда като малина, съставена от червени и сини протони-неутрони. Тези, които са донякъде запознати с квантовата механика от популярните книги, си представят елементарните частици като размазани облаци. Когато ни кажат, че всяка елементарна частица също е вълна, ние си представяме вълни в морето (или в океана): повърхността на триизмерна среда, която периодично осцилира. Ако ни кажат, че една частица е събитие в определено поле, ние си представяме поле (нещо бръмчещо в празнотата, като трансформаторна кутия).
Всичко това е много лошо. Думите "частица", "поле" и "вълна" отразяват реалността изключително слабо и няма как да си ги представим. Какъвто и визуален образ да ви хрумне, ще бъде неправилен и ще пречи на разбирането. Елементарните частици не са нещо, което по принцип може да се види или „пипне“, а ние, потомците на маймуните, сме създадени да си представяме само такива неща. Не е вярно, че един електрон (или фотон, или бозон на Хигс) „е едновременно частица и вълна“; това е нещо трето, за което никога не е имало думи в нашия език (като ненужно). Ние (в смисъл, човечеството) знаем как се държат, можем да правим някои изчисления, можем да организираме експерименти с тях, но не можем да им намерим добър умствен образ, защото неща, които са поне приблизително подобни на елементарните частици, не са изобщо се среща в нашата скала.
Професионалните физици не се опитват да си представят визуално (или по някакъв друг начин от гледна точка на човешките чувства) какво се случва в микрокосмоса; това е лош път, не води доникъде. Те постепенно развиват някаква интуиция за това какви обекти живеят там и какво ще се случи с тях, ако направят това и това, но непрофесионалистът едва ли ще може да го повтори.
Така че, надявам се, че вече не мислиш за малки топки. Сега за това какво са търсили и открили в Големия адронен колайдер.
Общоприетата теория за това как светът работи в най-малки мащаби се нарича Стандартен модел. Според нея нашият свят работи така. Той съдържа няколко фундаментално различни вида материя, които взаимодействат помежду си по различни начини. Понякога е удобно да се говори за такива взаимодействия като обмен на определени „обекти“, за които може да се измери скорост, маса, да ги ускори или да ги избута един срещу друг и т.н. В някои случаи е удобно да ги наричаме (и да мислим за тях) като частици носители. В модела има 12 вида такива частици. Напомням, че всичко, за което пиша сега, все още е неточно и профанация; но, надявам се, все още много по-малко от повечето медийни съобщения. (Например „Ехото на Москва” на 4 юли се отличи с израза „5 точки по сигма-скалата”; разбиращите ще го оценят).
По един или друг начин 11 от 12-те частици на Стандартния модел вече са били наблюдавани преди. 12-ият е бозон, съответстващ на полето на Хигс - това, което дава маса на много други частици. Много добра (но, разбира се, и неправилна) аналогия, която не е измислена от мен: представете си идеално гладка билярдна маса, върху която има билярдни топки - елементарни частици. Те лесно се разпръскват в различни посоки и се движат навсякъде без намеса. Сега си представете, че масата е покрита с някаква лепкава маса, която пречи на движението на частиците: това е полето на Хигс и степента, до която частицата се придържа към такова покритие, е нейната маса. Полето на Хигс не взаимодейства по никакъв начин с някои частици, например с фотони, и тяхната маса съответно е нула; Човек може да си представи, че фотоните са като шайба във въздушния хокей и покритието изобщо не се забелязва.
Цялата тази аналогия е неправилна, например, защото масата, за разлика от нашето лепкаво покритие, пречи на частицата да се движи, а да се ускори, но дава известна илюзия за разбиране.
Хигс бозонът е частицата, съответстваща на това „лепкаво поле“. Представете си да удряте билярдна маса много силно, да повредите филца и да смачкате малко количество от лепкавото вещество в гънка, подобна на мехур, която бързо изтича обратно. Това е.
Всъщност точно това прави Големият адронен колайдер през всичките тези години и така изглеждаше приблизително процесът на получаване на бозона на Хигс: удряме масата с всички сили, докато самият плат започне да се трансформира от много статична, твърда и лепкава повърхност в нещо по-интересно (или докато се случи нещо още по-прекрасно, което не е предвидено от теорията). Ето защо LHC е толкова голям и мощен: те вече са се опитвали да ударят масата с по-малко енергия, но без успех.
Сега за прословутата 5 сигма. Проблемът с горния процес е, че можем само да чукаме и да се надяваме, че нещо ще излезе от него; Няма гарантирана рецепта за получаване на Хигс бозона. Още по-лошо, когато най-накрая се роди, трябва да имаме време да го регистрираме (естествено, невъзможно е да го видим и той съществува само за незначителна част от секундата). Какъвто и детектор да използваме, можем само да кажем, че изглежда може да сме наблюдавали нещо подобно.
Сега си представете, че имаме специален зар; тя пада на случаен принцип върху едно от шестте лица, но ако бозонът на Хигс е близо до него точно в този момент, тогава шестицата никога няма да изпадне. Това е типичен детектор. Ако хвърлим заровете веднъж и в същото време ударим масата с всичка сила, тогава никакъв резултат няма да ни каже нищо: излезе ли като 4? Доста вероятно събитие. Хвърлихте ли 6? Може би просто сме ударили леко масата в неподходящия момент и бозонът, въпреки че съществува, не е имал време да се роди в правилния момент или, обратно, е успял да се разпадне.
Но можем да направим този експеримент няколко пъти и дори много пъти! Страхотно, нека хвърлим заровете 60 000 000 пъти. Да кажем, че шестте се появяват "само" 9 500 000 пъти, а не 10 000 000; означава ли това, че от време на време се появява бозон или е просто приемлива случайност - ние не вярваме, че зарът трябва да е шестица гладка 10 милиона пъти от 60?
Ами ъъъ. Такива неща не могат да бъдат оценени на око; Колкото по-голямо е отклонението, толкова по-малка е вероятността костта просто да е легнала така случайно и толкова по-голяма е вероятността от време на време (не винаги) да се е появила нова елементарна частица, която да й попречи да легне като шестица. Удобно е отклонението от средната стойност да се изрази в „сигми“. „Една сигма“ е нивото на отклонение, което е „най-очакваното“ (конкретната му стойност може да бъде изчислена от всеки студент трета година във Физическия или Математическия факултет). Ако има доста експерименти, тогава отклонение от 5 сигма е нивото, когато мнението „случайността е малко вероятно“ се превръща в абсолютно твърда увереност.
Физиците обявиха постигането на приблизително това ниво на отклонения на два различни детектора на 4 юли. И двата детектора се държаха много подобно на начина, по който биха се държали, ако частицата, получена при силен удар върху масата, всъщност беше бозон на Хигс; Строго погледнато, това не означава, че това е точно това, което имаме пред нас; трябва да измерваме всякакви други негови характеристики с всякакви други детектори. Но остават малко съмнения.
И накрая за това какво ни очаква в бъдеще. Открита ли е „нова физика“ и е направен пробив, който ще ни помогне да създадем хиперпространствени двигатели и абсолютно гориво? не; и дори обратното: стана ясно, че в тази част от физиката, която изучава елементарните частици, чудеса не се случват и природата е устроена почти така, както са предполагали физиците през цялото време (е, или почти така). Дори е малко тъжно.
Ситуацията се усложнява от факта, че знаем с абсолютна сигурност, че по принцип не може да бъде структурирана точно така. Стандартният модел е чисто математически несъвместим с общата теория на относителността на Айнщайн и двете просто не могат да бъдат верни едновременно.
И къде да копаем сега, все още не е много ясно (не че изобщо няма мисли, по-скоро, напротив: има твърде много различни теоретични възможности и има много по-малко начини да ги тествате). Е, може би на някого е ясно, но със сигурност не на мен. Отдавна съм надхвърлил компетентността си в този пост. Ако някъде съм излъгал лошо, поправете ме.
На 7 юни 2018 г. в Културно-образователния център „Архе“ се проведе лекция на академик на Руската академия на науките Валерий Рубаков за Хигс бозона и изследванията, които се провеждат в момента в LHC. С любезното съгласие на "Архе" публикуваме авторизирани Б . А. Рубаковпрезентация на тази лекция, подготвена от Борис Стърн.
Откриването на бозона на Хигс беше обявено на 4 юли 2012 г. на семинар в ЦЕРН. Беше казано доста предпазливо: открита е нова частица и нейните свойства са в съответствие с предсказаните свойства на Хигс бозона. И през следващите години постепенно се убеждавахме все повече и повече, че свойствата са точно такива, каквито предсказаха теоретиците, и то в най-наивния модел. Най-важното е, че това, както казват теоретиците, не е просто нова частица, а представител на нов сектор от елементарни частици - сектора на Хигс.
Нека ви напомня за основните принципи на Стандартния модел. Целият „зоопарк“ от неговите частици се побира на един слайд. Протони, неутрони, π-мезони - всичко това са съставни частици. Няма много елементарни частици. Това е семейство от лептони, семейство от кварки, съставляващи фермионния сектор. Вторият сектор са частиците, отговорни за техните взаимодействия: фотони, W- и Z-бозони, глуони и гравитони. Бозоните взаимодействат не само с фермиони, но и помежду си. Най-известната от тези частици е фотонът.
Най-интересни в проявленията си са глуоните, те свързват кварките в протона по такъв начин, че е невъзможно да ги разделят. W- и Z-бозоните са сходни по своята роля с фотона, но те са масивни и са отговорни за слаби взаимодействия, които са свързани с електромагнитните взаимодействия, въпреки че изглеждат различно. Трябва да има и частица гравитон. В крайна сметка гравитационните вълни вече са открити и където има вълни, трябва да има и частици. Друго нещо е, че явно никога няма да можем да получаваме и регистрираме гравитони поотделно.
И накрая, бозонът на Хигс, който е отделен сектор на нашия слайд. Това е друга частица, която стои отделно в целия „зоопарк“, състоящ се от малък брой различни видове.
Какво представлява Хигс бозонът?
Като начало: какво е бозон? Всяка частица, подобно на върха, има вид вътрешен въртящ момент или въртене (това е квантово механично явление). Има цяло число и полуцяло число в единици константа на Планк. Частиците със спин 1/2 или 3/2 (всеки полуцяло спин) се наричат фермиони. Бозоните имат интегрално въртене, което води до фундаментални разлики в свойствата на тези частици (бозоните обичат да се натрупват в едно квантово механично състояние, като фотоните в радиовълните; фермионите, напротив, избягват това, поради което електроните заселват различни атомни черупки -. Изд.). И така, бозонът на Хигс има спин 0 (което също е цяло число).
Хигс бозонът е тежка частица. Масата му е 125 GeV (за сравнение: масата на протона е около 1 GeV, масата на най-тежката частица, t-кваркът, е 172 GeV). Хигс бозонът е електрически неутрален.
Нови частици се откриват в ускорителите; те се раждат при сблъсъци на частици, в този случай при сблъсъци на протони. След това се записват разпадните продукти на желаната частица. Хигс бозонът се разпада средно за 10 -22 s. За тежка частица това не е толкова кратък период от време - един топ кварк например живее 500 пъти по-малко.
И бозонът на Хигс има много различни начини за разпадане. Един от „златните канали“ на разпадането - разпадането на два фотона - е доста рядко: бозонът на Хигс се разпада в два случая от хиляда. Но този път е забележителен с това, че и двата фотона са високоенергийни. В рамката на покой на бозона на Хигс всеки фотон има енергия от 62,5 GeV, което е много енергия. Тези фотони са ясно видими, посоките на тяхното движение и енергия могат да бъдат измерени. Още по-чист канал на разпадане е разпадането на четири лептона: на две двойки e + и e -, на e +, e - и µ +, µ - или на четири мюона. Резултатът е четири високоенергийни заредени частици, които също са ясно видими и тяхната енергия и посока на излитане могат да бъдат измерени.
Как да разберем, че това, което виждаме, е разпадането на Хигс бозона? Да кажем, че открихме два фотона. В същото време има много други процеси, водещи до раждането на два фотона. Но ако фотоните произлизат от разпадането на определена частица, тогава нейната маса може да се определи от тях. За да направим това, трябва да изчислим енергията на два фотона в референтна рамка, където те летят в противоположни посоки с еднаква енергия - в рамката на центъра на масата. В нашата референтна система това е много специфична комбинация от енергии на фотони и ъгъла на разсейване между тях. Нарича се инвариантна маса на системата от частици. Ако фотоните са продукти на разпадане на бозона на Хигс, тяхната инвариантна маса трябва да е равна на масата на бозона до грешки в измерването. Същото се случва, ако бозонът се разпадне на четири частици.
На фиг. Фигура 2 показва разпределението на събитията върху инвариантната маса на два фотона. Последният се нанася по хоризонталната ос, а броят на събитията се нанася по вертикалната ос. Има непрекъснат фон и има „шамар“ в областта на неизменната маса от 125 GeV. Може да се смеете, но този „шамар“ е бозонът на Хигс. Подобен пик се появява в инвариантната маса на четири лептона (e +, e -, µ +, µ -), в които той също се разпада. Само това се случва при един от десет хиляди разпада. Тоест, необходимо е да се генерират един милион бозона на Хигс, за да се натрупат сто разпада на две лептонни двойки. И това беше направено.
Възможно е да се измери енергията и посоката на излъчване (следователно импулсът) на зареден електрон или мюон с много по-висока точност, отколкото в случая на фотон. Именно за тази цел детекторът има силно магнитно поле: кривината на траекторията на заредена частица в магнитно поле позволява да се определи нейният импулс (както и знакът на заряда). Освен това се раждат малко изолирани високоенергийни лептони и още повече, че броят на четворките изолирани лептони (изолирани, т.е. извън адронната струя) е малък. Следователно фонът за разпадане на четири лептона е малък.
И накрая, изследователите от LHC избраха събития, при които инвариантната маса на една двойка лептони с противоположен знак е равна на масата на Z бозона (Хигс се разпада на реално Z и виртуално Z), което оказва още по-голям натиск върху фон. Но разпадането на четири лептона всъщност не е по-добро от разпадането на два фотона, тъй като вероятността за разпадане на два фотона е много по-висока, грешките в измерването му се компенсират от по-големи статистики.
Защо бозонът на Хигс беше открит едва наскоро?
Тук има две обстоятелства. Първо, желаната частица е тежка. Това означава, че имаме нужда от високоенергиен ускорител. Второ, необходимо е да има висок интензитет на лъчите, така че броят на сблъсъци да е достатъчен. Физиците използват думата "светимост", за да опишат броя на сблъсъците за единица време. Трябва да имате много сблъсъци.
Всичко изглеждаше наред с енергията, защото преди Големия адронен колайдер работеше Tevatron, колайдер в САЩ. Общата му енергия беше 2 TeV. Изглежда не е лошо, защото бозонът на Хигс е 125 GeV. По принцип енергията на Теватрон може да произведе Хигс бозони. Но имаше недостатъчна яркост. Той нямаше достатъчно родени Хигс бозони.
Няколко думи за BAK
Големият адронен колайдер е забележителна структура във всяко отношение. Това е свръхпроводящ ускорител за съхранение, разположен под земята. Дължината на неговия пръстен е 27 км и целият този пръстен се състои от магнити, които държат протони в този пръстен, свръхпроводящи магнити. По времето, когато LHC е построен, това е най-новото технологично постижение. Сега има доста успешни опити за получаване на по-мощно магнитно поле в магнитите. Но по това време беше най-доброто. Изобщо всичко, което се прави там, е върхът на съвременните технологии, на самия ръб на човешките възможности.
Първо, LHC ускори протоните до обща енергия от 7 TeV, след това - 8 TeV. Всеки сблъсък на протон имаше енергия от 4 TeV. След като започна да работи стабилно през 2010 г. при енергия от 7 TeV, през 2011 г. LHC премина към енергия от 8 TeV, а проектната му енергия е 14 TeV. Сега, поради хитри технически причини, все още не сме достигнали 14 TeV; От 2015 г. ускорителят работи при обща енергия от 13 TeV. Неговата светимост е много висока по всички стандарти, специалистите в ЦЕРН, разбира се, са големи майстори. И действителните сблъсъци на частици се случват на четири места, ние се интересуваме от две от тях, където се намират детекторите ATLAS и CMS. Приблизително така изглежда CMS - компактен мюонен соленоид (фиг. 4).
Най-екстремната е мюонната камера, която ви позволява да записвате и измервате параметрите на мюоните, които преминават през целия детектор, пробивайки го направо. Всичко това е затворено в магнитно поле, за да се измери импулсът му чрез кривината на движението на частицата.
АТЛАС – още повече. Това е многоетажна сграда, изцяло заредена с оборудване.
Тези детектори измерват енергии, импулси, посоки на движение на частиците, определят дали това е електрон, фотон, мюон или силно взаимодействаща частица като протон или неутрон - всички те имат свои собствени сигнатури.
Отделна интересна история е свързана с това как се организират групи от физици – колаборации, които се занимават с тази материя. Ясно е, че за да се разработи, създаде и поддържа такава гигантска машина, да се събират и обработват данни, да се гарантира, че нищо не се разваля и да се търсят различни събития и интересни явления, са необходими големи екипи. Те се събират по целия свят. Типична цифра е 3,5 хиляди физици във всяка колаборация, в ATLAS и CMS. Тези групи са международни: освен европейски, има специалисти от Америка, Япония, Китай, Русия и др. Общият брой на институтите е около 200; 150–200 във всяка от колаборациите. Страхотно е, че това е самоорганизираща се система. Това е система, която е организирана „отдолу“; тя има свои собствени „бащи-основатели“, които постепенно привличат заинтересовани физици през 90-те години. Събрали са се голям брой хора, но там няма лидери, освен избрани, всички са разделени на групи, подгрупи, всеки отговаря за своето, така е устроено всичко. Въпреки факта, че това са хора с много различни култури, всичко работи. Не се караха, не се караха помежду си.
Трябва да кажа, че Русия може и се гордее, че ние участваме в цялата тази дейност. Всички в ЦЕРН и около него прекрасно разбират и подчертават: приносът на Русия е доста значителен и сериозен. Значителна част от ускорителя е произведена в Новосибирск. Тук са изработени и значителна част от детекторните елементи. И има много наши участници, от различни градове, различни институции. Приблизително като пари, ресурси и хора Русия представлява 5–7% от детекторите на Чернов (в зависимост от конкретния детектор). Което е съвсем нормално за страната ни.
Защо е необходим бозонът на Хигс?
Да преминем към теоретичната част, може би малко скучна и мрачна, но ми се струва, че е полезно да разберем и обясним, поне качествено, защо Енглер, Браут и Хигс изведнъж решиха, че трябва да има нова частица. По-точно, Хигс решава, че трябва да има нова частица, а Енглер и Браут измислят бозонното поле.
Преди всичко трябва да помним, че всяка частица е свързана с поле. Една частица винаги е квант от определено поле. Има електромагнитно поле, електромагнитни вълни и с тях е свързан фотон - квант на електромагнитното поле. Също тук: бозонът на Хигс е квант на определено поле. Някой може да попита: защо имаме нужда от ново поле? Енглер и Браут осъзнаха това първи.
Тук трябва да отидем малко встрани. Светът се управлява от всякакви симетрии. Например, пространствено-времеви, свързани с промени във времето и пространството: физиката утре е същата като вчера, физиката тук е същата като в Китай. Законите за запазване на енергията и импулса са свързани с тези симетрии. Има и по-малко очевидни, от гледна точка на ежедневния ни опит, симетрии - вътрешни. Например в електродинамиката има симетрия, която води до закона за запазване на електрическия заряд. Не се вижда освен на формулите, но го има. Заедно със закона за запазване на енергията, тази симетрия забранява разпадането на електрона. Забележително е, че същата симетрия забранява на фотона да има маса и той всъщност я няма. Глуоните също са безмасови по същата причина – на тях им е забранено да имат маса от симетрията, свързана с „цвят“. Кварките са заредени с „цвят“, а глуоните са свързани с „цвят“, както фотоните са свързани със заряд.
Но частиците, които са отговорни за слабите взаимодействия - W- и Z-бозоните - са масивни. Проблемът е, че те са много подобни на фотоните: електрон може да се разпръсне върху електрон, обменяйки фотон или може би Z-бозон. Процесите са много сходни, бих искал да припиша на слабите взаимодействия същия тип симетрия, който имат електромагнитните (нарича се калибровъчна симетрия), но масата на W и Z - носителите на слабото взаимодействие - не позволява това , нарушава симетрията на габарита.
Защо тази красива симетрия беше нарушена? Оказва се, че това е доста универсално явление в природата: много симетрии съществуват в първичните закони на природата, но се оказва, че са нарушени в реалната Вселена. Това явление се нарича "спонтанно нарушаване на симетрията".
Нека си представим, че вие и аз сме малки хора, които живеят в постоянен магнит, в намагнетизирано парче желязо. Провеждаме експеримент с електрони: получаваме двойки електрон-позитрон (имаме малък ускорител там, излъчваме електрони). Така че тези електрони не летят по права линия в магнита. Поради факта, че има магнитно поле, те се „навиват“ около него и летят в спирала. Вие и аз ги измерваме и казваме: момчета, имаме определена посока, нашият свят не е изотропен, имаме специална ос, върху която се навиват електроните.
Но ако вие и аз сме умни теоретици, ще предположим, че въпросът не е, че пространството има определена посока, а че има магнитно поле в това пространство. Ще разберем: ако успеем да премахнем това магнитно поле, тогава в космоса всички посоки ще бъдат равни. Ще решим, че има симетрия по отношение на въртенето, но тя се нарушава от факта, че в пространството има магнитно поле. И ако бяхме още по-умни теоретици, тогава, след като осъзнахме, че има такова ново поле, което осигурява нарушаване на симетрията, бихме казали, че трябва да има и квант от него. И биха предвидили фотона. И щяха да предвидят правилно! Симетрията може да бъде нарушена, ако има поле, разпръснато в пространството, което нарушава тази симетрия.
И точно това се случва във физиката на микросвета. С някои разлики. Разликите са в това, че симетрията не е пространствена, не спрямо пространствени ротации, както при магнита, а вътрешна. И тук нямаме никакво желязо; тази симетрия е нарушена точно във вакуума. И накрая, за разлика от магнитното поле, тук е необходимо ново поле. Именно полето на Енглер, Браут и Хигс осигурява това прекъсване. И тънкостта е, че магнитното поле е вектор, то има посока, но това поле трябва да е скаларно, за да не се наруши симетрията по отношение на пространствените ротации. Не трябва да се насочва никъде. Една частица от това поле трябва да има спин, равен на нула.
Такава картина е предложена и въведена във формули от Енглер и Браут, след това от Хигс. Но Енглер и Браут някак си не обърнаха внимание на факта, че тяхната теория предсказва нова частица. И Хигс, който публикува работата си малко по-късно, обърна внимание на това и по предложение на рецензент, който попита дали Хигс има някакви нови неща в статията, които Енглер и Браут не споменаха. Хигс мисли, мисли и заявява, че трябва да има нова частица. Ето защо е наречен "Хигс бозон".
какво следва
Досега всичко беше „здравословно“. Но въпросите остават. От една страна, картината с бозона на Хигс е последователна. Формално всичко може да се изчисли, всичко може да се изчисли, имайки известните параметри на тази теория - константи на свързване, маси. Но тази картина не носи окончателно удовлетворение. И едно от най-важните неща, които не позволяват на физиците да спят спокойно, е, че в природата има много различни енергийни мащаби на взаимодействия.
Силните взаимодействия между кварките и глуоните имат свой собствен характерен мащаб. Това, грубо казано, е масата на един протон - 1 GeV. Има скала на слаби взаимодействия, 100 GeV (маса на W, Z, Хигс бозон). И този мащаб е точно мащабът на полето на Хигс - приблизително 100 GeV. И това би било нищо, но има и масата на Планк - гравитационната скала. Което е колкото 10 19 GeV. И, разбира се, вече е странно: каква история е това, защо тези мащаби са толкова различни?
Няма такъв проблем с мащабите на силните взаимодействия: има механизъм, който ни позволява да разберем разликата между този мащаб и гравитационния (добре, поне да скрием недоумението си под килима). Но мащабът на бозона на Хигс е лош. защо Защото всъщност в природата има вакуум – състояние без частици. И това изобщо не е абсолютна празнота - в смисъл, че виртуалните процеси протичат във вакуум през цялото време: раждането и унищожаването на двойки частици и флуктуации на полето. Там животът продължава през цялото време. Но тъй като това е вакуум и в него няма частици, не можем да видим това директно. И косвено - това е много видимо. Например, процесите на раждане на виртуални двойки влияят на свойствата на атомите и променят техните енергийни нива. Това е отдавна известното изместване на Lamb, изчислено през 30-те години на миналия век и измерено през 40-те години на миналия век. По правило ефектът не е много силен. Това изместване на атомните нива на Ламб е само част от процента.
Но има едно място, където вакуумът "стреля" на 100%. Точно това е масата на Хигс бозона. Оказва се, че ако започнете да отчитате създаването и унищожаването на виртуални частици и наивно се опитате да изчислите колко тези процеси допринасят за масата на Хигс бозона, тогава ще се убедите, че тези явления са склонни да изтеглят масата на бозона на Хигс към масата на Планк. Те пречат на Хигс бозона да бъде лек.
И това наистина е нещо ужасно. Наистина искам да разбера защо в действителност електрослабият мащаб в природата е толкова малък в сравнение с гравитационния мащаб от 10 19 GeV. Това може да се обясни с факта, че не познаваме добре физиката при не много високи енергии, при енергии от скалата на 1 TeV. Факт е, че ако физиката се промени в мащаба на тераелектронволта, тогава може би там се случват чудеса: влиянието на вакуума по някаква причина се оказва малко, незначително. Такава идея. Може би LHC все още не е открил всичко и трябва да има нови явления, които са достъпни за него. Енергията му, напомням, е 14 TeV. Вярно, това са протон-протонни сблъсъци. Кварк с кварк има енергия на сблъсък около шест пъти по-малка. Следователно реалната енергийна скала, която се изследва от LHC, е 2–3 TeV. Но все пак това е самият мащаб, в който (както ни се иска) може да се появи нова физика, напълно нови физически явления.
И трябва да ви кажа, че всъщност ситуацията сега е много тъжна. Тъй като LHC вече е работил почти при проектната си енергия - 13 TeV, той работи добре при него през 2017 г. и сега тази работа продължава. И още ги няма - никакви! - индикации за тази нова физика, на която всички се надяваме. Всички тези съображения, за които ви говоря, не се потвърждават. Или няма достатъчно осветеност, няма достатъчно сблъсъци, няма достатъчно статистика. Може би тук нещо съвсем не е наред и всички тези доста убедителни, но не напълно железни аргументи може да са погрешни.
Каква нова физика може да има? Имаше много големи надежди за суперсиметрия. Забележително е с това, че това е теория, която има допълнителна симетрия в сравнение с всички известни. Която свързва частици с цяло и полуцяло въртене - бозони и фермиони. Между другото, тази симетрия беше предложена от теоретиците тук, в Москва, във Физическия институт „Лебедев“, през 70-те години.
В контекста на физиката на елементарните частици това означава следното: ако имате кварк със спин 1/2, то той трябва да има партньор, който, без да се замисляте, беше наречен скаларен кварк - "скварк" със спин 0. Електронът трябва да има партньор - скаларен електрон, партньорът на фотона трябва да е фотино със спин 1/2, партньорът на глуона трябва да е глуино, а партньорът на гравитона трябва да е гравитино.
Освен гравитино, всички тези частици, ако са леки, трябва да се раждат в Големия адронен колайдер. Като цяло горещите глави казаха това: когато LHC се включи, първото нещо, което ще открият, не е бозонът на Хигс, а суперсиметрия. И това мнение се споделяше не само от много теоретици, но и от бедни експериментатори, чиито мозъци бяха заблудени от теоретици. Суперсиметрията обаче все още не е открита, има само ограничения за масите на горните частици. Като цяло вече не изглежда, че в природата съществува суперсиметрия при не много високи енергии.
Защо суперсиметрията е добра? Оказва се, че приносът на виртуалните частици към масата на Хигс бозона има различни знаци за различни спинове. При суперсиметрия приносът на бозоните и фермионите е намален до нула, а ако имате фотони и фотино или W бозони и вина, тогава техният принос също е намален до нула. Ако масите на частиците и техните суперпартньори са различни - и това е така, няма скаларен електрон със същата маса като електрон, знаем това със сигурност - тогава това намаление не се случва до нула. Но ако масите на суперпартньорите са в района на тераелектронволта, тогава просто се оказва, че тези приноси имат мащаб от стотици гигаелектронволта, и тогава всичко е наред. Но това вече не работи. Вече ограниченията върху тези маси са толкова силни, че този механизъм за намаляване не работи напълно; Ако изчислявате наивно, трябва да получите нещо като 500–700 GeV за масата на бозона на Хигс. Така че сега ситуацията с търсенето на суперсиметрия е много напрегната.
Има и други сценарии: например бозонът на Хигс може да е съставен, а не непременно елементарен. И като цяло във физиката на кондензираната материя има известни аналози на механизма на Хигс и там аналогът на Хигс бозона или полето на Хигс не е елементарен, а съставен. Най-известният пример е свръхпроводимостта. В свръхпроводника фотонът изглежда има маса, това е така нареченият ефект на Майснер. Теорията на Енглер-Браут-Хигс е почти идентична с теорията на Гинзбург-Ландау, предложена десет години преди Енглер-Браут-Хигс.
Ако бозонът на Хигс е съставен бозон, тогава всичко се променя и огромните приноси от взаимодействието с вакуума изчезват и размерът на съставната система се появява като този на протон. Ако този размер е 10 -18 cm, тогава съответната енергия на системата се оказва разумна, докато вътрешната структура все още остава неразличима. Такива модели имат свои собствени прогнози, но отново, досега нищо подобно не е видяно в ускорителя.
Може би наистина не разбираме нещо, теоретиците не са се сетили за нещо, не са го открили в главите си. Разбира се, Големият адронен колайдер има програма за търсене на нови явления, която не се основава на теоретични прогнози. Ще погледнем където можем, „където има фенери“ - ще погледнем под тях. И ние ще се опитаме да намерим разлики от стандартния модел, където е възможно. Засега няма нищо от това и стандартният модел работи чудесно.
В заключение ще кажа: сега сме на много интересен етап от развитието на физиката на елементарните частици. От една страна, има увереност, че стандартният модел не е цялата история. Има и твърди, недвусмислени доказателства от космологията, че Стандартният модел е непълен - на първо място това е тъмната материя: във Вселената има масивни частици, които изграждат тъмната материя, тяхната маса е около пет пъти по-голяма от обикновената материя.
Сега ситуацията е, че физиката на елементарните частици отново се е превърнала в експериментална наука. През 50-те и 60-те години на миналия век тази област на физиката е експериментална наука, когато се провеждат експерименти, резултатите от тях се интерпретират и се създават теории. Но през целия ми зрял живот всичко беше обратното: теоретиците правеха прогнози, а експериментаторите ги потвърждаваха. Сега отново стигнахме до ситуация, в която сме напълно обвързани с експеримента, без да знаем какво ще ни покаже. Чакаме, стискаме палци, но засега LHC не ни съобщава нищо интересно. Освен факта, че има Хигс бозон...
Също така не знаем каква нова физика ще се появи в крайна сметка. Така че ситуацията е интересна, направено е важно откритие, но никой днес не може да каже какво ще бъде следващото откритие. Може би това е добре, кара ни да се напрягаме и мислим, а експериментаторите да търсят нови явления. Надявам се, че това търсене ще бъде успешно.