Elementaarosake Higgsi boson, mis sai nime Briti füüsiku Peter Higgsi järgi, kes ennustas selle olemasolu teoreetiliselt juba 1964. aastal, on ehk üks salapärasemaid ja hämmastavamaid tänapäeva füüsikas. Just tema tekitas teadusringkondades palju poleemikat ja arutelusid ning keegi määras talle isegi sellise ebatavalise epiteedi nagu "tükk jumalast". On ka skeptikuid, kes väidavad, et Higgsi bosonit pole olemas ja see kõik pole midagi muud kui teaduslik pettus. Mis Higgsi boson tegelikult on, kuidas see avastati, millised omadused sellel on, loe selle kohta edasi.
Mis on Higgsi boson: seletus lihtsas keeles
Et selgitada Higgsi bosoni olemust võimalikult lihtsalt ja selgelt mitte ainult teadusfüüsikule, vaid ka tavalisele teadushuvilisele inimesele, on vaja kasutada allegooriate ja võrdluste keelt. Kuigi loomulikult ei saa kõik allegooriad ja võrdlused, mis on seotud elementaarosakeste füüsikaga, olla tõesed ja täpsed. Seesama elektromagnetväli ehk kvantlaine ei ole väli ega laine selles mõttes, nagu inimesed neid tavaliselt ette kujutavad, nagu ka aatomid ise pole sugugi väiksemad koopiad päikesesüsteemist, milles elektronid tiirlevad ümber aatomituuma nagu planeedid. nende ümber. Ja kuigi allegooriad ja võrdlused ei anna ikka veel kvantfüüsikas toimuvate asjade olemust edasi, võimaldavad need siiski nende asjade mõistmisele lähemale jõuda.
Huvitav fakt: 1993. aastal kuulutas Briti haridusminister välja isegi konkursi kõige lihtsama selgituse saamiseks, mis on Higgsi boson. Võitjaks osutus peoga seotud selgitus.
Niisiis, kujutage ette rahvarohket pidu, siis siseneb ruumi mõni kuulsus (näiteks "rokistaar") ja külalised hakkavad talle kohe järgnema, kõik tahavad "staariga" suhelda, samal ajal kui "rokistaar" ise liigub aeglasemalt. kui kõik teised külalised. Seejärel kogunevad inimesed eraldi gruppidesse, kus arutatakse selle rokkstaariga seotud uudiseid või kuulujutte, samal ajal liiguvad inimesed kaootiliselt grupist rühma. Selle tulemusena tundub, et inimesed arutavad kuulujutte, ümbritsedes kuulsust tihedalt, kuid ilma tema otsese osaluseta. Niisiis, kõik peol osalevad inimesed on Higgsi väli, inimgrupid on välja häirijad ja kuulsus ise, kelle tõttu nad tekkisid, on Higgsi boson.
Kui see allegooria pole teile täiesti selge, siis siin on veel üks: kujutage ette siledat piljardilauda, millel on pallid - elementaarosakesed. Need pallid hajuvad kergesti erinevatesse suundadesse ja liiguvad kõikjal ilma takistusteta. Kujutage nüüd ette, et piljardilaud on kaetud mingi kleepuva ainega, mis raskendab pallide liikumist üle selle. See kleepuv mass on Higgsi väli, selle välja mass on võrdne sellele kleepuvate osakeste massiga. Higgsi boson on osake, mis vastab sellele kleepuvale väljale. See tähendab, et kui lööte selle kleepuva massiga kõvasti vastu piljardilauda, siis väike kogus sellest väga kleepuvast massist moodustab ajutiselt mulli, mis levib peagi uuesti üle laua ja nii, see mull on Higgsi boson.
Higgsi bosoni avastamine
Nagu alguses kirjutasime, avastas Higgsi bosoni teoreetiliselt esmakordselt Briti füüsik Peter Higgs, kes väitis, et osakeste füüsika standardmudeli spontaanse elektronõrga sümmeetria purunemise protsessis osales mõni senitundmatu elementaarosake. See juhtus 1964. aastal, kohe pärast seda hakati otsima selle elementaarosakese tegelikku olemasolu, kuid aastaid ebaõnnestusid. Seetõttu hakkasid mõned teadlased Higgsi bosonit naljaga pooleks nimetama "neetud osakeseks" või "jumalaosakeseks".
Selle salapärase "jumalaosakese" olemasolu kinnitamiseks või ümberlükkamiseks ehitati 2012. aastal hiiglaslik osakeste kiirendi. Sellega tehtud katsed kinnitasid eksperimentaalselt Higgsi bosoni olemasolu ja osakese avastaja Peter Higgs võitis selle avastuse eest 2013. aastal Nobeli füüsikaauhinna.
Tulles tagasi meie analoogia juurde piljardilaua kohta, siis selleks, et näha Higgsi bosonit, pidid füüsikud lööma seda laual lebavat kleepuvat massi õige jõuga, et saada sealt välja mull, Higgsi boson ise. Niisiis, eelmise 20. sajandi osakeste kiirendid ei olnud nii võimsad, et anda nõutava jõuga "löögi lauale" ja ainult meie 21. sajandi alguses loodud suur hadronite põrkur aitas, nagu öeldakse. füüsikud "löövad lauale" õige jõuga ja näevad oma silmaga "tükki Jumalat".
Higgsi bosoni eelised
Teadusest üldiselt ja füüsikast eriti kaugel inimesele võib teatud elementaarosakese otsimine tunduda mõttetuna, kuid Higgsi bosoni avastamine on teaduse jaoks arvestatava tähtsusega. Esiteks on meie teadmised bosonist abiks arvutustes, mida teoreetilises füüsikas Universumi struktuuri uurides tehakse.
Eelkõige on füüsikud väitnud, et kogu meid ümbritsev ruum on täidetud Higgsi bosonitega. Teiste elementaarosakestega suheldes annavad bosonid neile oma massi ja kui on võimalik arvutada teatud elementaarosakeste mass, siis saab arvutada ka Higgsi bosoni massi. Ja kui meil on Higgsi bosoni mass, siis seda kasutades, vastupidises suunas liikudes, saame arvutada ka teiste elementaarosakeste massid.
Muidugi on see kõik akadeemilise füüsika seisukohalt väga amatöörlik arutluskäik, aga meie ajakiri on ka populaarteaduslik, et rääkida tõsistest teaduslikest asjadest lihtsas ja arusaadavas keeles.
Higgsi bosoni oht
Mure Higgsi bosoni ja sellega tehtud katsete pärast tuvastas Briti teadlane Stephen Hawking. Hawkingi sõnul on Higgsi boson äärmiselt ebastabiilne elementaarosake ja võib teatud asjaolude kogumi tulemusena viia vaakumi lagunemiseni ning selliste mõistete nagu ruum ja aeg täieliku kadumiseni. Kuid ärge muretsege, selleks, et midagi sellist juhtuks, on vaja ehitada kogu meie planeedi suurune põrkur.
Higgsi bosoni omadused
- Higgsi boson, nagu ka teised elementaarosakesed, on mõjutatud.
- Higgsi bosonil on nullspinn (elementaarosakeste nurkimpulss).
- Higgsi bosonil on elektri- ja värvilaeng.
- Higgsi bosoni sünniks on 4 peamist kanalit: pärast 2 gluoni (põhi) ühinemist WW või ZZ paaride ühinemine, millega kaasneb W või Z boson koos tippkvarkidega.
- Higgsi boson laguneb paariks b-kvark-b-antikvark, 2 footoniks, kaheks elektron-positroni ja/või müüon-antimuon paariks või elektron-positroni ja/või müüon-antimuon paariks koos neutriinopaariga.
Mõni sõna skeptikutele
Muidugi leidub skeptikuid, kes väidavad, et Higgsi bosonit tegelikkuses ei eksisteeri ja selle kõik leiutasid teadlased omakasupüüdlikul eesmärgil võtta maksumaksja raha, mis väidetavalt läheb elementaarosakeste teaduslikuks uurimiseks, kuid tegelikult taskusse. teatud inimestest.
Higgsi boson, video
Ja lõpetuseks üks huvitav dokumentaalvideo Higgsi bosonist.
Meie, Quantuzi meeskond (püüame liituda GT kogukonnaga) pakume oma tõlget particleadventure.org veebisaidi Higgsi bosonile pühendatud jaotisest. Sellest tekstist oleme välja jätnud mitteinformatiivsed pildid (täisversiooni vaata originaalist). Materjal pakub huvi kõigile, kes on huvitatud rakendusfüüsika viimastest saavutustest.
Higgsi bosoni roll
Higgsi boson oli viimane standardmudelis avastatud osake. See on teooria oluline komponent. Tema avastus aitas kinnitada mehhanismi, kuidas põhiosakesed massi omandavad. Need standardmudeli põhiosakesed on kvargid, leptonid ja jõudu kandvad osakesed.1964. aasta teooria
1964. aastal püstitasid kuus teoreetilist füüsikut hüpoteesi uue välja (nagu elektromagnetväli) olemasolu, mis täidab kogu ruumi ja lahendab kriitilise probleemi meie arusaamises universumist.Sõltumatult töötasid teised füüsikud välja fundamentaalsete osakeste teooria, mida lõpuks nimetati standardmudeliks ja mis andis fenomenaalse täpsuse (standardmudeli mõne osa katsetäpsus ulatub 1:10 miljardi kohta. See on samaväärne New Yorgi ja Sani vahelise kauguse ennustamisega). Francisco täpsusega umbes 0,4 mm). Need jõupingutused osutusid omavahel tihedalt seotud. Standardmudel vajas osakeste massi omandamiseks mehhanismi. Väljateooria töötasid välja Peter Higgs, Robert Brout, Francois Englert, Gerald Guralnick, Carl Hagen ja Thomas Kibble.
Boson
Peter Higgs mõistis, et analoogselt teiste kvantväljadega peab selle uue väljaga olema seotud osake. Selle spinn peab olema nulliga võrdne ja seega peab see olema boson - täisarvulise spinniga osake (erinevalt fermionidest, millel on pooltäisarvuline spin: 1/2, 3/2 jne). Ja tõepoolest, see sai peagi tuntuks kui Higgsi boson. Selle ainus puudus oli see, et keegi ei näinud seda.Mis on bosoni mass?
Kahjuks ei täpsustanud bosoni ennustanud teooria selle massi. Möödus aastaid, kuni sai selgeks, et Higgsi boson peab olema üliraske ja suure tõenäosusega väljaspool suurt hadronipõrgutajat (LHC) rajatud rajatisi.Pidage meeles, et vastavalt E=mc 2, mida suurem on osakese mass, seda rohkem on selle loomiseks vaja energiat.
Ajal, mil LHC 2010. aastal andmeid koguma hakkas, näitasid teiste kiirenditega tehtud katsed, et Higgsi bosoni mass peaks olema suurem kui 115 GeV/c2. LHC katsete käigus kavatseti otsida tõendeid bosoni massivahemikus 115–600 GeV/c2 või isegi üle 1000 GeV/c2.
Igal aastal oli eksperimentaalselt võimalik välistada suurema massiga bosoneid. 1990. aastal teati, et vajalik mass peaks olema suurem kui 25 GeV/c2 ja 2003. aastal selgus, et see on suurem kui 115 GeV/c2
Suure hadronipõrguti kokkupõrked võivad tekitada palju huvitavaid asju
Dennis Overbye New York Timesis räägib triljondiksekundi tingimuste taasloomisest pärast Suurt Pauku ja ütleb:« ...[plahvatuse] jäänuseid selles kosmose osas pole nähtud pärast universumi jahtumist 14 miljardit aastat tagasi – elu kevad on põgus, ikka ja jälle kõigis oma võimalikes variatsioonides, justkui oleks universum osalesid oma versioonis filmist Groundhog Day»
Üks neist "jäänustest" võib olla Higgsi boson. Selle mass peab olema väga suur ja see peab lagunema vähem kui nanosekundi jooksul.
Teadaanne
Pärast pool sajandit kestnud ootusärevust muutus draama ägedaks. Füüsikud magasid väljaspool auditooriumi, et võtta istet Genfis CERNi laboris toimunud seminaril.Kümne tuhande miili kaugusel, teisel pool planeeti, Melbourne'is toimunud mainekale rahvusvahelisele osakestefüüsika konverentsile kogunesid sajad teadlased kõigist maakera nurkadest, et kuulata seminari ülekannet Genfist.
Kuid kõigepealt heidame pilgu taustale.
Ilutulestik 4. juulil
4. juulil 2012 esitlesid ATLASe ja CMS-i eksperimentide juhid suures hadronite põrkeseadmes oma viimaseid tulemusi Higgsi bosoni otsimisel. Käisid kuulujutud, et nad kavatsevad esitada rohkemat kui lihtsalt tulemuste aruannet, kuid mida?Muidugi, kui tulemused esitati, teatasid mõlemad katseid läbi viinud koostööpartnerid, et nad on leidnud tõendeid "Higggsi bosonilaadse" osakese olemasolu kohta massiga umbes 125 GeV. See oli kindlasti osake ja kui see pole Higgsi boson, siis on see selle väga kvaliteetne imitatsioon.
Tõendid ei olnud veenvad. Teadlaste tulemused olid viiesigmalised, mis tähendab, et tõenäosus, et andmed olid lihtsalt statistiline viga, oli väiksem kui üks.
Higgsi boson laguneb teisteks osakesteks
Higgsi boson laguneb teisteks osakesteks peaaegu kohe pärast selle tootmist, seega saame jälgida ainult selle lagunemissaadusi. Kõige tavalisemad lagunemised (nende hulgas, mida näeme) on näidatud joonisel:
Iga Higgsi bosoni lagunemisrežiimi nimetatakse "lagunemiskanaliks" või "lagunemisrežiimiks". Kuigi bb-režiim on levinud, tekitavad paljud teised protsessid sarnaseid osakesi, nii et kui jälgida bb-i lagunemist, on väga raske öelda, kas osakesed on tingitud Higgsi bosonist või millestki muust. Me ütleme, et bb-lagunemisrežiimil on "lai taust".
Parimad lagunemiskanalid Higgsi bosoni otsimiseks on kahe footoni ja kahe Z-bosoni kanalid.*
*(Tehniliselt ei ole 125 GeV Higgsi bosonimassi puhul lagunemine kaheks Z-bosoniks võimalik, kuna Z-bosoni mass on 91 GeV, mistõttu paari massiks on 182 GeV, mis on suurem kui 125 GeV. mida me täheldame, on lagunemine Z-bosoniks ja virtuaalseks Z-bosoniks (Z*), mille mass on palju väiksem.)
Higgsi bosoni lagunemine kuni Z + Z
Z-bosonitel on ka mitu lagunemisrežiimi, sealhulgas Z → e+ + e- ja Z → µ+ + µ-.Z + Z lagunemisrežiim oli ATLAS-i ja CMS-i katsete jaoks üsna lihtne, kusjuures mõlemad Z-bosonid lagunesid ühes kahest režiimist (Z → e+ e- või Z → µ+ µ-). Joonisel on näidatud Higgsi bosoni neli täheldatud lagunemisrežiimi:
Lõpptulemus on see, et mõnikord näeb vaatleja (lisaks mõnele sidumata osakesele) nelja müüoni või nelja elektroni või kahte müüoni ja kahte elektroni.
Milline näeks välja Higgsi boson ATLASe detektoris
Sel juhul näis, et "jet" (joa) langes ja Higgsi boson tõusis, kuid see lagunes peaaegu kohe. Iga kokkupõrkepilti nimetatakse "sündmuseks".
Näide sündmusest koos Higgsi bosoni võimaliku lagunemisega ilusa animatsiooni kujul kahe prootoni kokkupõrkest suures hadronipõrgutis, saate seda vaadata allika veebisaidil sellel lingil.
Sel juhul võib tekkida Higgsi boson, mis laguneb kohe kaheks Z-bosoniks, mis omakorda kohe lagunevad (jättes kaks müüoni ja kaks elektroni).
Mehhanism, mis annab osakestele massi
Higgsi bosoni avastamine on uskumatu vihje selle kohta, kuidas põhiosakesed omandavad massi, nagu väidavad Higgs, Brout, Engler, Gerald, Karl ja Kibble. Mis mehhanism see on? See on väga keeruline matemaatiline teooria, kuid selle peamist ideed saab mõista lihtsa analoogia abil.Kujutage ette ruumi, mis on täidetud Higgsi väljaga, nagu seltskond füüsikuid, kes suhtlevad üksteisega rahulikult kokteilide saatel...
Ühel hetkel siseneb Peter Higgs ja tekitab üle ruumi liikudes elevust, meelitades igal sammul fännide seltskonda...
Enne ruumi sisenemist sai professor Higgs vabalt liikuda. Kuid pärast füüsikuid täis ruumi sisenemist tema kiirus langes. Rühm fänne aeglustas tema liikumist üle ruumi; teisisõnu sai ta massi juurde. See on analoogne massita osakestele, mis omandavad massi, kui nad suhtlevad Higgsi väljaga.
Kuid ta tahtis ainult baari jõuda!
(Analoogia idee kuulub prof David J. Millerile Londoni ülikooli kolledžist, kes võitis auhinna Higgsi bosoni ligipääsetava selgituse eest – © CERN)
Kuidas saab Higgsi boson oma massi?
Teisest küljest, kui uudised ruumis levivad, moodustavad nad ka inimrühmi, kuid seekord ainult füüsikutest. Selline seltskond võib aeglaselt ruumis ringi liikuda. Nagu teisedki osakesed, omandab Higgsi boson massi lihtsalt Higgsi väljaga suhtlemisel.
Higgsi bosoni massi leidmine
Kuidas leida Higgsi bosoni mass, kui see laguneb enne avastamist teisteks osakesteks?Kui otsustate jalgratta kokku panna ja soovite teada selle massi, peaksite liitma jalgrattaosade massid: kaks ratast, raam, juhtraud, sadul jne.
Kuid kui soovite arvutada Higgsi bosoni massi osakeste põhjal, milleks see lagunes, ei saa te masse lihtsalt liita. Miks mitte?
Higgsi bosoni lagunemisosakeste masside liitmine ei toimi, kuna neil osakestel on puhkeenergiaga võrreldes tohutu kineetiline energia (pidage meeles, et puhkeolekus oleva osakese puhul E = mc 2). See tuleneb asjaolust, et Higgsi bosoni mass on palju suurem kui selle lagunemise lõppsaaduste mass, nii et ülejäänud energia läheb kuhugi, nimelt pärast lagunemist tekkivate osakeste kineetilisesse energiasse. Relatiivsusteooria käsib meil kasutada allolevat võrrandit osakeste hulga "invariantse massi" arvutamiseks pärast lagunemist, mis annab meile "vanema", Higgsi bosoni massi:
E 2 = p 2 c 2 + m 2 c 4
Higgsi bosoni massi leidmine selle lagunemissaaduste põhjal
Quantuzi märkus: siin oleme tõlkes pisut ebakindlad, kuna sellega on seotud eriterminid. Soovitame igaks juhuks tõlget allikaga võrrelda.Kui me räägime lagunemisest nagu H → Z + Z* → e+ + e- + µ+ + µ-, siis võivad ülaltoodud neli võimalikku kombinatsiooni tekkida nii Higgsi bosoni lagunemise kui ka taustprotsesside tõttu, seega peame vaatama nende kombinatsioonide nelja osakese kogumassi histogrammi.
Massi histogramm viitab sellele, et me jälgime suurt hulka sündmusi ja märgime nende sündmuste arvu, kui saadakse tulemuseks muutumatu mass. See näeb välja nagu histogramm, kuna muutumatud massi väärtused on jagatud veergudeks. Iga veeru kõrgus näitab sündmuste arvu, mille korral invariantne mass on vastavas vahemikus.
Võiksime ette kujutada, et need on Higgsi bosoni lagunemise tulemused, kuid see pole nii.
Higgsi bosoni andmed taustast
Histogrammi punased ja lillad alad näitavad "tausta", millel on oodata nelja leptoni sündmuste arvu ilma Higgsi bosoni osaluseta.Sinine ala (vt animatsioon) tähistab "signaali" ennustust, milles nelja leptoni sündmuste arv viitab Higgsi bosoni lagunemise tulemusele. Signaal asetatakse tausta ülaossa, kuna sündmuste prognoositud koguarvu saamiseks liidate lihtsalt kokku kõik sündmuste võimalikud tagajärjed.
Mustad punktid näitavad vaadeldud sündmuste arvu, samas kui punkte läbivad mustad jooned tähistavad nende numbrite statistilist ebakindlust. Andmete tõus (vt järgmist slaidi) 125 GeV juures on märk uuest 125 GeV osakesest (Higgsi boson).
Algsel veebisaidil on animatsioon Higgsi bosoni andmete arengust, kui need akumuleeruvad.
Higgsi bosoni signaal tõuseb aeglaselt taustast kõrgemale.
Andmed Higgsi bosoni lagunemisest kaheks footoniks
Lagunemine kaheks footoniks (H → γ + γ) on veelgi laiema taustaga, kuid sellest hoolimata on signaal selgelt eristatav.
See on Higgsi bosoni kaheks footoniks lagunemise muutumatu massi histogramm. Nagu näha, on taust võrreldes eelmise graafikuga väga lai. Seda seetõttu, et kahte footoni tekitavaid protsesse on palju rohkem kui nelja leptonit tekitavaid protsesse.
Katkendlik punane joon näitab tausta ja paks punane joon näitab tausta ja signaali summat. Näeme, et andmed on heas kooskõlas uue osakesega, mis on umbes 125 GeV.
Esimeste andmete puudused
Andmed olid veenvad, kuid mitte täiuslikud ja neil oli olulisi piiranguid. 4. juuliks 2012 ei olnud piisavalt statistikat, et määrata kindlaks osakese (Higgsi bosoni) lagunemise kiirus erinevateks vähemmassiivsete osakeste komplektideks (nn hargnemisproportsioonid), mida standardmudel ennustas."Hargnevussuhe" on lihtsalt tõenäosus, et osake laguneb antud lagunemiskanali kaudu. Neid proportsioone ennustab standardmudel ja mõõdetakse samade osakeste lagunemist korduvalt jälgides.
Järgmine graafik näitab parimaid hargnemisproportsioonide mõõtmisi, mida saame teha 2013. aasta seisuga. Kuna need on standardmudeli ennustatud proportsioonid, on ootus 1,0. Punktid on praegused mõõtmised. Ilmselgelt on vearibad (punased jooned) enamasti siiski liiga suured, et teha tõsiseid järeldusi. Neid segmente lühendatakse uute andmete vastuvõtmisel ja punktid võivad liikuda.
Kuidas teate, et inimene jälgib Higgsi bosoni kandidaatsündmust? Selliseid sündmusi eristavad ainulaadsed parameetrid.
Kas osake on Higgsi boson?
Kuigi tuvastati uue osakese lagunemine, oli selle toimumise kiirus 4. juuliks endiselt ebaselge. Ei olnud isegi teada, kas avastatud osakesel olid õiged kvantarvud – st kas sellel oli Higgsi bosoni jaoks vajalik spinn ja paarsus.Teisisõnu, 4. juulil nägi osake välja nagu part, kuid me pidime veenduma, et see ujub nagu part ja vuliseb nagu part.
Kõik Large Hadron Collider (ja ka Tevatroni põrkur Fermilabis) katsete ATLAS ja CMS tulemused pärast 4. juulit 2012 näitasid märkimisväärset kokkusobivust eeldatavate hargnemisproportsioonidega viie ülalkirjeldatud lagunemisrežiimi puhul ja eeldatava spinniga. (võrdne nulliga) ja paarsus (võrdne +1), mis on põhilised kvantarvud.
Need parameetrid on olulised otsustamaks, kas uus osake on tõesti Higgsi boson või mõni muu ootamatu osake. Seega viitavad kõik kättesaadavad tõendid standardmudeli Higgsi bosonile.
Mõned füüsikud pidasid seda pettumuseks! Kui uus osake on Higgsi boson standardmudelist, siis on standardmudel sisuliselt valmis. Kõik, mida nüüd teha saab, on mõõta juba avastatud asju järjest suurema täpsusega.
Kuid kui uus osake osutub millekski, mida standardmudel ei ennusta, avab see ukse paljudele uutele teooriatele ja ideedele, mida testida. Ootamatud tulemused nõuavad alati uusi selgitusi ja aitavad teoreetilist füüsikat edasi lükata.
Kust tuli mass universumist?
Tavalises aines sisaldub suurem osa massist aatomites ja täpsemalt prootonitest ja neutronitest koosnevas tuumas.Prootonid ja neutronid koosnevad kolmest kvargist, mis saavad oma massi Higgsi väljaga suhtlemisel.
AGA... kvarkide massid annavad umbes 10 MeV, mis on umbes 1% prootoni ja neutroni massist. Kust siis ülejäänud mass tuleb?
Selgub, et prootoni mass tekib teda moodustavate kvarkide kineetilisest energiast. Nagu te muidugi teate, on mass ja energia seotud võrdsusega E=mc 2.
Seega kuulub Higgsi mehhanismi vaid väike osa universumi tavalise aine massist. Kuid nagu järgmises osas näeme, oleks Universum ilma Higgsi massita täiesti elamiskõlbmatu ja Higgsi mehhanismi avastajaks poleks kedagi!
Kui Higgsi välja poleks?
Kui Higgsi välja poleks, siis milline oleks universum?See pole nii ilmne.
Kindlasti ei seoks miski aatomites olevaid elektrone. Nad lendaksid valguse kiirusel laiali.
Kuid kvarke seob tugev vastastikmõju ja nad ei saa eksisteerida vabas vormis. Mõned kvarkide seotud olekud võivad säilida, kuid prootonite ja neutronite kohta pole selge.
Kõik see oleks tõenäoliselt tuumataoline aine. Ja võib-olla kukkus see kõik kokku gravitatsiooni mõjul.
Fakt, milles oleme kindlad: universum oleks külm, pime ja elutu.
Seega päästab Higgsi boson meid külmast, pimedast ja elutust universumist, kus pole inimesi, kes Higgsi bosonit avastaksid.
Kas Higgsi boson on standardmudeli boson?
Teame kindlalt, et osake, mille me avastasime, on Higgsi boson. Teame ka, et see on väga sarnane standardmudeli Higgsi bosoniga. Kuid on kaks punkti, mida pole ikka veel tõestatud:1. Hoolimata asjaolust, et Higgsi boson pärineb standardmudelist, on väikeseid lahknevusi, mis viitavad uue füüsika olemasolule (praegu teadmata).
2. Higgsi bosoneid on rohkem kui üks, erineva massiga. See viitab ka sellele, et tuleb uurida uusi teooriaid.
Ainult aeg ja uued andmed paljastavad kas standardmudeli ja selle bosoni puhtuse või uued põnevad füüsikateooriad.
"Jumala osake" või teadusterminoloogias Higgsi boson
Inimene on pidevalt otsingutel. Ta ei rahuldu kunagi pealiskaudsete teadmistega, vaid võtab pidevalt ette teekonna uutesse maailmadesse, kaugesse ja tundmatusse. Aristotelese sõnul püüdlevad kõik inimesed teadmiste poole.
Kirik peab inimest Jumala kujuks ja nii nagu Jumal on piiritu ja lõpmatu, on mõõtmatu ka inimese soov leida vastus kõige pakilisematele küsimustele: „Kes ma olen? Kust ma tulin? Kuhu ma lähen?". Seetõttu peetakse teadust suureks Jumala kingituseks inimkonnale, Jumala poolt inimesele omaste võimete arendamise tulemuseks. Jumal andis inimesele oma inspireeritud loomingulise kingituse, andis talle mõtlemisvõime, soovi luua, võime avastada tundmatut ja rakendada uusi teadmisi oma elu parandamiseks.
1954. aastal asutati Euroopa Tuumauuringute Organisatsioon, lühendatult CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire). Aastal 1981, pärast aastaid kestnud ettevalmistustööd, viidi Prantsusmaa-Šveitsi piiril asuvas CERN-i keskuses SPS-i kiirendis - prootoni supersünkrotronis - esimesed katsed hadronite kokkupõrgete kohta. Nende katsete eesmärk oli püüda välja pakkuda teaduslikult põhjendatud teooria materiaalse maailma olemuse ja selle kohta, mis juhtus Universumi esimestel eluhetkedel vahetult pärast selle tekkimist.
Eksperimendi käigus põrkuvad teadlased omavahel valguse kiirusele lähedase kiirusega pisikesi materjaliosakesi (nn elementaarosakesi). Valides õiged osakesed ja nende liikumiskiiruse, on võimalik luua tingimused, mis ligikaudu taastoodavad neid, mis eksisteerisid päris Universumi alguses. Seega, uurides osakeste kokkupõrgete tagajärgi ja kinnitades või lükates ümber eksperimentaalsetele tulemustele tuginedes olemasolevaid teooriaid, püüavad teadlased taasluua meie Universumi ajaloo esimesi lehekülgi.
Lisaks loovad teadlased laborites tingimused, milles saavad toimida kõige haruldasemad elementaarosakesed. Sellised osakesed võisid eksisteerida Universumi arengu teatud etappidel ja mängida rolli kaasaegse materiaalse maailma kujunemises. Sellise osakese näiteks on Higgsi osake (nimetatakse ka Higgsi bosoniks).
Professor Peter Higgsi teooria kohaselt, mis avaldati esmakordselt 1964. aastal, omandavad elementaarosakesed massi, kui nad suhtlevad spetsiaalse elementaarosakesega, mida nimetatakse Higgsi bosoniks. Omades massi, võivad osakesed kokku koonduda, moodustades aine sellisel kujul, nagu me seda praegu tunneme. Selle uue elementaarosakese eksperimentaalne avastus pidi kinnitama Peter Higgsi teooria õigsust. Nii saab esimest korda võimalikuks mõista, kuidas elementaarosakesed omandasid massi ja seostusid üksteisega mitmel viisil moodsa maailma moodustamiseks. Teadlased nimetasid ihaldatud Higgsi osakest "kuradi osakeseks", kuna "seda ei suudetud kunagi tuvastada".
1993. aastal andis Nobeli preemia laureaat füüsik Leon Max Lederman koos professor Dick Teresiga koostatud raamatus alapealkirjaga "Kui universum on vastus, mis on küsimus?" Higgsi bosonile hüüdnime "Jumala osake", kuna raamatu toimetaja keeldus avaldamast. see pealkirja all "neetud osake". Hiljem ütles Lederman selle "termini" valikut selgitades, et esiteks kõlas nimi "neetud osake" tõesti liiga labaselt ja seda ei saa kasutada, ja teiseks võib seda osakest nimetada "Jumala osakeseks" ”, võttes arvesse selle keskset ja juhtivat rolli mateeria loomise teooriates, aga ka veel hiljuti arusaamatuna tundunud küsimuste selgitamisel.
Kolmapäeva, 4. juuli 2012 hommikul teatas CERNi uurimiskeskus Genfist, et katsed Higgsi osakese tuvastamiseks on lõppemas, kuna avastati Higgsi bosonit meenutav osake. See osake elab vaid ühe miljardikiljardindiku sekundist! Ja kuigi veenvaid tõendeid selle kohta, et avastatud osake on ihaldatud Higgsi boson, pole veel esitatud, on suurem osa teadusringkondadest selle hüpoteesi omaks võtnud. Veidi hiljem teatas Peter Higgs ise, kes oli juba 83-aastane, õhinal CERNist, et ei julge loota, et see avastus tema eluajal juhtub ja käskis samal ajal oma perel šampanjat külmkapis hoida. praeguseks, kuna teadlastel oli veel märkimisväärne ja pikk töö. Pole põhjust, et paljud teadlased väidavad, et "Higsi boson avab võimaluse mõista umbes neli protsenti universumist."
Mõistet “jumalaosake” ja veelgi enam terminit “jumalaosake” ei saa aga edukaks pidada. Isegi Peter Higgs ise tunnistas seda mõistet avalikult "pretensioonikaks", rõhutades, et selle sobimatu kasutamine põhjustab õigustatud pahameelt ja ajab inimesed segadusse. Füüsikud eelistavad seda terminit üldse mitte kasutada, arvates, et see on oma olemuselt ekslik ja viib nende uurimistöö tegeliku tähenduse ebaõige tõlgendamiseni.
Paljud füüsikud usuvad, et see elementaarosake pole midagi muud kui osa Jumala loomingust, nagu kõik teised meid ümbritsevad objektid. Ja kõik füüsikud – nii usklikud kui ka mitteusklikud – tunnistavad üksmeelselt, et Higgsi boson on osa loodusest, mitte jumal, ning tal pole suuremat õigust olla Jumalana tunnustatud kui näiteks päike või mõni kivi. Tõesti, kui naiivne on uskuda, et kirik "kardab" "Higgsi osakese" avastamist! See on sama naiivne kui karta teaduse ja religiooni „kokkupõrkeid”. Louis Pasteur ütles: "Teadmiste puudumine viib teid Jumalast eemale, kuid tõeline teadus viib teid Tema juurde." Kirik õnnistab teadust tingimusel, et see austab inimest ega hävita tema isiksust. Pühakiri ütleb, et "Issand lõi meditsiini ja muud teadused". Suured kirikuisad ja paljud õigeusu pühakud õpetasid ülikoolides. Moosese raamatu esimeste peatükkide tõlgendust ja kommentaare sisaldav Basil Suure teos "Vestlused kuuel päeval" sai inspiratsiooniallikaks paljudele põlvkondadele astronoomidele, geoloogidele, arstidele ja teistele teadlastele. 4. sajandil loodud Püha Nyssa Gregoriuse õpetus maailma loomisest. pärast R.H.-d peetakse Suure Paugu (“Big-Bang”) teooria kuulutajaks, mida mõistetakse kui Jumala energia tõusu. Seda sarja võib jätkata lõputult. Teadus püüab pakkuda omapoolset seletust loomisprotsessidele ja maailma ülesehitusele, kuigi paljud selle esindajad peavad neid sõnastusi äärmiselt ohtlikeks! Õigeusu teoloogia, järgides täielikult oma tõelist kutsumust, paneb oma õpetuses rõhku sellele, kes lõi maailma ja inimese. Nagu õigesti märgitud, vastab teadus küsimusele "kuidas", teoloogia vastab küsimusele "Kes"!
Nafpaktose metropoliit Hierotheus märgib õigesti: "Teadus teeb palju avastusi, mille eesmärk on tuua inimesele kasu, mitte kahjustada, samas kui õigeusu teoloogia annab vastuseid inimeste vaimsetele otsingutele ja aitab neil sellel ajastul leida ennastsalgavat armastust Jumala ja ligimese vastu. kui seda ei kuulutatud mitte ainult "Jumala surm", vaid ka "ligimese surm". Lõppkokkuvõttes, olenemata sellest, kui palju avastusi teadus teeb, tunneb inimene alati vajadust isikliku Jumala, omakasupüüdmatu armastuse, sisemise rahu ja vabaduse, vaimse täielikkuse järele, ta tahab alati teada, mis on väljaspool loomist, mis juhtub pärast surma; mis on igavene elu jne. Kirik õpetab, et Issand lõi maailma armastusest, et jumalik armastus on rõõmus ja loov. Issand ei ole abstraktne idee ega mateeria, Jumal on isik, Jumal on armastus. Logose – jumaliku sõna, mis on Tema loomata energia, abiga loob Issand kogu loodu. „Miski ei sundinud Issandat maailma looma. Jumala loomise liikumapanev jõud oli Tema armastus. Selle asemel, et öelda, et Universumi lõi Tema eimillestki, peame ütlema, et selle lõi Tema Temast endast, see tähendab armastusest. Maailma loomine ei olnud pigem Tema vaba tahte, vaid Tema vaba armastuse tegu” (Metropolitan Callistus Ware, “The Orthodox Way”). Meie õnneks ei ole Issand insener, mehaanik ega ehitaja. Issand on ennekõike Isa. Sellepärast on maailm Jumala armastuse liig ja seepärast hoolib Issand maailmast. Inimene on loomingu kroon ja Jumal kutsub teda oma pidevas rõõmsas ja tänulikus soovis, et Tema Looja juhiks kogu loodu koos temaga lõpmatu täiuslikkuseni. Kõigest eelnevast järeldub loomulik järeldus, et armastus on Jumala tõeline “elementaarosake”. Kõik - ja mis kõige tähtsam, meie elu - omandab tähenduse ja sügava tähenduse alles siis, kui nad suhtlevad selle erakordse "osakesega", Jumala olemuse ainsa ilminguga, mis annab tähenduse inimeste teadmistele ja ületab samal ajal selle piirid. Sest evangelist Johannese nii lihtsate sõnade kohaselt: "Jumal on armastus!"
Kõik mäletavad 2012. aastal Higgsi bosoni avastamisega kaasnenud hüpet. Kõik mäletavad, kuid paljud ei saa ikka veel täielikult aru, mis puhkus see oli? Otsustasime selle välja mõelda, end valgustada ja samal ajal lihtsate sõnadega rääkida sellest, mis on Higgsi boson!
Standardmudel ja Higgsi boson
Alustame päris algusest. Osakesed jagunevad bosonid Ja fermionid. Bosonid on täisarvulise spinniga osakesed. Fermionid – pooltäisarvuga.
Higgsi boson on elementaarosake, mida teoreetiliselt ennustati juba 1964. aastal. Elementaarne boson, mis tekib elektronõrga sümmeetria spontaanse purunemise mehhanismi tõttu.
See on selge? Pole hea. Et see oleks selgem, peame rääkima Standardmudel.
Standardmudel– üks peamisi tänapäevaseid maailma kirjeldamise mudeleid. See kirjeldab elementaarosakeste vastastikmõju. Nagu me teame, on maailmas 4 fundamentaalset vastastikmõju: gravitatsiooniline, tugev, nõrk ja elektromagnetiline. Me ei arvesta kohe gravitatsiooniga, sest sellel on erinev olemus ja see ei sisaldu mudelis. Kuid tugevat, nõrka ja elektromagnetilist vastasmõju kirjeldatakse standardmudeli raames. Veelgi enam, selle teooria kohaselt koosneb aine 12 põhilisest elementaarosakest - fermionid. Bosonid Nad on ka interaktsioonide kandjad. Kandideerida saate otse meie veebisaidil.
Nii et kõigist standardmudelis ennustatud osakestest jäi katseliselt avastamata see Higgsi boson. Standardmudeli kohaselt vastutab see boson, olles Higgsi välja kvant, selle eest, et elementaarosakestel on mass. Kujutagem ette, et osakesed on laudlinale asetatud piljardipallid. Sel juhul on lapiks Higgsi väli, mis annab osakeste massi.
Kuidas Higgsi bosonit otsiti?
Küsimusele, millal Higgsi boson avastati, ei saa täpselt vastata. Teoreetiliselt ennustati seda ju 1964. aastal ja eksperimentaalselt kinnitati selle olemasolu alles 2012. Ja kogu selle aja otsiti tabamatut bosonit! Nad otsisid kaua ja hoolega. Enne LHC-d töötas CERNis veel üks kiirendi, elektron-positroni põrkur. Illinoisis oli ka Tevatron, kuid selle võimsusest ei piisanud ülesande täitmiseks, kuigi katsed andsid muidugi teatud tulemusi.
Fakt on see, et Higgsi boson on raske osake ja seda on väga raske tuvastada. Eksperimendi olemus on lihtne, tulemuste rakendamine ja tõlgendamine on keeruline. Kaks prootonit võetakse peaaegu valguse kiirusel ja põrkuvad kokku. Kvarkidest ja antikvarkidest koosnevad prootonid lagunevad sellise võimsa kokkupõrke tagajärjel laiali ja tekib palju sekundaarseid osakesi. Just nende hulgast otsiti Higgsi bosonit.
Probleem on selles, et selle bosoni olemasolu saab kinnitada vaid kaudselt. Ajavahemik, mille jooksul Higgsi boson eksisteerib, on äärmiselt väike, nagu ka kadumise ja tekkimise punktide vaheline kaugus. Sellist aega ja vahemaad on võimatu otse mõõta. Kuid Higgs ei kao jäljetult ja seda saab arvutada "lagunemisproduktide" järgi.
Kuigi selline otsimine on väga sarnane nõela otsimisega heinakuhjast. Ja isegi mitte ühes, vaid terves heinakuhjade vallas. Fakt on see, et Higgsi boson laguneb erinevate tõenäosustega erinevateks osakeste "komplektideks". See võib olla kvark-antikvark paar, W-bosonid või kõige massiivsemad leptonid, tau osakesed. Mõnel juhul on neid lagunemisi äärmiselt raske eristada teiste osakeste, mitte ainult Higgsi osakeste lagunemisest. Teistel juhtudel ei saa detektorid seda usaldusväärselt salvestada. Kuigi LHC detektorid on kõige täpsemad ja võimsamad inimeste valmistatud mõõteriistad, ei suuda nad kõike mõõta. Higgsi transformatsiooni neljaks leptoniks tuvastavad kõige paremini detektorid. Selle sündmuse tõenäosus on aga väga väike - ainult 0,013%.
Kuuekuuliste katsete jooksul, mil põrkeris toimub ühe sekundi jooksul sadu miljoneid prootonite kokkupõrkeid, tuvastati aga koguni 5 sellist nelja leptoni juhtumit. Lisaks salvestati need kahel erineval hiiglaslikul detektoril: ATLAS ja CMS. Sõltumatu arvutuse kohaselt, kasutades ühe ja teise detektori andmeid, oli osakeste mass ligikaudu 125 GeV, mis vastab Higgsi bosoni teoreetilisele ennustusele.
Täielikuks ja täpseks kinnitamiseks, et tuvastatud osake oli täpselt Higgsi boson, tuli teha veel palju katseid. Ja hoolimata asjaolust, et Higgsi boson on nüüd avastatud, erinevad katsed paljudel juhtudel teooriast, nii et Standardmudel, arvavad paljud teadlased, et see on tõenäoliselt osa arenenumast teooriast, mis on veel avastamata.
Higgsi bosoni avastamine on kindlasti üks 21. sajandi suuremaid avastusi. Selle avastamine on suur samm maailma struktuuri mõistmisel. Kui teda poleks, oleksid kõik osakesed massita, nagu footonid, ja ei eksisteeriks midagi, millest meie materiaalne universum koosneb. Higgsi boson on samm universumi toimimise mõistmise suunas. Higgsi bosonit on kutsutud isegi jumalaosakeseks või neetud osakeseks. Teadlased ise eelistavad seda aga nimetada šampanjapudeli bosoniks. Lõppude lõpuks võib sellist sündmust nagu Higgsi bosoni avastamine tähistada aastaid.
Sõbrad, täna panime pähe Higgsi bosoni. Ja kui olete juba väsinud lõputute rutiinide või üle jõu käivate õppeülesannetega oma peast puhumast, pöörduge poole. Nagu alati, aitame teil kiiresti ja tõhusalt lahendada kõik probleemid.