ตามทฤษฎีแล้ว โมเดลมาตรฐานทำงานได้ดี แม้ว่าจะไม่สามารถปรับให้เข้ากับแรงโน้มถ่วงได้ก็ตาม ด้วยเหตุนี้นักฟิสิกส์จึงทำนายการมีอยู่ของอนุภาคบางชนิดก่อนที่จะถูกค้นพบในการทดลอง แล้วฮิกส์โบซอนก็ปรากฏขึ้นที่ขอบฟ้า เรามาดูกันว่าอนุภาคนี้เข้ากับแบบจำลองมาตรฐานและจักรวาลโดยรวมได้อย่างไร

ฮิกส์โบซอน: ชิ้นส่วนสุดท้ายของปริศนา

นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าแรงพื้นฐานทั้งสี่นี้มีอนุภาค (หรือโบซอน) ที่สอดคล้องกันซึ่งส่งผลต่อสสาร มันยากที่จะเข้าใจ เราคุ้นเคยกับการคิดว่าพลังเป็นเหมือนอีเธอร์ลึกลับที่อยู่นอกเหนือความเป็นอยู่และไม่ใช่ความเป็นอยู่ แต่ในความเป็นจริงแล้ว พลังนั้นมีจริงพอๆ กับสสารนั่นเอง

นักฟิสิกส์บางคนอธิบายว่าโบซอนเป็นเกล็ดที่เชื่อมต่อกันด้วยหนังยางกับอนุภาคของสสารที่สร้างพวกมันขึ้นมา เมื่อใช้การเปรียบเทียบนี้ เราสามารถจินตนาการได้ว่าโบซอนพุ่งออกมาอย่างต่อเนื่องด้วยหนังยางและเข้าไปพัวพันกับโบซอนอื่นๆ ในกระบวนการสร้างแรง

นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าแรงพื้นฐานทั้งสี่แรงนั้นมีโบซอนเฉพาะของตัวเอง ตัวอย่างเช่น สนามแม่เหล็กไฟฟ้าจะส่งแรงแม่เหล็กไฟฟ้าไปยังสสารผ่านโฟตอน นักฟิสิกส์คิดว่าฮิกส์โบซอนมีหน้าที่เหมือนกัน แต่จะถ่ายเทมวล

แต่สสารจะมีมวลโดยไม่มีฮิกส์โบซอนได้ไหม ตามรุ่นมาตรฐานหมายเลข แต่นักฟิสิกส์ได้ค้นพบวิธีแก้ปัญหาแล้ว จะเกิดอะไรขึ้นถ้าอนุภาคทั้งหมดไม่มีมวลของตัวเอง แต่ได้รับมาโดยผ่านสนามแม่เหล็กบางสนาม? สนามนี้เรียกว่าสนามฮิกส์ ซึ่งส่งผลกระทบกับอนุภาคต่างๆ ต่างกัน โฟตอนสามารถหลุดลอยไปโดยตรวจไม่พบ แต่โบซอน W และ Z จะติดอยู่ในมวล ในความเป็นจริง ข้อสันนิษฐานของการมีอยู่ของฮิกส์โบซอนบอกว่าทุกสิ่งที่มีมวลมีปฏิสัมพันธ์กับสนามฮิกส์ที่อยู่ทั่วไปทุกหนทุกแห่งซึ่งครอบครองทั่วทั้งจักรวาล และเช่นเดียวกับช่องอื่นๆ ที่แบบจำลองมาตรฐานอธิบายไว้ สนามฮิกส์จำเป็นต้องมีอนุภาคพาหะของตัวเองจึงจะมีอิทธิพลต่ออนุภาคอื่นๆ มันถูกเรียกว่าฮิกส์โบซอน

เมื่อวันที่ 4 กรกฎาคม พ.ศ. 2555 นักวิทยาศาสตร์ที่ทำงานที่เครื่องชนแฮดรอนขนาดใหญ่ประกาศว่าพวกเขาได้ค้นพบอนุภาคที่มีพฤติกรรมคล้ายกับฮิกส์โบซอน คุณสามารถหายใจออก - นักฟิสิกส์คิด แต่ปรากฎว่าอาจมีโบซอนหลายตัวที่คล้ายกับฮิกส์ซึ่งหมายความว่าการวิจัยในระดับพลังงานที่สูงขึ้นจะดำเนินต่อไปและดำเนินต่อไป

สิ่งที่น่าทึ่งคือฮิกส์โบซอนกลายเป็นลางสังหรณ์แห่งความตายของจักรวาลโดยไม่คาดคิด สคริปต์ก็เป็นไปได้

ทฤษฎีสมัยใหม่ของอนุภาคมูลฐานนั้นมีพื้นฐานอยู่บนความสมมาตรระหว่างปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้าและปฏิกิริยาที่อ่อนแอ - ความสมมาตรทางไฟฟ้าอ่อนแอ- เชื่อกันว่าความสมมาตรนี้มีอยู่ในจักรวาลยุคแรกๆ และด้วยเหตุนี้ อนุภาคจึงไม่มีมวลในตอนแรก แต่ในบางช่วงมันก็พังทลายลงเองและอนุภาคก็ได้รับมวล ในทฤษฎีอนุภาค มันถูกประดิษฐ์ขึ้นเพื่อทำลายสมมาตรทางไฟฟ้าที่อ่อนแอนี้ กลไกของฮิกส์- นี่คือสิ่งที่ LHC จะต้องศึกษา

เมื่อต้องการทำเช่นนี้ การทดสอบจะต้องมีการเปิด ฮิกส์ โบซอน- เสียงสะท้อนของอนุภาคของกลไกฮิกส์ หากพบและศึกษาโบซอนนี้ นักฟิสิกส์จะได้เรียนรู้ว่าการแตกหักแบบสมมาตรเกิดขึ้นได้อย่างไร และอาจสร้างทฤษฎีใหม่ที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นของโลกของเราด้วยซ้ำ หากไม่พบโบซอนนี้ (ในรูปแบบใดๆ ก็ตาม!) ก็จำเป็นต้องมีการแก้ไขแบบจำลองมาตรฐานของอนุภาคมูลฐานอย่างจริงจัง เนื่องจากไม่สามารถทำงานได้หากไม่มีกลไกฮิกส์

การทดลองทั้งหมดที่ดำเนินการจนถึงขณะนี้ไม่สามารถรับมือกับงานนี้ได้เนื่องจากพลังงานของอนุภาคไม่เพียงพอ เครื่องชนกันของ LHC ซึ่งมีพลังงานโปรตอนทำลายสถิติ คาดว่าจะให้คำตอบสำหรับคำถามสำคัญทั้งหมด

รายละเอียดเพิ่มเติมเล็กน้อย

ทฤษฎีอนุภาคมูลฐานสมัยใหม่ - แบบจำลองมาตรฐาน - ไม่ได้เกี่ยวข้องกับการแจกแจงอนุภาคมูลฐานมากนักเหมือนกับการอธิบายปฏิสัมพันธ์ของพวกมัน มีพื้นฐานมาจากแนวคิดที่ว่าปฏิสัมพันธ์สองอย่างที่ดูเหมือนจะแตกต่างกัน เช่น แม่เหล็กไฟฟ้าและอ่อน แท้จริงแล้วเป็นสองด้านของ "เหรียญเดียวกัน" - ปฏิสัมพันธ์ทางไฟฟ้าอ่อน.

ภายในกรอบของทฤษฎีนี้ปรากฎว่าที่อุณหภูมิสูงมีความสมมาตรระหว่างปฏิกิริยาที่อ่อนแอกับปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้า แต่ความสมมาตรทางไฟฟ้าอ่อนจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่ออนุภาคพื้นฐานไม่มีมวล และเรารู้จากประสบการณ์ว่าในโลกของเราอนุภาคเหล่านี้มีขนาดใหญ่ ซึ่งหมายความว่าจะต้องเสียความสมมาตร กลไกของฮิกส์เป็นแรงผลักดันที่ทำลายความสมมาตรนี้ได้อย่างแม่นยำ เราสามารถพูดได้ว่างานหลักของกลไกฮิกส์คือการทำให้อนุภาคมีมวลมาก

มันเกิดขึ้นเช่นนี้ ในทฤษฎีควอนตัม อนุภาคทั้งหมดไม่ใช่ "ลูกบอลแข็ง" เลย แต่เป็นควอนตัมที่สั่นเป็น "ชิ้นส่วน" ของสนาม อิเล็กตรอนคือการแกว่งของสนามอิเล็กทรอนิกส์ โฟตอนคือการแกว่งของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ฯลฯ แต่ละสนามมีสถานะที่มีพลังงานต่ำที่สุด ซึ่งเรียกว่า "สุญญากาศ" ของสนามนั้น สำหรับอนุภาคธรรมดา สุญญากาศคือเมื่อไม่มีอนุภาค นั่นคือเมื่อสนามของพวกมันเป็นศูนย์ทุกที่ หากมีอนุภาคอยู่ (นั่นคือ สนามไม่เป็นศูนย์ทุกที่) สถานะของสนามนี้จะมีพลังงานมากกว่าสุญญากาศ

และสนามฮิกส์มีโครงสร้างในลักษณะพิเศษ - มีสุญญากาศ ไม่ใช่ศูนย์- กล่าวอีกนัยหนึ่ง สถานะที่มีพลังงานต่ำสุดของสนามฮิกส์คือเมื่อพื้นที่ทั้งหมดถูกแทรกซึมโดยสนามฮิกส์ที่มีความแรงบางอย่าง ซึ่งอนุภาคอื่นเคลื่อนที่ไป การแกว่งของสนามฮิกส์สัมพันธ์กับ “ค่าเฉลี่ยสุญญากาศ” คือ ฮิกส์ โบซอนควอนต้าของสนามฮิกส์

การมีอยู่ทั่วไปของสนามฮิกส์พื้นหลังส่งผลต่อการเคลื่อนที่ของอนุภาคในลักษณะที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัด - มันทำให้ยาก การเร่งความเร็วอนุภาคแต่ไม่รบกวนการเคลื่อนไหวที่สม่ำเสมอ อนุภาคมีความเฉื่อยมากขึ้นภายใต้อิทธิพลของแรงภายนอกพวกมันเริ่มเคลื่อนที่อย่างไม่เต็มใจ - กล่าวอีกนัยหนึ่งพวกมันพัฒนาขึ้น น้ำหนัก- มวลนี้ยิ่งมากขึ้น ยิ่งพวกมัน "เกาะติด" กับสนามฮิกส์มากขึ้นเท่านั้น อย่างไรก็ตาม อนุภาคบางชนิด เช่น โฟตอน จะไม่เกาะติดกับสนามฮิกส์โดยตรงและยังไม่มีมวล

มีความพยายามหลายครั้งในการอธิบายสาระสำคัญของกลไกฮิกส์บนนิ้วมือด้วยคำพูดที่ง่ายที่สุด บางส่วนได้รับในหน้ากลไกของฮิกส์ในการเปรียบเทียบ

ฮิกส์โบซอนก็มีขนาดใหญ่เช่นกัน เนื่องจากสนามฮิกส์มีปฏิกิริยากับตัวมันเอง ลักษณะเด่นของฮิกส์โบซอนคือพวกมันมีปฏิสัมพันธ์กับอนุภาคต่าง ๆ ตามสัดส่วนของมวลของมัน อย่างไรก็ตาม ค่าเฉลี่ยสุญญากาศของฮิกส์และฮิกส์โบซอนเป็นสองลักษณะที่ปรากฏของสนามฮิกส์เดียวกัน คุณสมบัติของฮิกส์โบซอนนี้มีความสำคัญมากสำหรับการค้นหาที่ LHC

ทุกสิ่งทุกอย่างรู้เกี่ยวกับกลไกของฮิกส์แล้วหรือยัง?

ไม่เลย! ยิ่งไปกว่านั้น ยังไม่ค่อยมีใครรู้จักเขามากนัก

ความจริงก็คือข้อมูลการทดลองเกือบทั้งหมดที่โมเดลมาตรฐาน "เติบโต" ต้องการเพียงเท่านั้น ความจริงนั้นเองการละเมิดความสมมาตร แต่แทบไม่พูดอะไรเกี่ยวกับกลไกของมันเลย ดังนั้นปัญหาตอนนี้ไม่ใช่ว่านักฟิสิกส์ไม่รู้ว่าจะอธิบายการละเมิดสมมาตรทางไฟฟ้าอ่อนแอได้อย่างไร แต่พวกเขาได้คิดขึ้นมาแล้ว มีตัวเลือกมากมายการละเมิดนี้

บางส่วนมีความเรียบง่ายมาก - เช่นเดียวกับในโมเดลมาตรฐาน บางส่วนมีแนวคิดที่เรียบง่าย แต่ซับซ้อนกว่าเล็กน้อยในการดำเนินการ (เช่น ในแบบจำลองที่มีฮิกส์โบซอนหลายตัว) และบางส่วนมีพื้นฐานอยู่บนแนวคิดใหม่ที่เป็นพื้นฐาน เช่น สมมาตรยิ่งยวด ช่องว่างหลายมิติหรือการโต้ตอบรูปแบบใหม่ ตัวเลือกทั้งหมดนี้เรียกรวมกันว่า " กลไกฮิกส์ไม่น้อย- อันไหนจะใกล้เคียงกับความเป็นจริงมากขึ้นจะเป็นที่รู้จักหลังจากดำเนินการ LHC มาหลายปี

เป็นไปได้ไหมที่จะทำโดยไม่มีกลไกฮิกส์?

โดยหลักการแล้ว ใช่ แต่แล้วคุณจะพบทฤษฎีที่แปลกใหม่กว่าแบบจำลองมาตรฐานที่มีกลไกฮิกส์ตามปกติอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้

ที่นี่คุณต้องเข้าใจห่วงโซ่เชิงตรรกะ หากเรายอมรับแนวคิดเรื่องสมมาตรแบบไฟฟ้าความสมมาตรนี้จะต้องถูกทำลายด้วยวิธีใดวิธีหนึ่ง กลไกของฮิกส์เป็นวิธีการที่เป็นธรรมชาติที่สุดและน้อยที่สุดในการละเมิดดังกล่าว มีความพยายามที่จะสร้างกลไกที่ปราศจากฮิกส์ แต่กลไกเหล่านี้ล้วนมีความแปลกใหม่มากและจำเป็นต้องอาศัยอนุภาคใหม่ ปฏิกิริยาโต้ตอบ หรือแม้แต่พิกัดเชิงพื้นที่ แน่นอนว่ามันจะน่าสนใจมากหากแบบจำลองดังกล่าวเกิดขึ้นจริงในโลกของเรา แต่จากมุมมองของการสร้างแบบจำลอง สิ่งเหล่านี้ซับซ้อนกว่ามากและเป็นทฤษฎีที่เป็นธรรมชาติน้อยกว่ากลไกของฮิกส์

หากเราไม่ยอมรับแนวคิดเรื่องความสมมาตรของกระแสไฟฟ้าก็ไม่จำเป็นต้องใช้กลไกของฮิกส์อีกต่อไป แต่จากนั้นก็จำเป็นต้องสร้างทฤษฎีอื่นของการโต้ตอบที่อ่อนแอซึ่งจะอธิบายคุณสมบัติที่สังเกตได้ทั้งหมดของอนุภาค ฉันขอเตือนคุณว่าแบบจำลองมาตรฐานไม่เพียงแต่รับมือกับสิ่งนี้ได้อย่างสมบูรณ์แบบเท่านั้น แต่ยังอยู่บนพื้นฐานที่ว่าคุณสมบัติของ W- และ Z-bosons ที่รับผิดชอบต่อปฏิกิริยาที่อ่อนแอนั้นได้รับการคาดการณ์แล้วจึงยืนยันในการทดลอง ยังไม่มีทฤษฎีอื่นใดที่สามารถแทนที่แบบจำลองมาตรฐานได้

กลไกฮิกส์ตอบทุกคำถามหรือไม่?

อีกครั้งไม่มี กลไกฮิกส์ไม่ได้อธิบายทุกอย่าง แต่เพียงทำให้แบบจำลองมาตรฐานสมบูรณ์เท่านั้น ทำให้เป็นทฤษฎีที่เหมาะสมสำหรับการคำนวณพลังงานที่น้อยกว่า 1 TeV มาก

ดังนั้นปัญหาจึงเกิดขึ้นเมื่อพยายามคาดการณ์แบบจำลองมาตรฐานให้มีพลังงานสูงมาก ให้เราเน้นย้ำว่าปัญหาเหล่านี้ไม่ใช่ปัญหาของกลไก Higgs เอง แต่เป็นของโมเดลมาตรฐานทั้งหมด พวกเขาสะท้อนความจริงที่ว่า SM ยังไม่สมบูรณ์และเป็นเพียงทฤษฎี "โดยประมาณ" ที่ทำงานได้ดีในพลังงานต่ำเท่านั้น

ที่พลังงานสูง แทนที่จะเป็นแบบจำลองมาตรฐาน ทฤษฎีใหม่ๆ ที่ลึกกว่าและยังไม่ได้สร้างขึ้นควรใช้งานได้ ซึ่งปัญหาเหล่านี้จะได้รับการแก้ไข (บางส่วน?) ทฤษฎีประเภทนี้ไม่เป็นที่ทราบแน่ชัด แต่มีการพัฒนามากมายอยู่แล้ว ดังนั้นภารกิจหลักของ LHC คือการพยายามมองเห็นการสำแดงของทฤษฎีนี้อย่างน้อยที่สุดเพื่อทำความเข้าใจว่าจะไปที่ไหนต่อไป นักฟิสิกส์ส่วนใหญ่มั่นใจว่าสามารถบรรลุผลดังกล่าวได้อย่างแม่นยำโดยการวิจัยกลไกฮิกส์

วรรณกรรมเพิ่มเติม:

• ข้อมูลพื้นฐานเกี่ยวกับกลไก Higgs สามารถพบได้ในหนังสือของ L. B. Okun “ ฟิสิกส์ของอนุภาค"(ในระดับคำและภาพ) และ" เลปตันและควาร์ก"(ในระดับจริงจังแต่เข้าถึงได้)
• เอส. ดอว์สัน. ข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับการทำลายสมมาตรของ Electroweak // hep-ph/9901280 - การบรรยาย 83 หน้าเกี่ยวกับกลไก Higgs และคุณสมบัติของ Higgs boson ในแบบจำลองมาตรฐานและในทฤษฎีสมมาตรยิ่งยวด
• ค. ควิก. ความสมมาตรที่เกิดขึ้นเองจะแตกเป็นพื้นฐานของมวลอนุภาค // ตัวแทน โครงการ ฟิสิกส์ 70 1019–1053 (2007); บทความสามารถใช้ได้อย่างอิสระ

อนุภาคมูลฐาน Higgs boson ซึ่งตั้งชื่อตามนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ Peter Higgs ซึ่งตามทฤษฎีทำนายการมีอยู่ของมันในปี 1964 อาจเป็นหนึ่งในอนุภาคที่ลึกลับและน่าทึ่งที่สุดในฟิสิกส์สมัยใหม่ เธอเป็นคนที่ก่อให้เกิดความขัดแย้งและการอภิปรายมากมายในชุมชนวิทยาศาสตร์และมีคนถึงกับมอบหมายฉายาที่ไม่ธรรมดาให้เธอเช่น "ชิ้นส่วนของพระเจ้า" ยังมีคนขี้ระแวงที่อ้างว่าไม่มีฮิกส์โบซอน และทั้งหมดนี้ไม่มีอะไรมากไปกว่าการหลอกลวงทางวิทยาศาสตร์ จริงๆ แล้วฮิกส์โบซอนคืออะไร ค้นพบได้อย่างไร มีคุณสมบัติอะไรบ้าง โปรดอ่านรายละเอียดเพิ่มเติม

Higgs boson คืออะไร: คำอธิบายในภาษาง่ายๆ

เพื่ออธิบายสาระสำคัญของฮิกส์โบซอนอย่างเรียบง่ายและชัดเจนที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ไม่เพียง แต่สำหรับนักฟิสิกส์วิทยาศาสตร์เท่านั้น แต่ยังสำหรับคนทั่วไปที่สนใจในวิทยาศาสตร์ด้วยจึงจำเป็นต้องใช้ภาษาของสัญลักษณ์เปรียบเทียบและการเปรียบเทียบ แม้ว่าการเปรียบเทียบและการเปรียบเทียบทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับฟิสิกส์ของอนุภาคมูลฐานจะไม่เป็นจริงและแม่นยำก็ตาม สนามแม่เหล็กไฟฟ้าหรือคลื่นควอนตัมเดียวกันนั้นไม่ใช่ทั้งสนามหรือคลื่นในแง่ที่ผู้คนมักจินตนาการถึงมัน เช่นเดียวกับที่อะตอมเองก็ไม่ได้เป็นสำเนาของระบบสุริยะที่เล็กกว่าแต่อย่างใด ซึ่งอิเล็กตรอนหมุนรอบนิวเคลียสของอะตอมเหมือนดาวเคราะห์ รอบ ๆ พวกเขา. แม้ว่าการเปรียบเทียบและการเปรียบเทียบจะไม่ได้สื่อถึงแก่นแท้ของสิ่งเหล่านั้นที่เกิดขึ้นในฟิสิกส์ควอนตัม แต่ก็ทำให้เราเข้าใกล้ความเข้าใจสิ่งเหล่านี้มากขึ้น

ข้อเท็จจริงที่น่าสนใจ: ในปี 1993 รัฐมนตรีว่าการกระทรวงศึกษาธิการของอังกฤษได้ประกาศการแข่งขันเพื่ออธิบายที่ง่ายที่สุดว่าฮิกส์โบซอนคืออะไร ผู้ชนะคือคำอธิบายที่เกี่ยวข้องกับงานปาร์ตี้

ลองนึกภาพงานปาร์ตี้ที่มีผู้คนหนาแน่น จากนั้นคนดังบางคน (เช่น "ร็อคสตาร์") ก็เข้ามาในห้องและแขกก็เริ่มติดตามเธอทันที ทุกคนต้องการสื่อสารกับ "ดารา" ในขณะที่ "ร็อคสตาร์" เองก็เคลื่อนไหวช้าลง มากกว่าแขกคนอื่น ๆ ทั้งหมด จากนั้นผู้คนจะรวมตัวกันเป็นกลุ่มๆ เพื่อหารือเกี่ยวกับข่าวหรือข่าวซุบซิบที่เกี่ยวข้องกับร็อคสตาร์คนนี้ ในขณะที่ผู้คนย้ายจากกลุ่มหนึ่งไปยังอีกกลุ่มหนึ่งอย่างวุ่นวาย ส่งผลให้ดูเหมือนว่าผู้คนกำลังคุยกันเรื่องซุบซิบ โดยล้อมรอบคนดังอย่างใกล้ชิด แต่ไม่มีการมีส่วนร่วมโดยตรงของเขา ดังนั้น ทุกคนที่เข้าร่วมในงานปาร์ตี้คือสนามฮิกส์ กลุ่มคนคือสิ่งที่รบกวนสนาม และผู้มีชื่อเสียงเอง เพราะพวกเขาถูกสร้างขึ้นมา จึงเป็นฮิกส์โบซอน

หากสัญลักษณ์เปรียบเทียบนี้ไม่ชัดเจนสำหรับคุณนี่ก็เป็นอีกเรื่องหนึ่ง: ลองนึกภาพโต๊ะบิลเลียดเรียบ ๆ ที่มีลูกบอล - อนุภาคมูลฐาน ลูกบอลเหล่านี้กระจายไปในทิศทางต่าง ๆ ได้อย่างง่ายดายและเคลื่อนที่ไปทุกที่โดยไม่มีสิ่งกีดขวาง ทีนี้ลองจินตนาการว่าโต๊ะบิลเลียดถูกปกคลุมไปด้วยสารเหนียวบางชนิดซึ่งทำให้ลูกบอลเคลื่อนที่ไปตามมันได้ยาก มวลเหนียวนี้คือสนามฮิกส์ มวลของสนามนี้เท่ากับมวลของอนุภาคที่เกาะอยู่กับมัน ฮิกส์โบซอนเป็นอนุภาคที่สอดคล้องกับสนามเหนียวนี้ นั่นคือ ถ้าคุณตีโต๊ะบิลเลียดด้วยมวลเหนียวนี้แรงๆ มวลเหนียวมากจำนวนเล็กน้อยนี้จะก่อตัวเป็นฟองชั่วคราว ซึ่งในไม่ช้าก็จะกระจายไปทั่วโต๊ะอีกครั้ง ดังนั้น ฟองนี้ก็คือฮิกส์โบซอน

การค้นพบฮิกส์โบซอน

ดังที่เราเขียนไว้ตอนต้น ฮิกส์โบซอนถูกค้นพบครั้งแรกในทางทฤษฎีโดยนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ปีเตอร์ ฮิกส์ ซึ่งเสนอว่าอนุภาคมูลฐานที่ไม่รู้จักก่อนหน้านี้บางส่วนมีส่วนร่วมในกระบวนการของสมมาตรอิเล็กโตรอ่อนแอที่เกิดขึ้นเองในแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาค สิ่งนี้เกิดขึ้นในปี 1964 ทันทีหลังจากนั้นการค้นหาการมีอยู่จริงของอนุภาคมูลฐานนี้เริ่มต้นขึ้น แต่ล้มเหลวเป็นเวลาหลายปี ด้วยเหตุนี้ นักวิทยาศาสตร์บางคนจึงเริ่มเรียกฮิกส์โบซอนอย่างติดตลกว่า "อนุภาคสาป" หรือ "อนุภาคพระเจ้า"

ดังนั้น เพื่อยืนยันหรือหักล้างการมีอยู่ของ "อนุภาคของพระเจ้า" อันลึกลับนี้ จึงได้มีการสร้างเครื่องเร่งอนุภาคขนาดยักษ์ขึ้นในปี 2555 การทดลองยืนยันการมีอยู่ของฮิกส์โบซอน และปีเตอร์ ฮิกส์ ผู้ค้นพบอนุภาคดังกล่าว ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 2556 จากการค้นพบครั้งนี้

กลับมาที่การเปรียบเทียบของเราเกี่ยวกับโต๊ะบิลเลียด เพื่อที่จะเห็นฮิกส์โบซอน นักฟิสิกส์จำเป็นต้องตีมวลเหนียวที่วางอยู่บนโต๊ะด้วยแรงที่เหมาะสม เพื่อที่จะเอาฟองออกมาจากมัน ซึ่งก็คือฮิกส์โบซอนนั่นเอง ดังนั้นเครื่องเร่งอนุภาคของศตวรรษที่ 20 ที่ผ่านมาจึงไม่มีพลังมากพอที่จะ "โจมตีบนโต๊ะ" ด้วยแรงที่ต้องการและมีเพียง Large Hadron Collider ที่สร้างขึ้นเมื่อต้นศตวรรษที่ 21 ของเราตามที่พวกเขากล่าวว่าช่วยได้ นักฟิสิกส์ “ตีโต๊ะ” ด้วยแรงที่เหมาะสมและเห็นด้วยตาของคุณเอง “ชิ้นส่วนของพระเจ้า”

ประโยชน์ของฮิกส์โบซอน

สำหรับคนที่อยู่ห่างไกลจากวิทยาศาสตร์โดยทั่วไปและโดยเฉพาะฟิสิกส์ การค้นหาอนุภาคมูลฐานบางอย่างอาจดูไร้จุดหมาย แต่การค้นพบฮิกส์โบซอนมีความสำคัญอย่างมากสำหรับวิทยาศาสตร์ ก่อนอื่นความรู้ของเราเกี่ยวกับโบซอนจะช่วยในการคำนวณที่ดำเนินการในฟิสิกส์เชิงทฤษฎีเมื่อศึกษาโครงสร้างของจักรวาล

โดยเฉพาะอย่างยิ่ง นักฟิสิกส์ได้แนะนำว่าพื้นที่ทั้งหมดรอบตัวเราเต็มไปด้วยฮิกส์โบซอน เมื่อมีปฏิสัมพันธ์กับอนุภาคมูลฐานอื่นๆ โบซอนจะให้มวลของพวกมันแก่พวกมัน และหากเป็นไปได้ที่จะคำนวณมวลของอนุภาคมูลฐานบางตัว ก็สามารถคำนวณมวลของฮิกส์โบซอนได้เช่นกัน และถ้าเรามีมวลของฮิกส์โบซอน แล้วใช้มันไปในทิศทางตรงกันข้าม เราก็สามารถคำนวณมวลของอนุภาคมูลฐานอื่นๆ ได้เช่นกัน

แน่นอนว่าทั้งหมดนี้เป็นการให้เหตุผลที่ไม่ชำนาญมากจากมุมมองของฟิสิกส์เชิงวิชาการ แต่นิตยสารของเราก็เป็นวิทยาศาสตร์ยอดนิยมเช่นกันที่จะพูดคุยเกี่ยวกับเรื่องทางวิทยาศาสตร์ที่จริงจังในภาษาที่ง่ายและเข้าใจได้

อันตรายจากฮิกส์โบซอน

Stephen Hawking นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษระบุข้อกังวลเกี่ยวกับฮิกส์โบซอนและการทดลองกับมัน จากข้อมูลของฮอว์คิง ฮิกส์โบซอนเป็นอนุภาคมูลฐานที่ไม่เสถียรอย่างมาก และจากสถานการณ์บางอย่าง สามารถนำไปสู่การสลายสุญญากาศและการหายไปอย่างสิ้นเชิงของแนวความคิดเช่นอวกาศและเวลา แต่อย่ากังวล เพื่อให้สิ่งนี้เกิดขึ้น จำเป็นต้องสร้างเครื่องชนที่มีขนาดเท่าดาวเคราะห์ทั้งดวงของเรา

คุณสมบัติของฮิกส์โบซอน

• ฮิกส์โบซอนก็เหมือนกับอนุภาคมูลฐานอื่นๆ ที่อยู่ภายใต้อิทธิพล
• ฮิกส์โบซอนมีการหมุนเป็นศูนย์ (โมเมนตัมเชิงมุมของอนุภาคมูลฐาน)
• ฮิกส์โบซอนมีประจุไฟฟ้าและสี
• มี 4 ช่องทางหลักสำหรับการกำเนิดของฮิกส์โบซอน: หลังจากการหลอมรวมของกลูออน 2 ตัว (หลัก) การหลอมรวมของคู่ WW หรือ ZZ พร้อมด้วยโบซอน W หรือ Z พร้อมด้วยควาร์กชั้นนำ
• ฮิกส์โบซอนสลายตัวเป็นคู่บี-ควาร์ก-บี-แอนติควาร์ก ออกเป็น 2 โฟตอน เป็นคู่อิเล็กตรอน-โพซิตรอน และ/หรือมิวออน-แอนติมิวออน หรือเป็นคู่อิเล็กตรอน-โพซิตรอน และ/หรือมิวออน-แอนติมิวออนด้วยคู่หนึ่ง

คำพูดถึงผู้คลางแคลงใจ

แน่นอนว่ามีคนขี้ระแวงที่อ้างว่าไม่มีฮิกส์โบซอนในความเป็นจริง และทั้งหมดนี้ถูกคิดค้นโดยนักวิทยาศาสตร์โดยมีจุดประสงค์เพื่อเอาเงินของผู้เสียภาษีอย่างเห็นแก่ตัว ซึ่งคาดว่าจะนำไปใช้ในการวิจัยทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับอนุภาคมูลฐาน แต่ในความเป็นจริงแล้วกลับเข้าไปในกระเป๋าเสื้อ ของคนบางคน

ฮิกส์ โบซอน วีดีโอ

และโดยสรุปแล้ววิดีโอสารคดีที่น่าสนใจเกี่ยวกับฮิกส์โบซอน

เมื่อเร็ว ๆ นี้ การประโคมข่าวสิ้นสุดลงเนื่องในโอกาสเกิดเหตุการณ์ทางวิทยาศาสตร์ที่สำคัญ นั่นคือการค้นพบฮิกส์โบซอน พวกเขามอบรางวัลด้วยความชื่นชมยินดีร่วมกับนักวิทยาศาสตร์ แต่... สิ่งหนึ่งที่ยังไม่ชัดเจน: ทำไมเราถึงต้องการโบซอนขนาดนี้? เหตุใดนักฟิสิกส์จึงค้นหาเขาอย่างยาวนานและต่อเนื่อง? เราได้ตอบคำถามเหล่านี้กับ Sergei Pavlovich Baranov นักวิจัยชั้นนำของห้องปฏิบัติการอิเล็กตรอนพลังงานสูงของสถาบันกายภาพ Lebedev

เวลาผ่านไปนานมากนับตั้งแต่มีการประกาศการค้นพบอนุภาคใหม่ในงานสัมมนาที่ CERN (4 กรกฎาคม 2555) หลักฐานการค้นพบโบซอนที่มีชื่อเสียงมีความแข็งแกร่งและสมบูรณ์มากขึ้นตั้งแต่นั้นมา

แน่นอนว่ายังมีการติดตั้งทดลองอิสระอีกสองแห่ง (ATLAS และ CMS) - เนื่องจากความเป็นเอกลักษณ์ของทั้งสองสิ่ง เช่นเดียวกับตัวเร่งความเร็ว LHC ทั้งหมด - แต่ภายในแต่ละความร่วมมือ การสะสมข้อมูลใหม่และการประมวลผลของ ข้อมูลที่สะสมไว้ก่อนหน้านี้มีต่อเนื่องมาโดยตลอด จนถึงปัจจุบันผลงานนี้ได้ส่งผลดังนี้

อนุภาค H ใหม่ถูกตรวจพบในหกช่องการสลายตัว: ออกเป็น Z-boson สองอัน ซึ่งหนึ่งในนั้นเป็นเสมือน (H → ZZ*); ออกเป็น W-boson สองตัว หนึ่งในนั้นเป็นเสมือน (H → WW*); ออกเป็นสองโฟตอน (H → γγ); ถึงควาร์กที่สวยงาม (หรือสวยงาม) (H → ); ถึงเอกภาพ leptons (H → τ+τ –); บน Z-boson และโฟตอน(H → Zγ)

ความสัมพันธ์ระหว่างความน่าจะเป็นของการสลายตัวต่างๆ สอดคล้องกับความคาดหวังทางทฤษฎีเป็นอย่างดี โบซอนมีตัวเลขควอนตัมที่ถูกต้องที่ระดับความเชื่อมั่น 97.8%: สปินเป็นศูนย์และความเท่าเทียมกันเชิงบวก การมีอยู่ของการสลายตัวออกเป็นสองโฟตอนทำให้ความเป็นไปได้ของการหมุนเท่ากับหนึ่ง และขึ้นอยู่กับการกระจายเชิงมุมของผลิตภัณฑ์การสลายตัวในโหมดอื่น การหมุนที่เท่ากับสองก็ถูกแยกออกเช่นกัน

โดยทั่วไปแล้ว ไม่มีอะไรจะบ่น และสิ่งที่เหลืออยู่ก็คือต้องเข้าใจว่าโบซอนนี้มีความหมายอย่างไรในชีวิตของเรา เข้าใจ - สิ่งนี้ใช้ได้กับคุณและฉัน นักฟิสิกส์เข้าใจแล้ว

โซนการชนของลำแสงที่ Large Hadron Collider และเครื่องตรวจจับ ATLAS ที่อยู่ในนั้น ()

– เซอร์เกย์ พาฟโลวิช มีคนรู้สึกว่าฮิกส์โบซอนเป็น "บุคคลสำคัญ" มาก ซึ่งนักฟิสิกส์ไล่ตามมานานและต่อเนื่องมาก แต่ทำไมเขาถึงต้องการมากขนาดนี้?

– อันที่จริง การค้นพบฮิกส์โบซอนใช้เวลานานมาก ลีออน ลีเดอร์แมน ซึ่งหมดความอดทนถึงขนาดตั้งชื่อโบซอนในบทความของเขาด้วยซ้ำ” อนุภาคเจ้ากรรม", เช่น. “อนุภาคสาปแช่ง” หมายถึงการหลบหลีกของโบซอน บรรณาธิการนิตยสารพูดว่า "สาปแช่ง" ทิ้ง "พระเจ้า" - มันกลายเป็น "อนุภาคของพระเจ้า" นักข่าวหยิบฉายาที่ติดหูและติดอยู่ สิ่งที่ดูน่าประหลาดใจที่สุดสำหรับฉันในเรื่องนี้ก็คือ ฮิกส์โบซอนไม่จำเป็นโดยธรรมชาติ แต่จำเป็นโดยนักคณิตศาสตร์ แต่สิ่งแรกก่อน

อคติ

มีความเห็นว่าการค้นพบฮิกส์โบซอนทำให้บางสิ่งบางอย่างในประวัติศาสตร์ยุคแรก ๆ ของจักรวาลมีความกระจ่างขึ้น และยังให้ความกระจ่างเกี่ยวกับต้นกำเนิดของมันอีกด้วย สิ่งนี้ไม่เป็นความจริงทั้งหมด ตามแนวคิดสมัยใหม่ ฮิกส์โบซอน (หรือสนาม) มีหน้าที่รับผิดชอบต่อการขยายตัวอย่างรวดเร็วของจักรวาลในยุคก่อนบิกแบง (ที่เรียกว่า "เงินเฟ้อ" หรือ "บวม") แต่ไม่ได้ติดตามจากที่ไหนเลย โบซอนที่เพิ่งค้นพบที่ CERN นั้นเป็นโบซอนชนิดเดียวกัน มันอาจจะเป็นโบซอนที่แตกต่างออกไปก็ได้ ชื่อฮิกส์โบซอนเป็นชื่อรวมของอนุภาค (สนาม) ทั้งหมดที่มีคุณสมบัติบางอย่าง ในขณะที่บทบาทของโบซอนในธรรมชาติอาจแตกต่างกันโดยสิ้นเชิง ไม่ว่าในกรณีใด ข้อกำหนดที่เรากำหนดไว้สำหรับโบซอน "ทางจักรวาลวิทยา" และ "เซิร์น" ในปัจจุบันนั้น มีความเหมือนกันน้อยมาก

แผนภาพของการชนกันของลำแสงในอุโมงค์ Large Hadron Collider
ซึ่งส่งผลให้มีการค้นพบฮิกส์โบซอน

มีความเชื่อที่นิยมอีกประการหนึ่งว่าฮิกส์โบซอนอธิบายว่าอนุภาคมีมวลที่ไหน และนี่คือคุณค่าหลักของทฤษฎีนี้ สิ่งนี้จะต้องมีการชี้แจงด้วย เขาอธิบาย แต่จำนวนปริมาณที่อธิบายไม่ได้ในทางทฤษฎีไม่ได้ลดลง มีบางอย่างเช่นการติดป้ายกำกับใหม่เกิดขึ้น ก่อนหน้านี้ ในยุคก่อนฮิกส์ เรารู้ว่าอนุภาคมูลฐานมีมวล (อนุภาคแต่ละชนิดก็มีมวลของมันเอง) แต่เราไม่รู้ว่าทำไมขนาดของมวลนี้ถึงเป็นเช่นนี้ ในศัพท์เฉพาะของ "ฮิกส์" ในปัจจุบัน เรากล่าวว่ามวลอนุภาคที่สังเกตได้เป็นผลมาจากอันตรกิริยากับสนามฮิกส์ ความแรงของการโต้ตอบนี้ถูกกำหนดโดยค่าของค่าคงที่คัปปลิ้งที่สอดคล้องกัน (ค่าคงที่เป็นสัดส่วนอย่างเคร่งครัดกับมวล) แต่เรายังไม่รู้ว่าทำไมค่าคงที่เหล่านี้ถึงเป็นเช่นนี้ มีกี่มวล - ค่าคงที่มากมาย

ยิ่งกว่านั้น สำหรับอนุภาคทั่วไปเช่นโปรตอนและนิวตรอนที่ใช้สร้างอะตอม - และทุกสิ่งที่เราเรียกว่าสสาร - 99% ของมวลนั้นเกิดจากการควบแน่นที่เรียกว่าควาร์ก-กลูออน ไม่ใช่ฮิกส์โบซอนเลย . จากคะแนนนี้ ความคิดเห็นของวิทยาศาสตร์ไม่เปลี่ยนแปลง: มันเป็นอย่างนั้นก่อนการค้นพบโบซอน และตอนนี้ก็ยังคงเป็นเช่นนั้น พูดอย่างเคร่งครัด กลไกฮิกส์รับผิดชอบเฉพาะมวลของอนุภาคที่เป็นควอนตัมของอันตรกิริยาที่อ่อนแอ (W + , W - และ Z 0 โบซอน) สำหรับมวลของเลปตอน (รวมถึงอิเล็กตรอน) และสำหรับสิ่งที่เรียกว่ากระแส ส่วนประกอบของมวลควาร์ก สัดส่วนของมวลปัจจุบันในมวลรวม (เรียกว่า "องค์ประกอบ") จะแตกต่างกันไปตามควาร์กที่ต่างกัน ควาร์กประกอบเป็นอนุภาคอื่นๆ ฮาดรอน; มีอยู่มากมาย (รวมถึงโปรตอนและนิวตรอน) แต่การจัดการกับโครงสร้างของอนุภาคประกอบนั้นเป็นอีกเรื่องหนึ่ง เราจะไม่มีเวลาครอบคลุมทุกสิ่งในบทความเดียว

กลับมาที่อนุภาค "มูลฐานที่แท้จริง" กัน - W ± และ Z โบซอน, เลปตัน, ควาร์ก หลังจากการประดิษฐ์กลไกฮิกส์ ชุดทั้งหมดของพวกเขาเริ่มมีพฤติกรรมที่แตกต่าง แตกต่างจากที่เราคิดไว้ก่อนหน้านี้ และสิ่งนี้ทำให้เราสามารถสร้างทฤษฎีที่สอดคล้องกันทางคณิตศาสตร์ของปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอได้ นี่คือจุดที่ฮิกส์เข้ามาเป็นของตัวเอง

ปัญหาก่อนฮิกส์

แต่เพื่อที่จะทำความเข้าใจว่าทฤษฎีนี้เผชิญปัญหาอะไรและฮิกส์โบซอนช่วยเอาชนะปัญหาเหล่านั้นได้อย่างไร ก่อนอื่นเรามาพูดถึงทฤษฎีที่ปัญหาเหล่านี้ได้รับการแก้ไขโดยไม่ได้รับความช่วยเหลือจากฮิกส์โบซอน - เกี่ยวกับทฤษฎีไฟฟ้าที่คุ้นเคยไม่มากก็น้อย (ไฟฟ้าพลศาสตร์) ). ผู้ที่ไปโรงเรียนอาจจำกฎของคูลอมบ์ได้: ความแรงของสนามไฟฟ้าที่สร้างขึ้นโดยประจุแบบจุดจะมีพฤติกรรมเป็นกำลังสองผกผันของระยะห่างจากประจุ (E ~ r –2) สนามไฟฟ้าคือวัตถุวัตถุ และเกี่ยวข้องกับความหนาแน่นของพลังงานเชิงปริมาตรซึ่งเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของความแรงของสนาม หากเราต้องการคำนวณพลังงานทั้งหมดของสนาม ความหนาแน่นของพลังงานนี้จะต้องบูรณาการทั่วทั้งอวกาศ - ในทุกระยะทางตั้งแต่ศูนย์ถึงอนันต์ - จากนั้นเราจะเห็นว่าอินทิกรัลลู่ออก (และที่ระยะทางเล็ก ๆ ซึ่งมีความหมายเหมือนกัน ด้วยพลังมหาศาล) ซึ่งหมายความว่าพลังงานทั้งหมดของสนามที่สร้างขึ้นโดยประจุจุดหนึ่งจะเปลี่ยนเป็นค่าอนันต์ และตามความสัมพันธ์ของไอน์สไตน์ เมื่อมีพลังงาน ก็จะมีมวล ซึ่งหมายความว่ามวลของอนุภาคที่มีประจุ ณ จุดใดๆ (เช่น อิเล็กตรอน) จะต้อง เป็นอนันต์ - ขัดแย้งกับข้อเท็จจริง! พูดอย่างเคร่งครัด เราไม่สามารถรับประกันได้ว่าอิเล็กตรอนจะมีจุดเหมือนจริง แต่อย่างไรก็ตาม รัศมีของมัน (ถ้ามี) ตามการวัดที่ทราบนั้นมีขนาดเล็กกว่าค่าที่ควรมีหากมวลทั้งหมดของอิเล็กตรอนจำนวนมาก เนื่องมาจากพลังงานของสนามที่มันสร้างขึ้น

ปัญหานี้แก้ไขได้โดยใช้เทคนิคทางคณิตศาสตร์ที่เรียกว่าการปรับสภาพใหม่ แก่นแท้ของเทคนิคนี้คือ เราถือว่ามวล "เมล็ดพันธุ์" เชิงลบที่มีขนาดใหญ่เป็นอนันต์ต่ออิเล็กตรอน และสมมุติฐานว่าการมีส่วนร่วมของเมล็ดที่เป็นลบแบบไม่มีที่สิ้นสุด ซึ่งถูกบวกเข้ากับการมีส่วนร่วมเชิงบวกแบบไม่มีที่สิ้นสุดจากสนามคูลอมบ์ ทำให้ได้มวลที่สังเกตได้ของอนุภาคอย่างแน่นอน ไม่ว่าจะสวยงามหรือไม่ก็ตาม ด้วยวิธีนี้เราจะสร้างกฎของเกมเพื่อลดความไม่มีที่สิ้นสุด และจากนี้ไปเราสามารถคำนวณได้อย่างชัดเจนโดยไม่เกิดความขัดแย้ง แล้วเปรียบเทียบผลการคำนวณกับผลการวัด และจนถึงตอนนี้ข้อตกลงในทุกกรณีก็น่าทึ่งมาก และการที่มวล "เมล็ดพันธุ์" เป็นลบก็ไม่ใช่ปัญหา ท้ายที่สุดแล้ว ทั้งมวล "เมล็ดพันธุ์" และ "สนาม" ไม่สามารถวัดแยกกันได้ เนื่องจากโดยหลักการแล้ว เราไม่สามารถแยกอนุภาคที่มีประจุออกจากสนามที่มันสร้างขึ้นได้ ซึ่งหมายความว่าไม่มี "มวล" ใดที่เป็นปริมาณทางกายภาพในตัวเอง และมีเพียงผลรวมเท่านั้นที่มีความหมายทางกายภาพ

นอกจากมวลแล้ว ยังมีความแตกต่างอีกสองประเภทในพลศาสตร์ไฟฟ้า ดังนั้นค่าคงที่อันตรกิริยากับโฟตอน (ประจุอิเล็กตรอน) และฟังก์ชันคลื่นโฟตอนจึงต้องได้รับการปรับให้เป็นมาตรฐานด้วย แต่เมื่อทำ "ข้อตกลงด้วยมโนธรรม" สามครั้ง เราจะได้รับกฎของเกมที่ครบถ้วนสำหรับทุกโอกาส มีทฤษฎีบทที่ยอดเยี่ยมในไฟฟ้าไดนามิกส์: ไม่ว่าการคำนวณจะซับซ้อนเพียงใด ก็จะไม่เกิดความแตกต่างประเภทใหม่ขึ้น ทุกสิ่งจำเป็นต้องขึ้นอยู่กับทั้งสามสิ่งนี้ ซึ่งเราได้ตกลงกันไว้แล้วว่าจะจัดการอย่างไร ทฤษฎีที่ความแตกต่างทั้งหมดถูกกำจัดโดยข้อตกลงจำนวนจำกัด เรียกว่า การทำให้เป็นมาตรฐานใหม่ได้

ทฤษฎีปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอถูกสร้างขึ้นโดยทั่วไปโดยใช้แบบจำลองไฟฟ้าไดนามิกส์ แต่มีความแตกต่างที่สำคัญบางประการ ด้วยเหตุผลบางประการ ธรรมชาติต้องการอนุภาคที่คล้ายกับโฟตอนและมีหน้าที่รับผิดชอบในการถ่ายโอนปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอ (เช่น โบซอน W + , W – และ Z) ให้มีขนาดใหญ่ ไม่เหมือนโฟตอน นี่เป็นข้อเท็จจริงจากการทดลอง เนื่องจากโบซอนทั้งหมดที่กล่าวถึงถูกค้นพบและมวลของพวกมันถูกวัด และส่งผลที่ร้ายแรงที่สุดต่อการทำให้เป็นมาตรฐานได้ กล่าวคือ เมื่อการคำนวณมีความซับซ้อนมากขึ้น อาจเกิดความแตกต่างประเภทใหม่จำนวนมากอย่างไม่สิ้นสุด ซึ่งจำเป็นต้องมีกฎใหม่จำนวนอนันต์ในการจัดการกับสิ่งเหล่านั้น เห็นได้ชัดว่าสิ่งนี้ไม่สามารถเรียกได้ว่าเป็นทฤษฎีอีกต่อไป และไม่มีพลังในการทำนายเหลืออยู่เลย ฮิกส์โบซอนช่วยนำความสง่างามที่สามารถทำให้เกิดสภาวะปกติกลับมาได้ดังเช่นที่เราเคยได้รับในอิเล็กโทรไดนามิกส์ มาดูกันว่าเขาประสบความสำเร็จได้อย่างไร - และด้วยเหตุนี้เราจึงต้องถอยอีกสองครั้ง

สุญญากาศคืออะไร

เมื่อพูดถึงคุณสมบัติของฮิกส์โบซอน เราต้องละทิ้งแนวคิดที่คุ้นเคยมากมาย โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เมื่อมองสุญญากาศว่าเป็นพื้นที่ว่าง (ชื่อของมันเองซึ่งในภาษารัสเซียมีรากศัพท์มาจากคำว่า "การอพยพ" และ "ความว่าง") ทำให้เรานึกถึง "ความว่างเปล่า" ของสุญญากาศ) ตามคำจำกัดความสมัยใหม่ สุญญากาศไม่ใช่ความว่างเปล่า แต่เป็นสภาวะที่มีพลังงานน้อยที่สุด ในกรณีนี้ สุญญากาศสามารถเต็มไปด้วยสนามทางกายภาพที่มีลักษณะหลากหลายที่สุด แนวคิดเกี่ยวกับสุญญากาศในฐานะสภาพแวดล้อมทางวัตถุเริ่มเป็นรูปเป็นร่างในช่วงครึ่งแรกของศตวรรษที่ยี่สิบ และทุกวันนี้ สุญญากาศก็เต็มไปด้วยทุกสิ่ง - นี่คือทะเลอิเล็กตรอนดิแรก (รูที่เรียกว่าโพซิตรอน) และความผันผวนของควอนตัมที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ของทุกสนามที่มีอยู่ในธรรมชาติ และคอนเดนเสทกลูออนที่กล่าวถึงแล้ว... และ สุดท้ายก็ฮิกส์โบซอน คุณอาจถามว่าเมื่อก่อนเราจะมีชีวิตอยู่ได้อย่างไรและไม่มีความคิดเกี่ยวกับการเติมวัสดุในสุญญากาศเลย? และก็ประมาณเดียวกับที่เรามีชีวิตอยู่และไม่มีความคิดเกี่ยวกับความกดอากาศ ลองวางถังน้ำหลายๆ ถังใส่ตัวเองให้สูง 10 เมตร ซึ่งเป็นความกดดันของบรรยากาศเดียวกัน แต่เราไม่รู้สึกถึงมัน เพราะความกดดันส่งผลกระทบต่อเราจากทุกด้าน และพลังก็หักล้างกัน เราไม่ได้สังเกตเห็นความกดดัน แต่สังเกตเพียงความแตกต่างเท่านั้น เช่น เมื่อลมพัด ในทำนองเดียวกัน เราไม่สังเกตเห็น "บรรยากาศ" ของการควบแน่นของฮิกส์ในขณะที่สงบ แต่เมื่อคลื่นเดินเตร่อยู่ในนั้น เราจะบันทึกการกระตุ้น และเรียกมันว่าอนุภาค ฮิกส์โบซอน เช่นเดียวกับที่เราเรียกว่าโฟตอนของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

เมื่อเราถือว่า (หรือสมมุติฐาน) การมีอยู่ของฟิลด์ Higgs เรายังระบุคุณสมบัติบางอย่างด้วย กล่าวคือ สนามนี้มีปฏิสัมพันธ์กับตัวมันเอง และในลักษณะที่การพึ่งพาความหนาแน่นของพลังงานกับความแรงของสนามดูเหมือนในรูปที่ 1 พลังงานศักย์ประเภทนี้ไม่ได้ติดตามจากที่ใดก็ตาม นี่คือสมมุติฐานที่แน่นอน หรือ ตำแหน่งเริ่มต้นของทฤษฎี: สมมติว่าคุณสมบัติของสนามมีดังนี้ แล้วมาดูกันว่าผลที่ตามมาที่น่าทึ่งจะเกิดขึ้นจากสิ่งนี้อย่างไร

รูปที่ 1 การพึ่งพาความหนาแน่นของพลังงาน U กับความแรงของสนาม H (สนามฮิกส์)

แน่นอนว่ารูปที่มีแกนหนึ่งมิติสำหรับขนาดของสนามนั้นทำให้ง่ายขึ้นมาก สนามฮิกส์ไม่เพียงแต่รับค่าจริงเท่านั้น แต่ยังรวมถึงค่าที่ซับซ้อนด้วย นอกจากนี้ยังมีการหมุนของไอโซโทปที่อ่อนแอ กล่าวคือ มันสามารถไปในทิศทางที่แตกต่างกันในพื้นที่ไอโซโทปที่อ่อนแอ แต่ด้วยเหตุผลเชิงคุณภาพของเรา ภาวะแทรกซ้อนเหล่านี้จึงไม่สำคัญนักในขณะนี้ สิ่งสำคัญคือสถานะที่มีความหนาแน่นของสนามฮิกส์เป็นศูนย์นั้นไม่ใช่พลังงานขั้นต่ำดังนั้นจึงไม่เสถียร จุดต่ำสุดใดๆ ก็ตามที่อยู่ทางขวาหรือทางซ้าย อาจเป็นสุญญากาศพอๆ กัน และธรรมชาติก็จะเลื่อนเข้าไปในหนึ่งในนั้นอย่างแน่นอน อันไหนเป็นเรื่องของโอกาส (การเลือกโดยธรรมชาติตามธรรมชาติ) แต่ไม่ว่าธรรมชาติขั้นต่ำจะเลือกค่าใด ค่าของสนามฮิกส์ในสถานะนี้จะไม่เป็นศูนย์ กราฟทั้งหมดมีความสมมาตรโดยสมบูรณ์ เช่นเดียวกับสมการที่อธิบายกราฟมีความสมมาตร แต่การแก้สมการใดๆ ก็ตามของสมการเหล่านี้ ซึ่งสอดคล้องกับความต้องการทางกายภาพของพลังงานขั้นต่ำ ย่อมเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ สิ่งที่เรียกว่าการแตกสมมาตรที่เกิดขึ้นเองนั้นเกิดขึ้น นี่เป็นประเด็นสำคัญในกลไกของฮิกส์

โดยวิธีการนี้มีความคล้ายคลึงกันอย่างสมบูรณ์กับการดึงดูดแม่เหล็กที่เกิดขึ้นเองของเฟอร์ริกแม่เหล็ก: สถานะพลังงานต่ำสุดของพวกมันยังสอดคล้องกับสนามแม่เหล็กขนาดมหภาคที่ไม่เป็นศูนย์ด้วย ทิศทางของสนามสามารถเป็นอะไรก็ได้ แต่ค่าสัมบูรณ์ไม่ใช่ศูนย์ แต่เป็นค่าที่กำหนดไว้อย่างดี และเช่นเดียวกัน: ทุกทิศทางในอวกาศเท่ากันในสมการดั้งเดิมของแม่เหล็ก แต่ความเท่าเทียมกันในระบบที่รับรู้ทางกายภาพนั้นหายไป - จากความเป็นไปได้ที่เท่าเทียมกันที่ระบบเองก็เลือกมาอย่างใดอย่างหนึ่ง ในขณะเดียวกันสมการพื้นฐานก็ไม่ได้หยุดที่จะสมมาตร - และความจริงข้อนี้จะเป็นประโยชน์สำหรับเราในไม่ช้า เราพยายามที่จะไม่ลืมเขา

มวลคืออะไร

ปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคกับสนามฮิกส์ที่เต็มไปด้วยพื้นที่ทั้งหมดทำให้เกิดการปรากฏตัวของมวลในอนุภาค อนุภาคจะ "ติด" ในคอนเดนเสทนี้และได้รับความเฉื่อย บัญชียอดนิยมมักกล่าวถึงผู้ขายไอศกรีมที่มีเด็กอยู่เต็มตัว หรือราชินีรายล้อมไปด้วยอาสาสมัคร ความหมายก็คือ ความคล่องตัวของผู้ขายไอศกรีมหรือราชินีรายล้อมไปด้วยฝูงชนจะลดลงอย่างมาก และดูเหมือนว่าพวกเขาจะ "กลายเป็นคนจำนวนมาก" ทางวิทยาศาสตร์ที่เข้มงวดมากขึ้นความคล้ายคลึงสามารถพบได้ในฟิสิกส์สถานะของแข็ง ดังนั้นการนำอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ในผลึกในลักษณะอนุภาคที่มีมวล "มีประสิทธิผล" อย่างแรงแตกต่างจากมวลจริงของมัน มวลที่มีประสิทธิผลนี้กำลังดำเนินการอยู่ความแข็งแรงเป็นผลมาจากปฏิสัมพันธ์ของอิเล็กตรอนกับสิ่งแวดล้อม ในการคำนวณค่าการนำไฟฟ้า การใช้ "มวลประสิทธิผล" จะสะดวกกว่าการใช้คำอธิบายที่สมบูรณ์ของตัวกลาง นอกจากนี้ยังสะดวกและเป็นที่ยอมรับในการพิจารณารูในเซมิคอนดักเตอร์เป็นอนุภาคชนิด p เราเข้าใจว่าหลุมนั้นไม่ใช่อนุภาคจริง และอิเล็กตรอนมีมวลจริงแตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง แต่เพียงเพราะเราสามารถนำอิเล็กตรอนออกจากคริสตัลและตรวจดูแยกกันได้ อย่างไรก็ตาม เราไม่สามารถกำจัดอนุภาคมูลฐานออกจากสุญญากาศได้ นั่นคือ ออกจากอวกาศ ดังนั้นมวลที่อนุภาคที่ได้รับจากการมีปฏิกิริยากับสุญญากาศฮิกส์จึงเป็นมวลที่แท้จริงของมัน

มันทำงานอย่างไร

ดังนั้นเราจึงตั้งสมมติฐานการแสดงออกของพลังงานศักย์ของสนามฮิกส์ในลักษณะที่ว่าในสถานะพลังงานต่ำสุด (ในสุญญากาศ) ความหนาแน่นของสนามไม่เป็นศูนย์ ดูรูปที่ 1 อีกครั้ง ธรรมชาติสามารถเลือกค่าต่ำสุดที่เหมาะสมได้ หรือ ทางซ้าย แต่ไม่ว่าในกรณีใดภาพจะเอียง - การกระตุ้นเล็กน้อยเหนือสุญญากาศนั้นจะไม่สมมาตรอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ พวกมันจะเชื่อมโยงกับพลังงานศักย์ขั้นต่ำเสมอ
นอกจากนี้ เรายังตั้งสมมุติฐานอันตรกิริยาของอนุภาคมูลฐานกับสนามฮิกส์ ซึ่งทำให้อนุภาคมีมวลเป็นสัดส่วนกับค่าเฉลี่ยสุญญากาศของสนามฮิกส์ ความแตกต่างจากสถานการณ์เมื่อระบุมวลในตอนแรก "ด้วยมือ" (ที่เรียกว่าการแนะนำมวลอย่างหนัก) ก็คือมวลที่ป้อนผ่านสนามฮิกส์ (ที่เรียกว่าการแนะนำแบบอ่อน) ไม่ใช่ค่าคงที่ จะเปลี่ยนแปลงหากฟิลด์ Higgs เปลี่ยนแปลง

ทีนี้ลองหันไปมองที่ส่วนบนของร่าง ไปสู่บริเวณที่มีพลังงานสูง จากความสูงนี้ รายละเอียดเล็กๆ น้อยๆ ของการผ่อนปรนบริเวณด้านล่างของหลุมที่มีศักยภาพจะไม่มีความสำคัญอีกต่อไป และพฤติกรรมทั้งหมดของระบบของเราจะมีความสมมาตร ดังที่เป็นปกติในสมการพื้นฐานของเรา สนามฮิกส์หมุนอย่างอิสระจากหลุมหนึ่งไปยังอีกหลุมหนึ่ง และค่าเฉลี่ยของมันมีแนวโน้มที่จะเป็นศูนย์ นั่นคือพฤติกรรมที่จะเกิดขึ้นกับอนุภาคไร้มวลกลับคืนมา (ราวกับว่าศักยภาพของหลุมมีขั้นต่ำเพียงหนึ่งเดียว) ความสมมาตรที่แตกหักไปเองของเราได้รับการฟื้นฟู - และในกรณีนี้ ทฤษฎีบทการปรับสภาพใหม่จะเริ่มทำงานอีกครั้ง ด้วยการออกแบบระบบที่สมมาตร ความแตกต่างที่เป็นอันตรายที่สุดจะลดลง และเหลือเพียงความแตกต่างที่เราสามารถจัดการได้ผ่านขั้นตอนการปรับสภาพใหม่เท่านั้น

ในวิทยาศาสตร์เหล่านั้นที่พาหะของปฏิกิริยาเริ่มแรกไม่มีมวลอยู่แล้ว เช่น โฟตอนในพลศาสตร์ไฟฟ้าและกลูออนในโครโมไดนามิกส์ ทุกอย่างสามารถปรับให้เป็นปกติได้ทันทีและสะดวกสำหรับการคำนวณ แต่พาหะของการโต้ตอบที่อ่อนแอ - โบซอน W และ Z - กลายเป็นเรื่องใหญ่ด้วยเหตุผลบางประการ และเราต้องต่อสู้กับมัน จากนั้นเราก็เกิดฮิกส์โบซอนและกลไกของการทำลายสมมาตรที่เกิดขึ้นเอง ซึ่งทำให้เราเปลี่ยนจากโบซอน W และ Z ขนาดใหญ่ที่พลังงานต่ำ (โดยพื้นฐานแล้วอยู่ใกล้สุญญากาศ ในบริเวณที่เราสังเกตได้) ไปเป็นโบซอนไร้มวลที่ พลังงานสูง (โดยที่อินทิกรัลที่โชคร้ายแตกต่าง) ผลลัพธ์สามารถแสดงออกมาในรูปแบบของคำพังเพย - กลไกของฮิกส์ไม่ได้อธิบายกำเนิดของมวลมากนัก แต่ช่วยกำจัดมวลนี้

โลกด้านบนและโลกด้านล่าง (ก่อนและหลังการละเมิดความสมมาตรที่เกิดขึ้นเอง)

ดังนั้น ความหมายของการดำรงอยู่ของฮิกส์โบซอนสำหรับเราก็คือ มันช่วยให้เราสามารถเชื่อมโยงสิ่งที่ดูเหมือนจะเข้ากันไม่ได้: ขอบเขตของพลังงานสูง-สูง โดยที่โบซอน W และ Z ไม่ควรมีมวล (เพื่อไม่ให้เกิดความแตกต่างที่ไม่อาจถอดออกได้เกิดขึ้น ) โดยมีขอบเขตพลังงานต่ำ โดยที่โบซอน W และ Z มีมวลเป็นข้อเท็จจริงในการทดลอง ธรรมชาติพบนักคณิตศาสตร์ครึ่งทางและที่นั่นใน "ภูเขาสูง" ไม่ได้ให้มวลโบซอน อนุภาคได้รับมวลเพียงสิ่งมีชีวิตที่ด้านล่างเท่านั้น มวลเกิดขึ้นอันเป็นผลมาจากอันตรกิริยากับคอนเดนเสทสุญญากาศต่างๆ

ธรรมชาติได้ทำสิ่งนี้มากกว่าหนึ่งครั้ง จำได้ไหมเมื่อเราบอกว่ามวลของโปรตอนเกิดจากกลูออนคอนเดนเสท ดังนั้นเมื่อพลังงานเพิ่มขึ้น กลูออนคอนเดนเสทก็จะหายไป และมวลของควาร์กที่ก่อตัวเป็นโปรตอนก็หายไปด้วย ในกรณีนี้ โปรตอนหยุดมีอยู่โดยรวมและสลายไปเป็นควาร์กที่ไม่ถูกผูกไว้ ผลลัพธ์อะไรที่เรียกว่าพลาสมาควาร์ก-กลูออน แต่เราจะพูดถึงเรื่องนี้ในครั้งต่อไป การโต้ตอบที่รุนแรงต้องรับผิดชอบต่อคุณสมบัติของมัน แต่ตอนนี้เรากำลังยุ่งอยู่กับการโต้ตอบที่อ่อนแอ แต่บทเรียนบางอย่างก็สามารถดึงมาจากการเปรียบเทียบได้ หากเราล้มเหลวในการค้นพบฮิกส์โบซอนในฐานะอนุภาคพื้นฐานที่เป็นอิสระ ก็ยังคงมีความหวังที่จะกอบกู้ทฤษฎีปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอโดยการจัดฮิกส์โบซอนให้เป็นวัตถุประกอบ

แม้ว่าคุณจะมองให้กว้างขึ้น นอกเหนือจากฟิสิกส์ของอนุภาคมูลฐาน ปรากฎว่าเราได้เรียนรู้บทเรียนนี้แล้ว เราเห็นความเทียบเท่าที่สมบูรณ์แบบที่สุดของกลไกฮิกส์กับคอนเดนเสทสารประกอบในฟิสิกส์สถานะของแข็งในทฤษฎีตัวนำยิ่งยวด ที่นั่นมีคอนเดนเสทของคู่คูเปอร์อิเล็กตรอน ไม่มีอะไรใหม่ภายใต้ดวงอาทิตย์

เกี่ยวกับความงาม

กลไกฮิกส์ไม่เพียงแต่แก้ปัญหาทางเทคนิคของเราเท่านั้น แต่ยังช่วยให้เราสามารถจัดการชีวิตได้อย่างสวยงามอีกด้วย เพราะมันสวยงามมากเมื่อสามารถอธิบายปฏิสัมพันธ์ที่ดูเหมือนจะแตกต่างกันทั้งหมดได้จากตำแหน่งที่เป็นหนึ่งเดียว และสมการพื้นฐานสำหรับปฏิกิริยาเหล่านั้นสามารถได้มาจากหลักการทั่วไปเพียงข้อเดียว หลักการนี้เรียกว่าค่าคงที่เกจท้องถิ่น การโต้ตอบทั้งหมดเป็นไปตามรูปแบบเดียวกันและแตกต่างกันเฉพาะในอุปกรณ์ที่มีการชาร์จที่สอดคล้องกันเท่านั้น ค่าไฟฟ้าเป็นเพียงตัวเลข บวกหรือลบ มันเป็นเพียงตัวเลข และประจุของระบบที่ซับซ้อนนั้นได้มาจากการเพิ่มประจุของส่วนต่างๆ ทางคณิตศาสตร์อย่างง่าย

ประจุที่อ่อนนั้นในทางคณิตศาสตร์คล้ายกับการหมุน แต่จะหมุนไปในทิศทางที่ต่างกันซึ่งไม่ใช่ในปริภูมิปกติของเรา แต่ในปริภูมิเกจ (ไอโซโทปอ่อน) สถานะของระบบไม่ได้ถูกกำหนดด้วยตัวเลขตัวเดียวอีกต่อไป แต่ถูกกำหนดเป็นสอง: การหมุนที่อ่อนแอทั้งหมดและการฉายภาพไปยังแกนใดแกนหนึ่งในพื้นที่เกจ กฎการเพิ่ม “รวม” ไม่เหมาะสำหรับการหมุนเต็ม แต่มีกฎที่เข้มงวดเช่นเดียวกับการหมุนปกติ

ประจุที่แรงเรียกว่าสี ในระดับหนึ่ง มันก็คล้ายกับการหมุน แต่ซับซ้อนกว่าเท่านั้น พื้นที่เกจของเขาไม่ใช่สามมิติ แต่เป็นแปดมิติ และสถานะของระบบอธิบายด้วยตัวเลขสามตัว: "สีเต็ม" และการฉายภาพไปยังแกนสองแกนในพื้นที่เกจ ผู้เชี่ยวชาญแทนที่จะใช้คำว่า “สีสมบูรณ์” กลับพูดว่า “มิติของการเป็นตัวแทนที่ลดน้อยลง”

และตอนนี้ เราก้าวไปสู่ศูนย์รวมที่ชัดเจนของเสรีภาพในระบอบประชาธิปไตยและความอดทนที่เป็นสากล - หลักการของความไม่แปรเปลี่ยนระดับท้องถิ่น สาระสำคัญของมันคือผู้สังเกตการณ์ที่อยู่ในจุดต่าง ๆ ในอวกาศมีสิทธิ์กำหนดทิศทางของแกนในพื้นที่เกจแต่ละแบบในแบบของตนเองตามที่ใคร ๆ ก็ชอบและไม่มีใครมีสิทธิ์กีดกันพวกเขาจากอิสรภาพนี้ (ด้วย ข้อจำกัดเพียงว่าการเปลี่ยนแปลงในระบบพิกัดเกจเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง) แต่ในขณะเดียวกัน เราก็ตั้งสมมติฐานว่าสมการการเคลื่อนที่ของอนุภาคควรมีลักษณะเหมือนกันสำหรับตัวเลือกใดๆ

จะตอบสนองความต้องการนี้ได้อย่างไร? สมการการเคลื่อนที่ของอนุภาคอิสระ (เช่น ควาร์ก อิเล็กตรอน หรือเลปตันอื่นๆ) มีอนุพันธ์ และตอนนี้ทั้งการเปลี่ยนแปลง "จริง" ในฟังก์ชันคลื่นของอนุภาคและการเปลี่ยนแปลง "ชัดเจน" ที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงในระบบพิกัดคือ เข้าไปพัวพันกับมัน คุณสามารถกำจัดคำพิเศษในอนุพันธ์ได้โดยใช้ช่อง "ชดเชย" เพิ่มเติม กล่าวคือ นอกเหนือจากช่องเดิมสำหรับเลปตันหรือควาร์กแล้ว เรายังนำช่องอื่นๆ เข้ามาในระบบสมการอีกด้วย ซึ่งจะเปลี่ยนเมื่อมีการหมุนแกนในพื้นที่เกจด้วย แต่ในลักษณะที่การเปลี่ยนแปลงนี้จะชดเชยกับ เงื่อนไข "พิเศษ" เป็นที่ชัดเจนว่าสมการสำหรับฟิลด์การชดเชยเหล่านี้ถูกสร้างขึ้นอย่างไม่มีความคลุมเครือ เนื่องจากเป็นที่รู้แน่ชัดว่าต้องได้รับการชดเชยอะไร ปรากฎว่าสำหรับประจุไฟฟ้า สนามชดเชยดังกล่าวจะเป็นสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ร่วมกับสมการของแมกซ์เวลล์ที่ตามมาจากหลักเกจโดยตรง สำหรับประจุอ่อนจะเป็นสนามของโบซอน W ± และ Z และสำหรับประจุแรงคือสนามของกลูออน ความคล้ายคลึงของสมการของแมกซ์เวลล์ในสองกรณีสุดท้ายเรียกว่าสมการหยาง-มิลส์ (มังกรแม่เหล็กไฟฟ้าสามหัวที่แข็งแกร่งและอ่อนแอนี้จริงๆ แล้วเรียกว่าแบบจำลองมาตรฐาน แน่นอนว่าจะต้องใช้ร่วมกับรายการอนุภาคพื้นฐานทั้งหมดและการจำแนกประเภทตามประเภทของประจุ)

และทุกอย่างคงจะดีถ้าไม่ใช่เพราะสิ่งเล็กๆ น้อยๆ ที่น่ารำคาญ เฟอร์มิออน (อิเล็กตรอนหรือเลปตอนอื่นๆ รวมถึงควาร์ก) มีส่วนร่วมในปฏิกิริยาที่อ่อนแอในรูปแบบต่างๆ กัน ขึ้นอยู่กับความเฮลิตี้ของพวกมัน ข้อเท็จจริงเชิงทดลอง ปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอเป็นเพียงสิ่งเดียวเท่านั้นที่เรารู้ว่าแยกแยะระหว่างสถานะที่ถนัดซ้ายและถนัดขวา สิ่งนี้ไม่ดีในตัวมันเอง แต่เนื่องจากแนวคิดเรื่องความเฮลิซิตี้สำหรับอนุภาคขนาดใหญ่กลายเป็นเรื่องคลุมเครือ จำไว้ว่าความเฮลิซิตี้คือการฉายภาพการหมุนของอนุภาคเข้าสู่โมเมนตัมของมัน และหากอนุภาคมีมวลไม่เป็นศูนย์ มันก็จะเคลื่อนที่ช้ากว่าความเร็วแสงเสมอ ดังนั้นอนุภาคจึงสามารถ "ถูกแซง" ได้ตลอดเวลา นั่นคือ ไปที่หน้าต่างอ้างอิงที่เคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกันเท่านั้น ความเร็วที่สูงขึ้น และในระบบอ้างอิงดังกล่าว โมเมนตัมของอนุภาคจะมีทิศทางตรงกันข้ามอยู่แล้ว และด้วยเหตุนี้ เครื่องหมายและความเฮลิซิตี้ก็จะเปลี่ยนไป แต่ถ้าแรงแห่งปฏิสัมพันธ์ซึ่งมีลักษณะเป็น "ประจุ" แบบมีเงื่อนไขนั้นขึ้นอยู่กับกรอบอ้างอิงนั่นหมายความว่าประจุที่ไม่แปรเปลี่ยนนั้นไม่สามารถกำหนดได้ หรือค่อนข้างเป็นไปไม่ได้ที่จะกำหนดในลักษณะที่จะเก็บรักษาไว้ จากนั้นโครงร่างที่สวยงามทั้งหมดนี้ซึ่งมีที่มาของสมการทั้งหมดจากหลักการเดียวก็พังทลายลง เพราะการปฏิบัติตามค่าคงที่ของเกจและการมีอยู่ของประจุอนุรักษ์ที่สอดคล้องกัน จากมุมมองทางคณิตศาสตร์ เป็นสิ่งเดียวกัน ทฤษฎีบทของโนเธอร์ แน่นอนว่า มันเป็นไปไม่ได้ที่จะได้มาซึ่งสมการ แต่เพียงสมมุติฐานพวกมันดังที่เป็นอยู่ ซึ่งจะไม่ส่งผลต่อพลังการทำนาย แต่มันก็น่าเสียดาย มีความรู้สึกเจ็บปวดที่เราเข้าใจรูปแบบที่สำคัญบางอย่างในธรรมชาติ

สมมติฐานของการทำลายความสมมาตรที่เกิดขึ้นเองทำให้เกิดภาพที่แตกต่างออกไปสำหรับเรา ในภาพนี้มีสถานที่สำหรับโลกแห่งความสมมาตรที่ต่อเนื่องกันตั้งแต่แรกเริ่ม โดยที่สมการทั้งหมดไม่แปรเปลี่ยนตามเกจ อนุภาคไม่มีมวล แนวคิดเรื่องเฮลิซิตี้ถูกกำหนดไว้อย่างมีเอกลักษณ์ และประจุยังคงอยู่ ไม่มีสิ่งใดขัดขวางเราจากการได้สมการ Yang-Mills จากหลักการเกจ แล้วลงมาสู่โลกเบื้องล่าง อนุภาคจะได้รับมวล และในขณะเดียวกัน ประจุที่อ่อนจะไม่ถูกอนุรักษ์ไว้อีกต่อไป แต่ตอนนี้เราไม่กลัวสิ่งนี้แล้ว เพราะกลไกของฮิกส์ระบุอย่างชัดเจนว่าประจุที่หายไปนั้นมาจากไหนและประจุส่วนเกินจะไปที่ไหน คำตอบ: ผสานเป็นสุญญากาศ เข้าสู่สุญญากาศ ซึ่งมีปริมาณสำรองที่ไม่มีวันหมดสะสมอยู่ในคอนเดนเสทฮิกส์ คือยังมีประจุอ่อนอยู่ แต่จะเกิดการอนุรักษ์ได้อย่างไรถ้าระบบไม่ปิด? แลกเปลี่ยนประจุอ่อนกับสุญญากาศอย่างต่อเนื่อง ดังนั้นสิ่งที่เข้ากันไม่ได้จึงเชื่อมโยงกันอีกครั้ง - มีค่าใช้จ่ายเป็นคำพ้องของกฎการอนุรักษ์ แต่ไม่มีการอนุรักษ์ในตัวมันเอง คณิตศาสตร์!

เพื่อเติมเต็มความสุข ยังคงต้องชี้แจงระดับความเป็นอิสระ

เรารู้ว่าระบบที่มีการหมุนเท่ากับหนึ่งมีสถานะควอนตัมสามสถานะ บางคนอาจจำระดับแฝดในฟิสิกส์อะตอมได้ แต่ในกรณีของเรา เราจะพูดถึงโพลาไรเซชันของอนุภาคเวกเตอร์ ซึ่งล้วนแต่เป็นโบซอนเกจ หากอนุภาคมีมวล มันก็จะมีสถานะโพลาไรซ์สามสถานะ (สองสถานะตามขวางและหนึ่งตามยาว) และถ้ามันไม่มีมวลเหมือนโฟตอน ก็จะมีเพียงสองสถานะตามขวาง ตอนนี้เรามาจำเกี่ยวกับโพลาไรเซชันตามขวางของโฟตอนที่เราได้ยินกันที่โรงเรียนกัน ตอนนี้เป็นเวลาที่จะเริ่มกังวล เพราะในโลกที่มีความสมมาตรไม่ขาดตอน ต้นกำเนิดที่ไม่มีมวลของโบซอน W ± และ Z 0 มีสถานะโพลาไรเซชันสองสถานะในแต่ละสถานะ และสถานะขนาดใหญ่ตอนนี้มีสามสถานะ

ระดับอิสรภาพพิเศษเหล่านี้มาจากไหน? และนี่คือที่มา: ในโลกแห่งความสมมาตรที่ไม่ขาดตอน สนามฮิกส์ไม่มีอิสระระดับเดียว แต่มีสี่ระดับ ฉันได้กล่าวไปแล้วว่าสนามฮิกส์ใช้ค่าเชิงซ้อน (และจำนวนเชิงซ้อนแต่ละตัวเทียบเท่ากับจำนวนจริงสองตัว) และมีการหมุนที่อ่อนแอ (ซึ่งในพื้นที่ไอโซโทปที่อ่อนแอสามารถกำกับ "ขึ้น" หรือ "ลง") . และไม่ใช่เรื่องบังเอิญที่ตอนนี้ฉันเรียกทุ่งไร้มวลในโลกของสมมาตรที่ไม่ขาดตอนว่าต้นกำเนิดของเกจโบซอน และไม่ใช่โบซอนเอง เพราะมันกลายเป็นโฟตอน W + , W – และ Z 0 โบซอนที่เราไม่ได้รู้จักโดยตรง แต่ด้วยการสร้างการทับซ้อนของควอนตัมซึ่งกันและกัน สนามฮิกส์ยังมีส่วนร่วมในการซ้อนควอนตัมนี้ด้วย และเป็นผลให้สนามฮิกส์สามในสี่แห่งเปลี่ยนการลงทะเบียนและได้งานเป็นองค์ประกอบที่สาม (ตามยาว) ในโพลาไรเซชันของโบซอนขนาดใหญ่ มีเพียงฟิลด์เดียวที่ยังคงอยู่ภายใต้ชื่อเดิม และเราค้นพบมันที่ CERN การกระจายระดับความเป็นอิสระเป็นหนึ่งในองค์ประกอบสำคัญของทฤษฎีทั่วไปของการโต้ตอบแบบอิเล็กโทรอ่อนแอ

ความก้าวหน้าทางอุดมการณ์? - ใช่; ประกอบด้วยการเดาว่ากฎดั้งเดิมตามแผนของพระเจ้านั้นสมบูรณ์แบบและสมมาตร (และทำให้เรามีความสามารถในการปรับสภาพให้เป็นปกติและรักษาประจุ) และ "ความเบ้" ของกฎที่เราเห็นในโลกด้านล่างนั้นชัดเจนเท่านั้น มันเป็นผลมาจากโครงสร้างสุญญากาศที่บิดเบี้ยวซึ่งกลายเป็นเช่นนี้เพราะการรบกวนของฮิกส์โบซอน เราจึงพบผู้กระทำผิด แล้วทำไมฮิกส์โบซอนถึงไม่เรียกว่าอนุภาคปีศาจล่ะ? แต่ในโลกที่สมบูรณ์แบบอันศักดิ์สิทธิ์จะมีสถานที่สำหรับมนุษย์หรือไม่?

เพื่อหาคำตอบนี้ เราควรพูดถึงคำถามเกี่ยวกับเด็กอีกสองข้อ

จะเกิดอะไรขึ้นถ้า...

จะเกิดอะไรขึ้นหากไม่มีปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอในธรรมชาติเลย? เราจะสังเกตเห็นสิ่งนี้ด้วยตาเปล่าหรือไม่?

ใช่แล้ว คุณคงจะสังเกตเห็น! เมื่อนั้นพระอาทิตย์ก็ไม่ส่องแสง เนื่องจากโปรตอนสองตัวที่ชนกันไม่สามารถกลายเป็นนิวเคลียสดิวเทอเรียมได้ - และนี่เป็นขั้นตอนแรกในห่วงโซ่ปฏิกิริยาที่เปลี่ยนไฮโดรเจนเป็นฮีเลียมและทำหน้าที่เป็นแหล่งพลังงานแสงอาทิตย์หลัก

จะเกิดอะไรขึ้นถ้าเกจโบซอนอ่อนไม่มีมวล?

เป็นไปได้มากว่าดวงอาทิตย์จะมีมิติที่แตกต่างกัน มันอาจจะใหญ่กว่าวงโคจรของโลกในปัจจุบันและมากกว่าวงโคจรของดาวเคราะห์ใดๆ ด้วยซ้ำ ขนาดของดาวฤกษ์ใดๆ จะถูกกำหนดโดยความสมดุลระหว่างแรงโน้มถ่วงซึ่งขึ้นอยู่กับมวลของดาวฤกษ์ และความดันความร้อนซึ่งขึ้นอยู่กับความเข้มของการปล่อยพลังงานในปฏิกิริยานิวเคลียร์ ด้วยโบซอน W ที่ไม่มีมวล การแปลงไฮโดรเจนเป็นฮีเลียมจะง่ายขึ้นและเร็วขึ้นมาก (หลายล้านล้านครั้ง) และความดันความร้อนจะไม่ยอมให้ดวงอาทิตย์หดตัวลงตามขนาดปัจจุบัน

ในทั้งสองกรณี ชีวิตในรูปแบบที่เรารู้ว่าคงเป็นไปไม่ได้

– Sergei Pavlovich ฉันขอถามคำถามเด็ก ๆ อีกข้อหนึ่งกับคุณ: การค้นพบฮิกส์โบซอนนั้นยิ่งใหญ่แค่ไหน? หรือที่จริงจังกว่านั้นคือการค้นพบครั้งนี้จะนำสิ่งใหม่มาสู่ภาพของโลกที่มีอยู่แล้วหรือไม่?

มีความคิดเห็นและผมแบ่งปันว่าไม่จำเป็นต้องให้รางวัลโนเบล จริงๆ แล้ว-ใครล่ะ? กลไกฮิกส์เป็นที่รู้จักในฟิสิกส์สถานะของแข็งมาเป็นเวลานานแล้ว ตั้งแต่ปี 1965 ดังนั้นจึงไม่น่าจะมีอะไรแปลกใหม่ในกลไกนี้ ความแปลกใหม่ขั้นพื้นฐานคือเมื่อสามารถปรับให้เข้ากับความต้องการของฟิสิกส์อนุภาคมูลฐานได้ และสร้างทฤษฎีทั่วไปเกี่ยวกับปฏิสัมพันธ์ทางไฟฟ้าที่อ่อนแอด้วยความช่วยเหลือ แต่นักทฤษฎีเชลดอน กลาโชว์, สตีเว่น ไวน์เบิร์ก และอับดุส ซาลาม ได้รับรางวัลโนเบลสำหรับทฤษฎีนี้แล้วในปี 1979 เช่นเดียวกับที่ล่าช้าไปมากคือ Yochiro Nambu ในปี 2008 สำหรับกลไกการทำลายสมมาตรที่เกิดขึ้นเองในฟิสิกส์ของอนุภาค

การตรวจสอบเชิงทดลองของทฤษฎีจำเป็นต้องมีการค้นพบโบซอน W และ Z ที่ทฤษฎีนี้ทำนายไว้ ซึ่งเป็นพาหะควอนตัมของปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอ และผู้ทดลอง Carlo Rubbia และ Van der Meer ก็ได้รับรางวัลโนเบลจากการค้นพบในปี 1984 เนื่องจากความร่วมมือดังกล่าวมีผู้เขียนร่วมหลายร้อยคน เครดิตจึงถูกกำหนดให้เป็น "การสนับสนุนที่เด็ดขาดสำหรับโครงการขนาดใหญ่"

CMS และ ATLAS ร่วมมือกันระหว่างคนมากกว่าสามพันคนในการค้นพบฮิกส์โบซอน ฉันควรให้โบนัสแก่ใคร? ถึงผู้จัดการอีกครั้ง? แต่ในการทำงานร่วมกันนั้น มีหลักการหมุนเวียน - ผู้นำจะเปลี่ยนทุก ๆ สองปี - และความร่วมมือนั้นมีมาเป็นเวลา 20 ปีแล้ว และใครๆ ก็พูดได้ว่าเป็นเพียงโอกาสเท่านั้นที่ผู้นำคนปัจจุบันจะพบว่าตัวเองอยู่ในตำแหน่งเมื่อการค้นพบเกิดขึ้น หรือมากกว่านั้นเมื่อมีการสะสมสถิติเพียงพอสำหรับข้อสรุปที่ระมัดระวัง

แต่ในทางกลับกัน มันก็เป็นไปไม่ได้เช่นกันที่จะไม่ให้โบนัส โดยรวมแล้ว LHC ถูกสร้างขึ้นเพื่อประโยชน์ของฮิกส์โบซอนโดยเฉพาะ ฮิกส์โบซอนถูกใช้เป็นข้ออ้างให้กับองค์กรทางการเงิน

ไม่ต้องสงสัยเลยว่ามีการค้นพบอนุภาคใหม่และอนุภาคที่แบบจำลองมาตรฐานต้องการได้ถูกค้นพบแล้ว แต่คำถามยังคงอยู่: การค้นพบสิ้นสุดลงแล้วหรือยัง? มันเป็นอนุภาคสุดท้ายจากอนุภาคที่ยังไม่ถูกค้นพบ หรือเป็นเพียงอนุภาคที่เบาที่สุดในตระกูลใหม่? ปัญหาบางประการของทฤษฎีเก่าได้รับการแก้ไขอย่างมีชัย แต่ปัญหาส่วนใหญ่ยังคงไม่สามารถอธิบายได้ รวมถึงปัญหาลำดับชั้นของมวลอนุภาคและปัญหาการแก้ไขมวลของฮิกส์โบซอนด้วยรังสี เพื่ออธิบายมัน เป็นเรื่องธรรมดามากกว่าที่จะถือว่ามีวัตถุใหม่บางอย่างอยู่ในลำดับ TeV; มิฉะนั้นจะต้องถือว่าการปรับพารามิเตอร์แบบสุ่มอย่างละเอียด

ฉันอยากจะเห็นด้วยกับ V.A. Rubakov ผู้ซึ่งเชื่อว่าเรากำลังเข้าสู่ยุคใหม่และโบซอนของเราเป็นเพียงส่วนปลายเท่านั้น แต่ถึงแม้ในโลกของอนุภาคธรรมดา การค้นพบก็มีฝนตกลงมา: เป็นครั้งแรกและเป็นจำนวนมากในคราวเดียวที่มีการค้นพบมีซอนชนิดใหม่ซึ่งไปไกลกว่าโครงการควาร์ก-แอนติควาร์กแบบคลาสสิก ไม่ ไม่ ฉันอยู่ท้ายกระทู้แล้ว!

– ในความเห็นของคุณ มีการตำหนิวิทยาศาสตร์และนักวิทยาศาสตร์สมัยใหม่หรือไม่ – วิทยาศาสตร์กำลังเสื่อมโทรมลง ไม่มีนักวิทยาศาสตร์ผู้ยิ่งใหญ่อย่างแท้จริง – ยุติธรรมหรือไม่? หรือทุกอย่างแตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง?

ยังมาจากภาพยนตร์เรื่อง Spring (Mosfilm, 1947)
ฮีโร่ของ R. Plyatt อธิบายลักษณะเฉพาะของงานของนักวิทยาศาสตร์:
“พวกเขาทำงานยังไงบ้าง? เลยนั่งคิดว่า...เปิดแล้ว!
สิ่งสำคัญที่สุดคือการคิด...ก็แค่นั้นแหละ และทุกอย่างก็เรียบร้อย!”

นักวิทยาศาสตร์เป็นอาชีพที่มีความขัดแย้ง โชคชะตาของเขาคือการทำในสิ่งที่ไม่มีใครรู้ว่าต้องทำอย่างไร รวมทั้งตัวเขาเองด้วย เพราะเมื่อพบวิธีแก้ปัญหา ปัญหาก็จะย้ายจากหมวดวิทยาศาสตร์ไปสู่หมวดวิศวกรรมศาสตร์ แล้วคนอื่นๆ ก็ทำไป และนักวิทยาศาสตร์ก็ถูกทิ้งให้อยู่ตามลำพังกับสิ่งที่ไม่รู้จักอีกครั้ง

ในด้านวิทยาศาสตร์ ทุกอย่างค่อนข้างแตกต่างไปจากที่ผู้สังเกตการณ์ทั่วไปเห็น โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับวิทยาศาสตร์พื้นฐานซึ่งมีผลทั้งทางตรงและทางอ้อม นวัตกรรมทางเทคนิคสมัยใหม่ส่วนใหญ่และ "ความสะดวกสบายของอารยธรรม" แท้จริงแล้วเป็นผลพลอยได้จากวิทยาศาสตร์พื้นฐาน ตัวอย่างเช่นอินเทอร์เน็ตเดียวกันซึ่งเราไม่สามารถจินตนาการได้ในปัจจุบัน การใช้การค้นพบ “ตามจุดประสงค์” ก็เกิดขึ้นเช่นกัน แต่ก็ไม่เสมอไปและไม่รวดเร็ว วิทยาศาสตร์ก็เหมือนกับการเดินทางที่เราจัดเตรียมไว้โดยไม่รู้ว่ามีอะไรรอเราอยู่ ทั้งภูเขา ที่ราบ ทะเลทราย หนองน้ำ... และในความเป็นจริง เราก็ออกเดินทางอย่างสุ่มสี่สุ่มห้า มีเพียงความรู้และประสบการณ์ที่สั่งสมมาเท่านั้นมาช่วย (ถ้ามีในนั้น) สาขานี้) และสัญชาตญาณของนักวิทยาศาสตร์

ชีวิตมีโครงสร้างในลักษณะที่เรากำหนดให้ตัวเองเป็นงาน "ของเล่น" ที่สมบูรณ์ซึ่งดูเหมือนไม่จำเป็นสำหรับใครก็ตาม เรากำลังมองหาฮิกส์โบซอนที่เข้าใจยากนี้ ทดสอบ "ความแข็งแกร่ง" ของแบบจำลองมาตรฐาน และพยายามจำลองการกำเนิดของจักรวาล แต่ภายใต้ข้ออ้างของงานเหล่านี้ สร้างขึ้นเพื่อผู้คนที่อยู่ห่างไกลจากวิทยาศาสตร์ เราได้พัฒนาเทคโนโลยีที่ทันสมัยที่สุด ซึ่งจะเข้ามาในชีวิตของเราและเปลี่ยนแปลงมันอย่างรุนแรง

หลังจากทฤษฎีของนิวตัน เกือบไม่มีอะไรเปลี่ยนแปลงเลยตลอด 200 ปี และนี่เป็นช่วงเวลาแห่งการสะสมความรู้ ทดสอบว่าสิ่งใดเหมาะสมกับกรอบของฟิสิกส์นี้มากน้อยเพียงใด จากนั้นปัญหาก็ปรากฏขึ้นซึ่งไม่สามารถเข้ากับมันได้: การกำหนดความเร็วของแสง, อธิบายสเปกตรัมการแผ่รังสีของวัตถุที่เป็นของแข็ง (ผลที่ตามมาคือ "กระโดดออกมา") คงที่ของพลังค์และอีกมากมาย เราเริ่มสนใจเรื่องความโกลาหล และจู่ๆ ก็ตระหนักได้ว่ากลศาสตร์ของนิวตันเป็นข้อยกเว้นมากกว่ากฎแห่งชีวิต กลศาสตร์ควอนตัมและทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปและพิเศษเริ่มพัฒนาขึ้น อย่างไรก็ตามคำถามหนึ่งที่น่าเล่นมาก -“ ทำไมตอนกลางคืนถึงมืด? (ที่เรียกว่า ความขัดแย้งทางแสงของ Olbers - ประมาณ เจ้าหน้าที่กองบรรณาธิการ ) - นำไปสู่การพัฒนาทิศทางทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์ทั้งหมด และในที่สุดคำถามนี้ก็ได้รับการแก้ไขในศตวรรษที่ 20 เท่านั้น พวกเขาค้นหาคำตอบมาเป็นเวลาประมาณร้อยปี!

ข้าพเจ้าคิดว่าแม้ขณะนี้เราอยู่ในขั้นแห่งความเข้าใจ การสั่งสมประสบการณ์ตามความรู้และการค้นพบที่ได้มาแล้ว โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การกลับมาที่ฮิกส์โบซอน หนึ่งในภารกิจที่นี่คือการยืนยันแบบจำลองมาตรฐาน การค้นหาสิ่งที่อาจอยู่นอกเหนือกรอบงานของมัน และเมื่อถึงจุดหนึ่งในกระบวนการรับรู้ คำถามแบบเด็ก ๆ อีกคำถามหนึ่งก็จะปรากฏขึ้น ซึ่งจะกระตุ้นให้เกิดฟิสิกส์ใหม่ ซึ่งตอนนี้มองไม่เห็นแล้ว

สัมภาษณ์โดย E. Lyubchenko, ANI "FIAN-แจ้ง"

___________________________________________

ลีเดอร์แมน ลีออน แม็กซ์- นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน ผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี 1988 จากการค้นพบมิวออนนิวตริโน (“สำหรับวิธีลำแสงนิวตริโนและการสาธิตโครงสร้างคู่ของเลปตอนผ่านการค้นพบมิวออนนิวตริโน”)

รูบาคอฟ วาเลรี อนาโตลีวิช– นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีชาวรัสเซีย หนึ่งในนักวิทยาศาสตร์ชั้นนำของโลกในสาขาทฤษฎีสนามควอนตัม ฟิสิกส์อนุภาคเบื้องต้นและจักรวาลวิทยา นักวิชาการของ Russian Academy of Sciences วิทยาศาสตรดุษฎีบัณฑิต สาขาวิทยาศาสตร์กายภาพและคณิตศาสตร์ ปัจจุบันเขาดำรงตำแหน่งรองผู้อำนวยการสถาบันวิจัยนิวเคลียร์ (INR) ของ Russian Academy of Sciences

ฮิกส์โบซอน อยู่ในลำดับอนุภาคมูลฐานและคุณสมบัติที่ทำนายไว้ตามทฤษฎี ความสำคัญของการค้นหาโบซอนเพื่อดูภาพทางกายภาพของโลก การทดลอง...

จากมาสเตอร์เว็บ

10.06.2018 14:00

ในวิชาฟิสิกส์ ฮิกส์โบซอนเป็นอนุภาคมูลฐานที่นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่ามีบทบาทสำคัญในการก่อตัวของมวลในจักรวาล การยืนยันหรือการพิสูจน์การมีอยู่ของอนุภาคเป็นหนึ่งในเป้าหมายหลักของการใช้เครื่องชนอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่ (LHC) ซึ่งเป็นเครื่องเร่งอนุภาคที่ทรงพลังที่สุดในโลก ซึ่งตั้งอยู่ที่ห้องปฏิบัติการฟิสิกส์อนุภาคแห่งยุโรป (CERN) ใกล้เมืองเจนีวา

เหตุใดการค้นหาฮิกส์โบซอนจึงสำคัญมาก

ในฟิสิกส์อนุภาคสมัยใหม่ มีแบบจำลองมาตรฐานจำนวนหนึ่ง อนุภาคเดียวที่แบบจำลองนี้ทำนายและนักวิทยาศาสตร์พยายามดิ้นรนเพื่อตรวจจับมาเป็นเวลานานคือชื่อโบซอน แบบจำลองมาตรฐานของอนุภาค (ตามข้อมูลการทดลอง) อธิบายปฏิกิริยาและการเปลี่ยนแปลงทั้งหมดระหว่างอนุภาคมูลฐาน อย่างไรก็ตาม "จุดว่าง" เพียงแห่งเดียวที่ยังคงอยู่ในแบบจำลองนี้ - ขาดคำตอบสำหรับคำถามเกี่ยวกับกำเนิดของมวล ความสำคัญของมวลนั้นไม่ต้องสงสัยเลย เพราะถ้าไม่มีมวล จักรวาลก็จะแตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง ถ้าอิเล็กตรอนไม่มีมวล อะตอมและสสารเองก็จะไม่มีอยู่ จะไม่มีชีววิทยาและเคมี และท้ายที่สุดก็ไม่มีมนุษย์

เพื่ออธิบายแนวคิดเรื่องการมีอยู่ของมวล นักฟิสิกส์หลายคน รวมทั้งปีเตอร์ ฮิกส์ ชาวอังกฤษ ได้ตั้งสมมติฐานเกี่ยวกับการมีอยู่ของสิ่งที่เรียกว่าสนามฮิกส์ในทศวรรษที่ 60 ของศตวรรษที่ผ่านมา โดยการเปรียบเทียบกับโฟตอนซึ่งเป็นอนุภาคของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า สนามฮิกส์ยังจำเป็นต้องมีอนุภาคพาหะอยู่ด้วย ดังนั้น กล่าวง่ายๆ ก็คือ ฮิกส์โบซอน จึงเป็นอนุภาคที่เกิดจากสนามฮิกส์จำนวนมาก

อนุภาคฮิกส์และสนามที่มันสร้างขึ้น

อนุภาคมูลฐานทั้งหมดสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท:

• เฟอร์มิออน
• โบซอนส์.

เฟอร์มิออนคืออนุภาคที่ก่อตัวเป็นสสารที่เรารู้จัก เช่น โปรตอน อิเล็กตรอน และนิวตรอน โบซอนเป็นอนุภาคมูลฐานที่กำหนดการมีอยู่ของปฏิกิริยาประเภทต่างๆ ระหว่างเฟอร์มิออน ตัวอย่างเช่น โบซอนคือโฟตอน - พาหะของปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้า, กลูออน - พาหะของปฏิกิริยารุนแรงหรือนิวเคลียร์, โบซอน Z และ W ซึ่งมีหน้าที่รับผิดชอบต่อปฏิกิริยาที่อ่อนแอนั่นคือสำหรับการเปลี่ยนแปลงระหว่างอนุภาคมูลฐาน

ถ้าเราพูดง่ายๆ เกี่ยวกับฮิกส์โบซอนและความหมายของสมมติฐานที่อธิบายการปรากฏตัวของมวล เราควรจินตนาการว่าโบซอนเหล่านี้กระจายอยู่ในอวกาศของจักรวาลและก่อตัวเป็นสนามฮิกส์ที่ต่อเนื่องกัน เมื่อร่างกาย อะตอม หรืออนุภาคมูลฐานใดๆ พบกับ "แรงเสียดทาน" เกี่ยวกับสนามข้อมูลนี้ ซึ่งก็คือ มีปฏิสัมพันธ์กับมัน ปฏิกิริยานี้จะแสดงออกมาเป็นการมีอยู่ของมวลสำหรับวัตถุหรืออนุภาคนี้ ยิ่งร่างกาย "ถู" อนุภาคกับสนามฮิกส์มากเท่าไร มวลของมันก็ยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

วิธีการตรวจจับและขุดหาฮิกส์โบซอน

โบซอนนี้ไม่สามารถตรวจพบได้โดยตรง เนื่องจาก (ตามข้อมูลทางทฤษฎี) หลังจากที่มันปรากฏ มันจะสลายตัวเป็นอนุภาคมูลฐานอื่นที่เสถียรกว่าทันที แต่อนุภาคที่ปรากฏหลังจากการสลายของฮิกส์โบซอนสามารถตรวจพบได้แล้ว พวกมันคือ “ร่องรอย” ที่บ่งบอกถึงการมีอยู่ของอนุภาคที่สำคัญนี้

นักวิทยาศาสตร์ชนลำแสงโปรตอนพลังงานสูงเพื่อตรวจจับอนุภาคฮิกส์โบซอน พลังงานมหาศาลของโปรตอนในระหว่างการชนสามารถเปลี่ยนเป็นมวลได้ตามสมการที่มีชื่อเสียงของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ E = mc2 ในเขตการชนกันของโปรตอนในเครื่องชนกัน มีเครื่องตรวจจับจำนวนมากที่ทำให้สามารถบันทึกลักษณะและการสลายของอนุภาคใดๆ ได้

มวลของฮิกส์โบซอนไม่ได้ถูกสร้างขึ้นตามทฤษฎี แต่มีเพียงชุดค่าที่เป็นไปได้เท่านั้นที่ถูกกำหนดไว้ ในการตรวจจับอนุภาค จำเป็นต้องใช้เครื่องเร่งความเร็วอันทรงพลัง Large Hadron Collider (LHC) ปัจจุบันเป็นตัวเร่งความเร็วที่ทรงพลังที่สุดในโลก ด้วยความช่วยเหลือนี้ ทำให้สามารถชนโปรตอนด้วยพลังงานใกล้เคียงกับ 14 tetraelectronvolts (TeV) ได้ ปัจจุบันทำงานที่พลังงานประมาณ 8 TeV แต่ถึงกระนั้นพลังงานเหล่านี้ก็ยังเพียงพอที่จะตรวจจับฮิกส์โบซอนหรืออนุภาคพระเจ้าอย่างที่หลายคนเรียกมันว่า

เหตุการณ์สุ่มและเหตุการณ์จริง

ในฟิสิกส์ของอนุภาค การมีอยู่ของเหตุการณ์จะถูกประเมินด้วยความน่าจะเป็น "ซิกมา" ซึ่งเป็นตัวกำหนดความสุ่มหรือความเป็นจริงของเหตุการณ์นี้ที่ได้รับในการทดลอง เพื่อเพิ่มโอกาสของเหตุการณ์ จำเป็นต้องวิเคราะห์ข้อมูลจำนวนมาก การค้นหาและการค้นพบฮิกส์โบซอนเป็นหนึ่งในเหตุการณ์ที่เป็นไปได้ประเภทนี้ ในการตรวจจับอนุภาคนี้ LHC ทำให้เกิดการชนกันประมาณ 300 ล้านครั้งต่อวินาที ดังนั้นปริมาณข้อมูลที่จำเป็นต้องวิเคราะห์จึงมีมหาศาล

เราสามารถพูดเกี่ยวกับการสังเกตเหตุการณ์เฉพาะเจาะจงอย่างแท้จริงได้อย่างมั่นใจว่า "ซิกมา" ของมันมีค่าเท่ากับ 5 หรือมากกว่า ซึ่งเทียบเท่ากับเหตุการณ์เหรียญหนึ่ง (ถ้าคุณพลิกมันแล้วเหรียญตกลงบนหัว 20 ครั้งติดต่อกัน) ผลลัพธ์นี้สอดคล้องกับความน่าจะเป็นน้อยกว่า 0.00006%

เมื่อค้นพบเหตุการณ์จริง "ใหม่" นี้แล้ว จำเป็นต้องศึกษารายละเอียดโดยตอบคำถามว่าเหตุการณ์นี้สอดคล้องกับอนุภาคฮิกส์ทุกประการหรือเป็นอนุภาคอื่น ในการทำเช่นนี้ จำเป็นต้องศึกษาคุณสมบัติของผลคูณการสลายตัวของอนุภาคใหม่นี้อย่างรอบคอบ และเปรียบเทียบกับผลการทำนายทางทฤษฎี

การทดลอง LHC และการค้นพบอนุภาคมวล

การค้นหาอนุภาคมวลซึ่งดำเนินการที่เครื่องชน LHC ในเจนีวาและเทวาตรอนที่เฟอร์มิแล็บในสหรัฐอเมริกา พบว่าอนุภาคของพระเจ้าจะต้องมีมวลมากกว่า 114 กิกะอิเล็กตรอนโวลต์ (GeV) หากแสดงออกมาเป็นพลังงานที่เทียบเท่ากัน ตัวอย่างเช่น สมมติว่ามวลของโปรตอนหนึ่งตัวมีค่าประมาณ 1 GeV การทดลองอื่นๆ ที่มุ่งค้นหาอนุภาคนี้พบว่ามวลของมันไม่เกิน 158 GeV

ผลลัพธ์แรกของการค้นหาฮิกส์โบซอนที่ LHC ถูกนำเสนอย้อนกลับไปในปี 2554 ด้วยการวิเคราะห์ข้อมูลที่รวบรวมได้ที่เครื่องชนกันตลอดระยะเวลาหนึ่งปี ในช่วงเวลานี้มีการทดลองหลักสองครั้งเกี่ยวกับปัญหานี้ - ATLAS และ CMS จากการทดลองเหล่านี้ โบซอนมีมวลระหว่าง 116 ถึง 130 GeV หรือระหว่าง 115 ถึง 127 GeV เป็นที่น่าสนใจที่จะทราบว่าในการทดลองทั้งสองที่ LHC ตามคุณลักษณะหลายประการ มวลโบซอนอยู่ในบริเวณแคบระหว่าง 124 ถึง 126 GeV

Peter Higgs พร้อมด้วยเพื่อนร่วมงานของเขา Frank Englert ได้รับรางวัลโนเบลเมื่อวันที่ 8 ตุลาคม 2013 จากการค้นพบกลไกทางทฤษฎีเพื่อทำความเข้าใจการมีอยู่ของมวลในอนุภาคมูลฐาน ซึ่งได้รับการยืนยันในการทดลอง ATLAS และ CMS ที่ LHC ที่ CERN (เจนีวา) เมื่อมีการค้นพบโบซอนที่ทำนายได้จากการทดลอง

ความสำคัญของการค้นพบอนุภาคฮิกส์ทางฟิสิกส์

พูดง่ายๆ ก็คือ การค้นพบฮิกส์โบซอนถือเป็นจุดเริ่มต้นของยุคใหม่ในฟิสิกส์อนุภาค เนื่องจากเหตุการณ์นี้ให้แนวทางใหม่ในการสำรวจปรากฏการณ์ของจักรวาลเพิ่มเติม ตัวอย่างเช่น การศึกษาธรรมชาติและลักษณะของสสารดำ ซึ่งตามการประมาณการทั่วไป คิดเป็นประมาณ 23% ของเอกภพที่รู้จักทั้งหมด แต่คุณสมบัติของสสารยังคงเป็นปริศนามาจนถึงทุกวันนี้ การค้นพบอนุภาคพระเจ้าทำให้สามารถคิดและทำการทดลองใหม่ๆ ที่ LHC ได้ ซึ่งจะช่วยชี้แจงปัญหานี้

คุณสมบัติของโบซอน

คุณสมบัติหลายประการของอนุภาคพระเจ้าที่อธิบายไว้ในแบบจำลองมาตรฐานของอนุภาคมูลฐานนั้นได้รับการยอมรับอย่างสมบูรณ์แล้ว โบซอนนี้มีการหมุนเป็นศูนย์และไม่มีประจุไฟฟ้าหรือสี ดังนั้นจึงไม่มีปฏิกิริยากับโบซอนอื่นๆ เช่น โฟตอนและกลูออน อย่างไรก็ตาม มันมีอันตรกิริยากับอนุภาคทั้งหมดที่มีมวล ได้แก่ ควาร์ก เลปตัน และโบซอนที่มีปฏิสัมพันธ์อย่างอ่อนอย่าง Z และ W ยิ่งมวลของอนุภาคมากเท่าไร มันก็จะมีปฏิกิริยากับฮิกส์โบซอนมากขึ้นเท่านั้น นอกจากนี้โบซอนยังเป็นปฏิปักษ์กับตัวมันเองอีกด้วย

ทฤษฎีไม่ได้ทำนายมวลของอนุภาค อายุเฉลี่ย และปฏิสัมพันธ์ระหว่างโบซอน ปริมาณเหล่านี้สามารถวัดได้โดยการทดลองเท่านั้น ผลการทดลองที่ LHC ที่ CERN (เจนีวา) พบว่ามวลของอนุภาคนี้อยู่ในช่วง 125-126 GeV และอายุการใช้งานอยู่ที่ประมาณ 10-22 วินาที

ค้นพบโบซอนและการเปิดเผยอวกาศ

การค้นพบอนุภาคนี้ถือเป็นหนึ่งในสิ่งที่สำคัญที่สุดในประวัติศาสตร์ของมนุษยชาติ การทดลองกับโบซอนนี้ยังคงดำเนินต่อไป และนักวิทยาศาสตร์ก็กำลังได้รับผลลัพธ์ใหม่ๆ หนึ่งในนั้นคือความจริงที่ว่าโบซอนสามารถนำจักรวาลไปสู่การทำลายล้างได้ นอกจากนี้ กระบวนการนี้ได้เริ่มต้นขึ้นแล้ว (ตามที่นักวิทยาศาสตร์ระบุ) แก่นแท้ของปัญหาคือ ฮิกส์โบซอนสามารถพังทลายลงได้เองในบางส่วนของจักรวาล สิ่งนี้จะสร้างฟองพลังงานที่จะค่อยๆ กระจาย และดูดซับทุกสิ่งที่ขวางหน้า

เมื่อถูกถามว่าโลกจะแตกหรือไม่ นักวิทยาศาสตร์ทุกคนก็ตอบไปในทางบวก ความจริงก็คือมีทฤษฎีที่เรียกว่า "แบบจำลองดาวฤกษ์" มันสมมุติฐานข้อความที่ชัดเจน: ทุกสิ่งมีจุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดของมัน ตามแนวคิดสมัยใหม่ จุดสิ้นสุดของจักรวาลจะมีลักษณะดังนี้: การขยายตัวอย่างเร่งของจักรวาลทำให้เกิดการแพร่กระจายของสสารในอวกาศ กระบวนการนี้จะดำเนินต่อไปจนกว่าดาวดวงสุดท้ายจะดับลง หลังจากนั้นจักรวาลก็จะดำดิ่งสู่ความมืดชั่วนิรันดร์ ไม่มีใครรู้ว่าจะต้องใช้เวลานานเท่าใดจึงจะเกิดขึ้น

ด้วยการค้นพบฮิกส์โบซอน ก็มีทฤษฎีวันโลกาวินาศอีกทฤษฎีหนึ่งเกิดขึ้น ความจริงก็คือนักฟิสิกส์บางคนเชื่อว่ามวลโบซอนที่เกิดขึ้นคือมวลชั่วคราวที่เป็นไปได้ค่าหนึ่ง ค่ามวลเหล่านี้สามารถรับรู้ได้เช่นกันเนื่องจาก (ในแง่ง่าย ๆ ) ฮิกส์โบซอนเป็นอนุภาคมูลฐานที่สามารถแสดงคุณสมบัติของคลื่นได้. นั่นคือมีความเป็นไปได้ที่จะเปลี่ยนไปสู่สถานะที่มีเสถียรภาพมากขึ้นซึ่งสอดคล้องกับมวลที่มากขึ้น หากการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวเกิดขึ้น กฎธรรมชาติทั้งหมดที่มนุษย์รู้จักจะมีรูปแบบที่แตกต่างออกไป ดังนั้นจุดสิ้นสุดของจักรวาลที่เรารู้จักก็จะมาถึง นอกจากนี้กระบวนการนี้อาจเกิดขึ้นแล้วในบางส่วนของจักรวาล มนุษยชาติมีเวลาเหลืออยู่ไม่มากสำหรับการดำรงอยู่ของมัน

ประโยชน์ของ LHC และเครื่องเร่งอนุภาคอื่นๆ ต่อสังคม

เทคโนโลยีที่ได้รับการพัฒนาสำหรับเครื่องเร่งอนุภาคยังมีประโยชน์สำหรับการแพทย์ วิทยาการคอมพิวเตอร์ อุตสาหกรรม และสิ่งแวดล้อมอีกด้วย ตัวอย่างเช่น แม่เหล็กคอลไลเดอร์ที่ทำจากวัสดุตัวนำยิ่งยวดซึ่งอนุภาคมูลฐานถูกเร่งด้วยความช่วยเหลือ สามารถนำมาใช้เป็นเทคโนโลยีการวินิจฉัยทางการแพทย์ได้ เครื่องตรวจจับสมัยใหม่ของอนุภาคต่างๆ ที่ผลิตในคอลไลเดอร์สามารถใช้ในการตรวจเอกซเรย์โพซิตรอน (โพซิตรอนคือปฏิปักษ์ของอิเล็กตรอน) นอกจากนี้เทคโนโลยีการสร้างลำแสงอนุภาคมูลฐานใน LHC ยังสามารถนำมาใช้รักษาโรคต่างๆ ได้ เช่น มะเร็ง เป็นต้น

สำหรับประโยชน์ของการวิจัยโดยใช้ LHC ที่ CERN (เจนีวา) สำหรับเทคโนโลยีสารสนเทศนั้น ควรกล่าวว่า GRID เครือข่ายคอมพิวเตอร์ทั่วโลกรวมถึงอินเทอร์เน็ตเองเป็นหนี้การพัฒนาส่วนใหญ่มาจากการทดลองกับเครื่องเร่งอนุภาคซึ่งผลิตปริมาณมหาศาล ของข้อมูล ความจำเป็นในการแบ่งปันข้อมูลนี้ในหมู่นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกนำไปสู่การสร้างภาษาเวิลด์ไวด์เว็บ (WWW) ที่ CERN ซึ่งใช้อินเทอร์เน็ตโดย Tim Bernels-Lee

ลำแสงของอนุภาคซึ่งเคยเป็นและกำลังก่อตัวในเครื่องเร่งปฏิกิริยาประเภทต่างๆ ในปัจจุบันมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมเพื่อศึกษาคุณสมบัติของวัสดุใหม่ โครงสร้างของวัตถุทางชีวภาพ และผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรมเคมี ความสำเร็จในฟิสิกส์อนุภาคถูกนำมาใช้ในการออกแบบแผงพลังงานแสงอาทิตย์ แปรรูปกากกัมมันตภาพรังสีใหม่ และอื่นๆ

ผลกระทบของการค้นพบอนุภาคฮิกส์ต่อวรรณกรรม ภาพยนตร์ และดนตรี

ข้อเท็จจริงต่อไปนี้บ่งบอกถึงลักษณะที่น่าตื่นเต้นของข่าวการค้นพบอนุภาคมวลในฟิสิกส์:

• หลังจากการค้นพบอนุภาคนี้ หนังสือวิทยาศาสตร์ยอดนิยมเรื่อง "อนุภาคของพระเจ้า: หากจักรวาลคือคำตอบ คำถามคืออะไร" ได้รับการตีพิมพ์? เลฟ ลีเดอร์แมน. นักฟิสิกส์กล่าวว่าการเรียกฮิกส์โบซอนว่าเป็นอนุภาคพระเจ้านั้นเป็นการพูดเกินจริง
• ภาพยนตร์ Angels and Demons ซึ่งสร้างจากหนังสือชื่อเดียวกัน ยังใช้ชื่อโบซอน "อนุภาคพระเจ้า" อีกด้วย
• ภาพยนตร์ไซไฟเรื่อง Solaris ซึ่งนำแสดงโดยจอร์จ คลูนีย์และนาตาชา แมคเอลฮอน ได้เสนอทฤษฎีที่กล่าวถึงสนามฮิกส์และบทบาทสำคัญของสนามในการรักษาเสถียรภาพของอนุภาคมูลฐาน
• ในหนังสือนิยายวิทยาศาสตร์ Flashforward ซึ่งเขียนโดย Robert Sawyer ในปี 1999 นักวิทยาศาสตร์สองคนได้ก่อให้เกิดภัยพิบัติระดับโลกเมื่อพวกเขาทำการทดลองเพื่อตรวจจับ Higgs boson
• ซีรีส์โทรทัศน์ภาษาสเปนเรื่อง "Ark" บอกเล่าเรื่องราวของภัยพิบัติระดับโลกที่ทุกทวีปถูกน้ำท่วมอันเป็นผลมาจากการทดลองที่ Large Hadron Collider และมีเพียงผู้คนบนเรือ "Polar Star" เท่านั้นที่รอดชีวิต
• วงดนตรีจากมาดริด "Aviador Dro" ในอัลบั้ม "Voice of Science" ได้อุทิศเพลงให้กับแมสโบซอนที่ค้นพบ
• นักร้องชาวออสเตรเลีย Nick Cave ในอัลบั้ม "Push the Sky Away" เรียกหนึ่งในเพลง "Blue Higgs Boson"

ถนนเคียฟยาน, 16 0016 อาร์เมเนีย เยเรวาน +374 11 233 255