Какво е бозона на Хигс и защо се търси?

Богът на Хигс във физиката е елементарна частица, която според учените играе основна роля в образуването на маса във Вселената. Потвърждаването или опровергаването на съществуването на тази частица е една от основните цели на използването на големия адронен ускорител (LHC) - най-мощният ускорител на частици в света, който се намира в Европейската лаборатория по физика на елементарните частици (CERN) близо до Женева.

Защо беше толкова важно да намерим бозона на Хигс

В съвременната физика на елементарните частици има някакъв стандартен модел. Единствената частица, която този модел предсказва и който учените се опитват да намерят дълго време, е посоченият бозон. Стандартният модел на частиците (според експерименталните данни) описва всички взаимодействия и трансформации между елементарните частици. Въпреки това, единственото "бяло петно" в този модел остана - липсата на отговор на въпроса за произхода на масата. Значението на масата е без съмнение, защото без нея Вселената би била съвсем различна. Ако електронът нямаше маса, тогава атомите и самата материя не биха съществували, нямаше да има биология и химия, в края на краищата нямаше да има човек.

За да обяснят концепцията за съществуването на масата, няколко физици, сред които и британецът Питър Хигс, през 60-те години на миналия век излагат хипотеза за съществуването на така нареченото поле на Хигс. По аналогия с фотона, който е частица от електромагнитното поле, полето на Хигс също изисква съществуването на неговата частица носител. По този начин, с прости думи, бозоните на Хигс са частици, от които се образува Хигсово поле.

Частицата на Хигс и полето, което тя създава

Всички елементарни частици могат да бъдат разделени на два типа:

• Фермиони.
• Бозоните.

Фермионите са онези частици, които образуват материя, известна на нас, например протони, електрони и неутрони. Бозоните са елементарни частици, които причиняват съществуването на различни видове взаимодействия между фермиони. Например, бозоните са фотонът - носителят на електромагнитното взаимодействие, глюонът е носителят на силното или ядреното взаимодействие, бозоните Z и W, които са отговорни за слабото взаимодействие, т.е. за трансформациите между елементарните частици.

Говорейки прости думи за бозона на Хигс и значението на хипотезата, която обяснява появата на масата, трябва да приемем, че тези бозони са разпределени в пространството на Вселената и образуват непрекъснато Хигсово поле. Когато едно тяло, атом или елементарна частица изпитва "триене" около това поле, т.е. взаимодейства с него, това взаимодействие се проявява като съществуване на маса в дадено тяло или частица. Колкото по-силно е тялото "разтрива" частицата от полето на Хигс, толкова по-голяма е тя.

Как можете да намерите и къде да копаете бозона на Хигс

Този бозон не може да бъде открит по пряк начин, тъй като (според теоретичните данни) след появата му, той моментално се разпада в други по-стабилни елементарни частици. Но частиците, които се появяват след разпадането на бозона на Хигс, вече могат да бъдат открити. Те са "следите", показващи съществуването на тази важна частица.

Учените, за да открият бозоновата частица на Хигс, се сблъскаха с високо енергийни протонни лъчи. Огромната енергия на протоните в сблъсък е в състояние да премине в маса, съгласно добре известното уравнение на Алберт Айнщайн E = mc ² . В зоната на сблъсък на протони в коладера има много детектори, които ви позволяват да записвате появата и разпадането на всякакви частици.

Теоретично, масата на бозона на Хигс не е установена и е определен само един възможен набор от неговите стойности. За откриване на частици са необходими мощни ускорители. Големият адронен ускорител (BAC) е най-мощният ускорител на Земята в момента. С негова помощ е възможно да се избута протоните с енергия, близка до 14 тетраелектронволт (TeV). В момента работи с енергии около 8 TeV. Но дори тези енергии се оказаха достатъчни, за да открият бозона на Хигс или Божия частица, както го наричат ​​и мнозина.

Случайни и реални събития

При физиката на елементарните частици съществуването на събитие се оценява с определена вероятностна "сигма", която определя случайността или реалността на това събитие, получено в експеримента. За да увеличите вероятността от събитие, трябва да анализирате голямо количество данни. Търсенето и откриването на бозона на Хигс са свързани с такива вероятни събития. За да се открие тази частица в LHC, около 300 милиона сблъсъци бяха генерирани за една секунда, така че количеството данни, които трябваше да бъдат анализирани, беше огромно.

Може да се говори за действителното наблюдение на дадено събитие с увереност, ако неговата "сигма" ще бъде 5 или повече. Това е еквивалентно на събитие с монета (ако го хвърлите нагоре и ще падне опашките 20 пъти подред). Този резултат съответства на вероятност, по-малка от 0.00006%.

Веднага след като се открие това „ново” реално събитие, е необходимо да се изследва подробно, като се отговори на въпроса дали това събитие точно съответства на частица от Хигс или е друга част. За това е необходимо внимателно да се проучат свойствата на продуктите на разпада на тази нова частица и да се сравнят с резултатите от теоретичните прогнози.

BAC експерименти и откриване на маса на частиците

Търсенията за масови частици, които бяха извършени на LHC colliders в Женева и Tevatron в лабораторията на Ферми в Съединените щати, установиха, че Божията частица трябва да има маса по-голяма от 114 Gv (GeV), ако е изразена в енергиен еквивалент. Например, да кажем, че масата на един протон съответства приблизително на 1 GeV. Други експерименти, насочени към намиране на тази частица, установиха, че нейната маса не може да надвишава 158 GeV.

Първите резултати от търсенето на бозона на Хигс в LHC бяха представени през 2011 г., благодарение на анализа на данните, събрани в коллайдера за една година. През това време бяха проведени два основни експеримента по този проблем - ATLAS и CMS. Според тези експерименти, бозонът има маса между 116 и 130 GeV, или между 115 и 127 GeV. Интересно е да се отбележи, че и в двата експеримента в LHC, по много показания, масата на бозона е в тясна област между 124 и 126 GeV.

Питър Хигс, заедно със своя колега Франк Енглерт, получи Нобелова награда на 8 октомври 2013 г. за откриване на теоретичен механизъм за разбиране на съществуването на маса в елементарните частици, което беше потвърдено в експериментите ATLAS и CMS в LHC в ЦЕРН (Женева).

Значението на откриването на частиците на Хигс за физиката

Като обясняваме просто за откриването на бозона на Хигс, можем да кажем, че това е началото на нов етап в физиката на елементарните частици, тъй като това събитие дава нови начини за по-нататъшно изследване на явленията на Вселената. Например изследването на природата и характеристиките на черната материя, която според общите оценки е около 23% от цялата известна Вселена, но чиито свойства остават в тайна за настоящето. Откриването на Божията частица направи възможно да се помисли и да се създадат нови експерименти в LHC, които ще помогнат да се изясни този въпрос.

Свойства на бозон

Много от свойствата на Божията частица, описани в стандартния модел на елементарните частици, вече са напълно установени. Този бозон има нулев завъртане, няма електрически заряд и цвят, така че не взаимодейства с други бозони, като фотон и глюон. Въпреки това, той взаимодейства с всички частици, които имат маса: кварки, лептони и бозони на слаби взаимодействия Z и W. Колкото по-голяма е масата на частиците, толкова по-силно тя взаимодейства с бозона на Хигс. В допълнение, този бозон е античастица за себе си.

Масата на частицата, нейният среден живот и взаимодействието между бозоните не се предвиждат от теорията. Тези стойности могат да бъдат измерени само експериментално. Резултатите от експериментите в LHC в CERN (Женева) установиха, че масата на тази частица е в рамките на 125-126 GeV, а продължителността на живота му е приблизително ^10-22 секунди.

Отворен бозон и космическа апокалипсис

Откриването на тази частица се счита за едно от най-важните в цялата история на човечеството. Експериментите с този бозон продължават и учените получават нови резултати. Един от тях е фактът, че бозонът може да доведе вселената до смърт. Освен това този процес вече е започнал (според учените). Същността на проблема е следната: бозонът на Хигс може да се разпадне сам по себе си във всяка част на Вселената. Това ще създаде енергиен балон, който постепенно се разпространява, поглъщайки всичко по пътя си.

По въпроса дали краят на света, всеки учен отговаря положително. Факт е, че има една теория, наречена "модел на звездите". Постулира очевидно изявление: всичко има своето начало и край. Според съвременните концепции краят на Вселената ще изглежда така: ускореното разширяване на Вселената води до разпръскване на материята в пространството. Този процес ще продължи до излизане на последната звезда, след което Вселената ще потъне във вечен мрак. След колко много това се случва, никой не знае.

С откриването на бозона на Хигс се появи друга теория на съда. Факт е, че някои физици смятат, че получената маса на бозона е една от възможните времеви маси, а останалите й стойности съществуват. Тези масови стойности също могат да бъдат реализирани, тъй като (с прости думи) бозонът на Хигс е елементарна частица, която може да проявява вълнови свойства. Това означава, че има вероятност за преминаването му към по-стабилно състояние, съответстващо на по-голяма маса. Ако се случи такъв преход, тогава всички естествени закони, познати на човека, ще придобият различен поглед, така че ще дойде краят на познатата вселена. Освен това този процес вече може да се случи във всяка част на Вселената. Човечеството няма много време за своето съществуване.

Ползите от LHC и други ускорители на частици за обществото

Технологиите, които се разработват за ускорителите на частици, също са полезни за медицината, компютърните науки, промишлеността и околната среда. Например, за медицински диагностични технологии могат да се използват коллайдерни магнити, направени от свръхпроводящи материали, с които могат да се ускорят елементарните частици. В позитронния томограф могат да се използват съвременни детектори на различни частици, образувани в коллайдера (позитронът е античастица на електрона). В допълнение, технологията на образуване на греди от елементарни частици в LHC може да се използва за лечение на различни заболявания, например ракови тумори.

По отношение на ползите от изследванията, използващи LAB в ЦЕРН (Женева) за информационните технологии, трябва да се каже, че глобалната компютърна мрежа GRID, както и самият интернет, дължат своето развитие в много отношения на експерименти с ускорители на частици, които произвеждат огромно количество данни. Необходимостта от обмяна на тези данни между учени от цял ​​свят доведе до създаването в ЦЕРН на Тим Бърнелс-Лий на световния уеб (WWW) език, на който се основава интернет.

Формите на частици, които се формират и формират в различни видове ускорители, сега се използват широко в индустрията за изследване на свойствата на новите материали, структурата на биологичните обекти и продуктите на химическата промишленост. Постиженията на физиката на елементарните частици се използват за изграждане на панели за слънчева енергия, за обработка на радиоактивни отпадъци и т.н.

Влиянието на откритието на хигсовата частица върху литературата, филма и музиката

Следните факти свидетелстват за сензационната новина за откриването на частица от маса във физиката:

• След откриването на тази частица, популярната научна книга "Частица на Бога: ако Вселената е отговорът, тогава какъв е въпросът?" Лео Лидерман. Физиците вярват, че призоваването на бозона на Хигс като частица от Бога е преувеличение.
• Във филма "Ангели и демони", който се основава на едноименната книга, се използва и името на бозона "Божията частица".
• В научно-фантастичния филм "Соларис", в който главните герои са Джордж Клуни и Наташа Махойн, теорията е напреднала, в която се споменава полето на Хигс и неговата важна роля в стабилизирането на субатомните частици.
• В научно-фантастичната книга "Flashforward", написана от Робърт Сойер през 1999 г., двама учени стават причина за глобална катастрофа, когато създават експерименти на бозона на Хигс.
• Испанската поредица "Ковчегът" разказва за глобална катастрофа, в която всички континенти са били наводнени в резултат на експерименти на Големия адронен ускорител, а само хора на кораба "Полярна звезда" са оцелели.
• Музикалната група от мадридския "Aviador Dro" в албума си "The Voice of Science" посвети песен на открития масов бозон.
• Австралийският певец Ник Кейв в албума си "Push the Sky Away" е една от песните, наречени "The Blue Higgs Boson".