Конечно, Вы когда-нибудь что-то слышали это словосочетание – бозон Хиггса. Особенно после 2013 года. И даже возможно знаете, что это некая разновидность частиц, за обнаружение которой Питер Хиггс и Франсуа Энглер получили Нобелевскую премию по физике. Очевидно, что эта частица очень важная птица. Давайте попробуем понять, в чем же заключается ее важность …
Стандартная модель
Для начала поговорим немного о физике элементарных частиц. Если говорить более конкретно – о так называемой Стандартной Модели. Что же это такое? Стандартная Модель – это свод законов физики элементарных частиц в понимании современных ученых. С помощью этой теории мы можем объяснить (почти все) свойства материи и сил, которые существуют вокруг нас. Очень важно знать, что в Стандартной Модели есть две основные категории: фермионы и бозоны.
Фермионы – это материя. Это протоны и нейтроны, которые состоят из кварков. Это лептоны, которые являются неделимыми частицами, их представителями являются электроны и нейтрино. То есть все, к чему Вы можете прикоснуться, состоит из фермионов. Это пока самая простая часть. Мы все поняли, что физический мир состоит из фермионов. Но какую роль тогда играют бозоны? Это тоже элементарные частицы. Они отвечают за все фундаментальные взаимодействия во Вселенной. Наиболее известным их представителем является, вероятно, фотон. Он передает электромагнитную силу. Еще есть глюон, который отвечает за сильное ядерное взаимодействие. А еще W и Z-бозоны, которые организуют слабое ядерное взаимодействие.
Всего во Вселенной существует четыре фундаментальных взаимодействия: это электромагнитная сила (для которой мы имеем фотон), сильное ядерное взаимодействие (глюон), слабое ядерное взаимодействие (бозоны W и Z) и гравитация. Но, как ни странно, мы до сих пор еще не нашли бозон, отвечающий за гравитацию. И его открытие (или открытие, что его действительно не существует) – то, чего мы еще не достигли.
Вот таким вот образом Стандартная Модель объясняет законы природы, когда мы наблюдаем их вокруг нас.
Поле Хиггса
Одной из загадок физики, до недавнего времени не раскрытой, было понятие массы. Почему существует масса или инерция? Почему количество массы, которую имеет объект, определяет, насколько легко или трудно заставить его начать двигаться или останавливаться? В 60-х годах физик Питер Хиггс предположил, что должно быть какое-то поле, которое покрывает все пространство. И взаимодействует с веществом. Чем больше масса объекта, тем больше он будет взаимодействовать с этим полем. Которое сейчас нам известно как поле Хиггса.
Как и любое другое фундаментальное взаимодействие Вселенной, поле Хиггса по Стандартной Модели должно иметь бозон, который его передает. И именно этот бозон мы имеем в виду, говоря о бозоне Хиггса. Само поле необнаружимо для наших инструментов. Но если мы можем обнаружить соответствующие частицы, мы можем предположить, что оно действительно существует.
И здесь в игру вступает Большой адронный коллайдер. Или БАК. Который стал источников городских легенд и страшилок о неминуемом конце света.
Для чего нужен БАК? Это ускоритель частиц, который преобразует энергию в вещество. Помните знаменитую формулу e = mc2? (Энергия равна массе, умноженной на квадрат скорости света). Ускорение частиц, таких как протоны, на огромных скоростях дает им огромное количество кинетической энергии. В своей нынешней конфигурации БАК способен перемещать протоны со скоростью 0,999999991с. Что всего примерно на 10 км/ч медленнее скорости света.
Синтез частиц
Итак, мы перемещаем два пучка частиц в противоположных направлениях. И заставляем их сталкиваться на скоростях, очень близких к скорости света. Получается гигантское количество энергии, сконцентрированное в крошечном объеме пространства. Поскольку эта энергия должна куда-то уходить, она превращается в материю. Ведь энергия не создается и не разрушается, а только трансформируется. И чем больше энергии мы концентрируем в небольшом объеме пространства, тем массивнее частицы, которые можно создать
В 2013 году после столкновения пучков частиц в БАК на соответствующем энергетическом уровне физики смогли обнаружить присутствие бозона Хиггса. На следы его существования указывало наличие частиц, которые появляются при распаде бозона. Поскольку ожидаемые частицы были обнаружены, ученые признали наличие бозона Хиггса. И, соответственно, существование одноименного поля.
Бозон Хиггса. Есть еще загадки
Открытие бозона Хиггса не является ответом на все загадки современной физики. Есть еще темная материя и темная энергия. Космологи считают, что Вселенная состоит на 23% из темной материи, на 73% из темной энергии и на 4% из нормальной барионной материи. То есть материи, состоящей из фермионов и лептонов. Это все, что нас окружает. И что мы можем потрогать руками.
То есть 96% природы Вселенной полностью находится за пределами нашего понимания. Это последнее темное пятно Стандартной Модели. И БАК работает на все более высоких уровнях энергии в поисках других не обнаруженных пока частиц. Мы уже практически стучимся в ворота мироздания, чтобы нам открыли и наконец объяснили, как здесь все работает.
Мы должны знать все!