În limbaj simplu: bosonul Higgs - ce este?

În termeni simpli, bosonul Higgs este cea mai scumpă particulă vreodată. Dacă pentru descoperirea unui electron, de exemplu, a existat suficient tub de vacuum și o pereche de minți strălucitoare, căutarea bosonului Higgs a necesitat crearea unei energii experimentale pe care rareori o vedeți pe Pământ. Coordonatorul de Large Hadron Collider nu are nevoie de o reprezentare, fiind unul dintre cele mai cunoscute și de succes experimente științifice, dar particula de profil, ca mai înainte, este învăluită în mister pentru majoritatea populației. Ea a fost numit Dumnezeu de particule, cu toate acestea, datorită eforturilor de literalmente mii de oameni de știință, ar trebui să nu mai ia existența de la sine.

Ultimul necunoscut

Ce este Bosonul Higgs și care este importanța descoperirii sale? De ce a devenit subiect de atâta hype, finanțare și dezinformare? Din două motive. În primul rând, a fost ultima particulă nedescoperită necesară pentru a confirma modelul standard al fizicii. Deschiderea sa însemna că o întreagă generație de publicații științifice nu era în zadar. În al doilea rând, acest boson dă altor particule masa lor, ceea ce îi conferă un înțeles special și o "magie". Tindem să ne gândim la mase ca o proprietate intrinsecă a lucrurilor, dar fizicienii cred altfel. În termeni simpli, bosonul Higgs este o particulă fără de care masele nu există în principiu.

Un alt domeniu

Motivul constă în așa-numitul câmp Higgs. A fost descrisă înainte de bosonul Higgs, deoarece fizicienii l-au calculat pentru nevoile propriilor sale teorii și observații care necesitau un câmp nou, a cărui acțiune s-ar extinde asupra întregului univers. Consolidarea ipotezelor prin inventarea unor noi componente ale universului este periculoasă. În trecut, de exemplu, acest lucru a dus la crearea unei teorii a eterului. Dar, cu cât s-au făcut mai multe calcule matematice, cu atât mai mulți fizicieni au realizat că domeniul Higgs ar trebui să existe în realitate. Singura problemă a fost lipsa de oportunități practice pentru observația sa.

În modelul standard al fizicii particule elementare primiți masa printr-un mecanism bazat pe existența câmpului Higgs, care pătrunde în întreg spațiul. El creează bosoni Higgs, care necesită multă energie și acesta este principalul motiv pentru care oamenii de știință au nevoie de acceleratori de particule moderni pentru a efectua experimente de energie înaltă.

De unde vine masa?

Rezistența interacțiunilor nucleare slabe scade rapid odată cu creșterea distanței. Conform teoriei câmpului cuantic, acest lucru înseamnă că particulele, care sunt implicate în crearea acestuia - W- și Z-bosoni - trebuie să aibă în masă, spre deosebire de fotoni și gluonii, care nu au nici o masă.

Problema este că teoriile ecartamentului funcționează numai cu elemente fără masă. Dacă bosoanele cu ecartament au o masă, atunci o astfel de ipoteză nu poate fi determinată în mod rezonabil. Mecanismul Higgs evită această problemă prin introducerea unui câmp nou, numit câmpul Higgs. La energii înalte, bosoanele cu ecartament nu au masă, iar ipoteza funcționează așa cum era de așteptat. La energii reduse, câmpul provoacă ruperea simetriei, ceea ce permite elementelor să aibă masa.

Ce este un boson Higgs?

Câmpul Higgs generează particule numite bosoni Higgs. Teoria nu specifică masa lor, dar ca rezultat al experimentului sa stabilit că este egală cu 125 GeV. În termeni simpli, bosonul Higgs, prin existența sa, a confirmat în sfârșit modelul standard.

Mecanismul, câmpul și bosonul poartă numele cercetătorului scoțian Peter Higgs. Deși nu a fost primul care a sugerat aceste concepte și, așa cum se întâmplă adesea în fizică, el sa dovedit a fi în onoarea căruia i-au fost numiți.

Simptome de rupere

Se credea că domeniul Higgs era responsabil pentru faptul că particulele care nu aveau masa nu ar trebui să o dețină. Acesta este un mediu universal care împuternicește particule fără masă cu mase diferite. O astfel de simetrie de rupere atribuită prin analogie cu lumina - toate lungimile de undă în vid, se mișcă cu aceeași viteză în fiecare aceeași lungime de undă prismei pot fi alocate. Aceasta, desigur, este o analogie incorectă, deoarece lumina albă conține toate lungimile de undă, dar exemplul arată modul în care crearea câmpului Higgs de către masă se datorează spargerii simetriei. Prismă rupe simetria vitezei de diferite lungimi de undă ale luminii, care le separă, iar câmpul Higgs se crede că pentru a rupe simetria masei unor particule care în alt mod simetric lipsite de masă.

Cum să explicăm într-un limbaj simplu bosonul Higgs? Doar recent, fizicienii a dat seama că, dacă nu există câmpul Higgs, va fi nevoie de un purtător adecvat cu proprietăți care pot fi observate. Sa presupus că această particulă aparținea bosonilor. Higgs limbaj simplu - așa-numita puterea purtătorului este aceeași ca fotoni, care sunt purtătorii câmpului electromagnetic al universului. Fotonii, într-un sens, sunt excitațiile locale în același mod în care bosonul Higgs este o excitație locală a domeniului său. Dovada existenței unei particule cu proprietățile așteptate de fizicieni era, de fapt, echivalentă cu o dovadă directă a existenței unui câmp.

experiment

Mulți ani de planificare au permis Large Hadron Collider (LHC) să devină un experiment suficient pentru a dezaproba teoria bosonilor Higgs. Un inel de 27 km de electromagneți super-puternici poate accelera particulele încărcate la proporții semnificative viteza luminii, provocând coliziuni cu o forță suficientă pentru a le împărți în componente și, de asemenea, să deformeze spațiul din jurul punctului de impact. Se estimează că, atunci când energia de coliziune nivel suficient de ridicat poate fi încărcat bosonul, astfel încât se va rupe și va fi vizibil. Această energie a fost atât de mare, încât unii au intrat în panică, chiar și a prezis sfârșitul lumii, iar altele vândut fantezia, astfel încât descoperirea bosonului Higgs a fost descris ca o privire într-o dimensiune alternativă.

Confirmare finală

Observațiile inițiale păreau să înlăture, de fapt, previziunile și nici o dovadă a unei particule nu a fost găsită. Unii cercetători care au participat la campanie pentru a cheltuia miliarde de dolari au apărut chiar și la televizor și au spus cu umilință că dezmințirea teoriei științifice este la fel de importantă ca și confirmarea ei. După un timp, totuși, măsurătorile au început să se formeze, iar la 14 martie 2013, CERN a anunțat oficial existența particulei. Există motive pentru a presupune existența mai multor bosoni, dar această idee necesită studii suplimentare.

Doi ani după ce CERN a anunțat descoperirea particulelor, oamenii de știință care lucrau la Large Hadron Collider ar putea confirma acest lucru. Pe de o parte, aceasta a devenit o victorie uriașă pentru știință, iar pe de altă parte, mulți oameni de știință au fost dezamăgiți. Dacă cineva a fost în speranța că bosonul Higgs ar fi o particulă care va duce la zone ciudate și surprinzătoare dincolo de Modelul Standard - supersimetria, materia întunecată, energie întunecată - care, din păcate, nu a fost așa.

Un studiu publicat în Nature Physics a confirmat căderea în fermioane. Modelul standard prezice că, în termeni simpli, bosonul Higgs este o particulă care le conferă fermionului masa. Detectorul de ciocnire CMS a confirmat în cele din urmă căderea lor în fermioane - cuarci inferiori și letoni tau.

Bozonul Higgs în limbaj simplu: ce este?

Acest studiu a confirmat în cele din urmă că acesta este bosonul Higgs, prezis de Modelul Standard al Fizicii Elementare a Particulelor. Acesta este situat în zona de mass-energie de 125 GeV, nu are rotație, și poate dezintegra într-o multitudine de elemente de lumină - .. de perechi de fotoni, fermioni, etc. din aceasta putem spune cu încredere Pentru că bosonul Higgs, un simplu vorbind limba, este o particulă , oferind multe lucruri.

Dezamăgit comportamentul standard al elementului nou descoperit. Dacă dezintegrarea lui ar fi puțin diferită, ar fi legat în mod diferit de fermioane și vor apărea noi direcții de cercetare. Pe de altă parte, aceasta înseamnă că nu am trecut cu un pas dincolo de modelul standard, care nu ia în considerare gravitatea, energia întunecată, materia întunecată și alte fenomene bizare ale realității.

Acum puteți ghici doar la ceea ce sunt cauzate. Teoria celei mai populare este supersimetria, care susține că fiecare particulă a modelului standard are un superpartener incredibil de greu (care formează 23% din univers - materia întunecată). Actualizând colizorul cu dublarea energiei sale de coliziuni de până la 13 TeV, probabil, va permite descoperirea acestor superparticule. În caz contrar, supersimetria va trebui să aștepte construcția unui succesor mai puternic al LHC.

Perspective suplimentare

Deci ce va fi fizica după bosonul Higgs? LHC și-a reluat recent activitatea cu îmbunătățiri semnificative și poate vedea totul, de la antimaterie la energie întunecată. Se crede că materia întunecată Ea interactioneaza cu normala doar prin intermediul gravitației și prin crearea maselor, iar valoarea bosonului Higgs este o cheie pentru înțelegerea modului în care funcționează acest lucru. Principalul dezavantaj al Modelului Standard este că nu se poate explica efectul gravitației - un astfel de model ar putea fi numită teoria unificată Mare - și unii cred că particula și câmpul Higgs poate fi podul care fizica cu disperare încearcă să găsească.

Existența bosonului Higgs a fost confirmată, dar este încă departe de înțelegerea sa deplină. Vor experimentele viitoare respingă supersimetria și ideea descompunerii sale în materia întunecată? Sau vor confirma totul, până la cel mai mic detaliu, predicțiile modelului standard privind proprietățile bosonului Higgs și cu acest domeniu de cercetare vor fi terminate pentru totdeauna?