19 Июня 2019

Пошуки неймовірної частинки Хіггса

Опубликовал Н.А. Рыков

Багато питань фізики елементарних частинок пов`язані з існуванням маси частинок.  Кажуть, що «механізм Хіггса», що складається з поля Хіггса і його відповідного бозона Хіггса, дає масу елементарним частинкам.  Під «масою» ми розуміємо інерційну масу, яка чинить опір, коли ми намагаємося прискорити об`єкт, а не гравітаційну масу, яка чутлива до гравітації.  У знаменитій формулі Ейнштейна E = mc2 «m» - це інерційна маса частинки.  У певному сенсі ця маса є суттєвою величиною, яка визначає, що в цьому місці є частка, а не пусте місто.

Ми всі знаємо і любимо бозон Хіггса, який, на жаль фізиків, був помилково позначений в засобах масової інформації як «частка Бога» - субатомна частка, вперше виявлена ​​на Великому адронному колайдері (LHC) ще в 2012 році.  Ця частка є частиною поля, яке пронизує весь простір-час;  вона взаємодіє з багатьма частинками, такими як електрони і кварки, забезпечуючи ці частинки масою.

Але частка, яку помітили вчені, виявилася напрочуд легкою.  За їх найкращими оцінками, вона повинна була бути набагато важче.  Це відкриває цікаве питання: Звичайно, вони помітили бозон Хіггса, але чи був це єдиний бозон Хіггса?  Чи є ще плаваючі навколо, що займаються своїми справами?

Хоча немає ніяких доказів важчого бозону Хіггса, команда дослідників, що базується на LHC, найбільшому в світі руйнівнику атомів, поглиблюється в це питання.

Якщо важкий бозон Хіггса дійсно існує, то нам потрібно перебудувати наше розуміння стандартної моделі фізики елементарних частинок за допомогою нового усвідомлення того, що в бозоні Хіггса набагато більше, ніж здається на перший погляд.  І в цих складних взаємодіях може бути ключ до всього, від маси примарної нейтринної частки до остаточної долі всесвіту.

Що ми знаємо про бозон

Без бозона Хіггса майже вся Стандартна Модель руйнується.  Але щоб поговорити про бозон Хіггса, спочатку нам потрібно зрозуміти, як Стандартна Модель розглядає всесвіт.

В нашій кращої концепції субатомного світу, що використовує Стандартну модель, то, що ми вважаємо частинками, насправді не має важливого значення.  Замість цього є поля.  Ці поля пронизують і поглинають весь простір і час.  Існує одне поле для кожного виду частинок.  Отже, є поле для електронів, поле для фотонів і так далі.  Те, що ви сприймаєте як частки, - це дійсно локальні невеликі коливання в їх конкретних полях.  І коли частинки взаємодіють (скажімо, відскакують одна від одної), це насправді вібрації в полях, які здійснюють складні рухи.

Бозон Хіггса має особливий вид поля.  Як і в інших областях, він пронизує весь простір і час, і він також може «говорити» і "грати" з полями всіх інших.

Але у поля Хіггса є два дуже важливих завдання, які не здатні виконати інші поля.

Його перше завдання - взаємодія з W і Z-бозонами (через їх відповідні поля), носіями слабкої ядерної сили.  Спілкуючись з цими іншими бозонами, Хіггс може дати їм масу і переконатися, що вони залишаються відокремленими від фотонів, носіїв електромагнітної сили.  Без втручання бозона Хіггса всі ці носії будуть об`єднані, і ці дві сили також об`єднаються.

 Інше завдання бозона Хіггса - спілкуватися з іншими частинками, такими як електрони;  таким чином, це також дає їм масу.

Легкий і важкий

Все це було розроблено в 1960-х роках за допомогою серії складних, але, безсумнівно, витончених математичних обчислень, але в теорії є тільки одна маленька хитрість: немає реального способу передбачити точну масу бозона Хіггса.  Іншими словами, коли ви шукаєте частку (яка являє собою невелику локальну вібрацію набагато більшого поля) в колайдері частинок, ви не знаєте точно, що і де ви збираєтеся знайти.

У 2012 році вчені на LHC оголосили про відкриття бозона Хіггса після того, як виявили, що кілька частинок, що представляють поле Хіггса, були отримані, коли протони врізалися один в одного на майже світлової швидкості.  Ці частинки мали масу 125 гігаелектронвольт (ГеВ), або приблизно еквівалент 125 протонів - так що вони важкі, але не неймовірно величезні.

За винятком того, що існують деякі нерішучі, свого роду напів-передбачення щодо маси бозона Хіггса, засновані на тому, як він взаємодіє з ще однією часткою, верхнім кварком.  Ці розрахунки пророкують число вище 125 ГеВ.  Може бути, ці прогнози невірні, але тоді ми повинні повернутися до математики і з`ясувати, в якому напрямку йдуть справи.  Або невідповідність між широкими прогнозами і реальністю того, що було знайдено всередині LHC, може означати, що це ще далеко не вся історія бозона Хіггса.

Величезний Хіггс

Там цілком може бути ціла безліч бозонів Хіггса, які дуже важкі для того, щоб їх можна було побачити за допомогою нашого поточного покоління коллайдеров частинок. 

Масова енергія сходить до знаменитого рівняння Ейнштейна E = mc ^ 2, яке показує, що енергія - це маса, а маса - енергія. Чим більше маса частки, тим більше у неї енергії і тим більше енергії потрібно для створення цієї речі.

Фактично, деякі умоглядні теорії, які висувають наші знання фізики за межі Стандартної моделі, пророкують існування цих важких бозонів Хіггса.  Точна їх природа залежить, звичайно, від теорії, варіюючи у будь-якому місці - від одного або двох надважких полів Хіггса до навіть складових структур, що складаються з безлічі різних типів бозонів Хіггса, злиплих разом.

Теоретики старанно трудяться, намагаючись знайти будь-якої можливий спосіб перевірити ці теорії, оскільки більшість з них просто недоступні для поточних експериментів.  У недавній статті, розміщеній в Журнал Фізики і опублікованій в Інтернеті в журналі arXiv, група фізиків висунула пропозицію щодо пошуку існування більшого числа бозонів Хіггса, грунтуючись на особливому способі, яким частки можуть розпадатися в більш легкі, більш легко впізнавані частки, такі як електрони,  нейтрино і фотони.  Однак ці розпади вкрай рідкісні, тому, хоча ми в принципі можемо знайти їх за допомогою LHC, буде потрібно ще багато років пошуку, щоб зібрати достатньо даних.