Что такое бозон Хиггса?

Бозон Хиггса также называют частицей Бога. Поле Хиггса — самое уникальное силовое поле, известное человечеству.

Вы когда-нибудь задумывались, как все вокруг нас приобрело массу, почему фотоны, составляющие свет, который мы видим, безмассовые, или что было бы, если бы ничто во Вселенной не имело массы?

Именно эти вопросы в конечном итоге привели к появлению частицы, которую мы теперь знаем как бозон Хиггса.

Идея Хиггса

История началась около пятидесяти лет назад, когда ученые только начинали понимать элементарные частицы. Эти частицы являются основными строительными единицами материи и энергии в нашей Вселенной. Ученые начали работать над моделью, которая помогала им сортировать и изучать эти частицы, которую они назвали "Стандартной моделью".

В этой модели есть два основных типа частиц — частицы материи и частицы-носители сил.

Всего существует четыре фундаментальные силы, три из которых признаны в модели (электромагнитная, сильная и слабая ядерные силы). Более того, каждая фундаментальная сила опирается на свой собственный набор правил, определенных математикой, квантовой физикой и специальной теорией относительности.

В общем виде эти правила называются квантовыми теориями.

Именно работая над этой Стандартной моделью, строя квантовую теорию поля для каждой силы, ученые поняли нечто странное... Оказалось, что две из фундаментальных сил, электромагнитная и слабая, имеют одну и ту же квантовую теорию поля. Это означало, что обе силы имеют одинаковое происхождение, которое назвали электрослабой силой.

Однако это было довольно странно, поскольку фотон, который является переносчиком электромагнитной силы, безмассовый. С другой стороны, W- и Z-бозоны, переносчики слабой силы, имели одни из самых больших масс в модели.

Если они имеют одинаковое происхождение, что заставило эти две силы разделиться, в результате чего одна из них приобрела массу, а другая - нет?

Физики Роберт Браут, Франсуа Энглерт и Питер Хиггс предположили, что масса должна исходить от другой силы, которая также ответственна за расщепление электрослабой силы. Они назвали это силовое поле источником "поля Хиггса".

Что такое поле Хиггса?

Представьте себе лист ткани в качестве поля Хиггса. Любое возмущение в этом поле — складка, волна или вмятина — будет бозоном Хиггса.

Теперь представим себе частицу в виде мраморного шарика, движущегося по этому полю. Мы все знаем, как мрамор может сдвинуть ткань и создать небольшую вмятину или сдвиг в ней. Любое возмущение, которое в данном случае является сдвигом ткани, воспринимается как сама частица бозона Хиггса. Короче говоря, любой вид возмущения в поле Хиггса — это то, что мы знаем как бозон Хиггса. Поэтому, когда частица взаимодействует с полем Хиггса или возмущает его каким-либо образом, она взаимодействует с частицей — бозоном Хиггса.

Чем больше создаваемое им возмущение, тем больше тормозится скорость частицы. Точно так же, как массивный мраморный шарик создает большее возмущение в ткани и поэтому движется медленнее, то же самое происходит и с элементарными частицами.

Только на этот раз все наоборот, т. е. чем больше частица возмущает поле Хиггса, тем медленнее она движется и тем большую массу набирает. Поэтому, когда мы смотрим на массу частиц, знайте, что более массивные сильно взаимодействуют с полем Хиггса, а безмассовые вообще с ним не взаимодействуют.

Но чем поле Хиггса отличается от других силовых полей? Для этого нам необходимо понять два типа силовых полей — скалярные и векторные.

Векторные поля имеют направление, т.е. мы знаем, что сила движется из одного направления в другое, как в случае магнитного поля.

Однако в случае скалярных полей направления вообще отсутствуют. До открытия поля Хиггса мы не знали ни о каком скалярном поле. Таким образом, это самое уникальное силовое поле, которое также отвечает за особую работу по приданию массы частицам.

Как Хиггс придал массу Вселенной?

В момент после Большого взрыва температура Вселенной была чрезвычайно высокой. Она представляла собой лишь плотно упакованное море элементарных частиц, не имевших массы. Именно тогда электрослабая сила была нетронута, а фотоны, W и Z частицы были безмассовыми. Вопрос в том, где в это время находилось поле Хиггса?

Хотите, верьте, хотите нет, но поле Хиггса существовало с самого начала, но для того, чтобы оно вступило в действие, Вселенная должна была остыть до определенной температуры.

Очень быстро Вселенная начала остывать и расширяться. После того как Вселенная достигла пороговой температуры для поля Хиггса, начались эффекты. Каждая частица, взаимодействующая с полем, приобрела массу. Чем больше частица взаимодействовала с бозоном Хиггса, тем больше она замедлялась; это замедление мы знаем как массу частиц.

Такие частицы, как W- и Z-бозоны, много взаимодействовали с бозоном Хиггса и поэтому имели большую массу, тогда как фотоны не взаимодействовали вообще, что делало их самыми быстрыми частицами во Вселенной, а также безмассовыми. Фотоны были похожи на крошечные шарики, которые никогда не касались поля Хиггса и, следовательно, не приобретали от него массу. С другой стороны, W- и Z-бозоны были более тяжелыми шариками, которые слишком сильно взаимодействовали с тканью поля Хиггса.

Именно так электрослабая сила была разделена на электромагнитную и слабую силы.

Что произойдет, если не будет поля Хиггса?

Есть причина, по которой бозон Хиггса называют частицей Бога. Представьте себе атомы, из которых мы состоим. В этих атомах есть электроны, вращающиеся вокруг тяжелого ядра. Теперь представьте, если бы не было поля Хиггса. Не было бы тяжелого ядра и, следовательно, не было бы электрона, связанного с ядром.

Это означает, что не было бы атомов и, следовательно, ничего во Вселенной... ни звезд, ни планет, ни энергии, ни материи. Таким образом, бозон Хиггса, по сути, дал начало Вселенной в том виде, в котором мы ее знаем, поэтому его метко называют частицей Бога. В его отсутствие Вселенная стала бы, в буквальном смысле, темной и безжизненной.

Несмотря на то, что теория бозона Хиггса была предложена около пятидесяти лет назад, только в последние два десятилетия ученые наконец-то обнаружили эту частицу в лаборатории. В большом кольцевом коллайдере (где частицы сталкиваются друг с другом, создавая другие частицы) в ЦЕРНе физики впервые увидели эту частицу. Они бомбардировали протоны друг в друга, чтобы наблюдать образование и распад бозона Хиггса.

Когда, наконец, были получены наблюдения с достаточно высокой точностью, бозон Хиггса был официально добавлен в Стандартную модель.

Сейчас физики изучают другие гипотетические частицы, а точнее, частицы, которые в настоящее время существуют только в теории, такие как темная материя и магнитные монополи. Кто знает, возможно, однажды у нас снова будет возможность отпраздновать открытие новой частицы!