Хиггс, питер

Экспериментальное открытие W- и Z-бозонов

Пузырьковая камера «Гаргамель», выставленная в ЦЕРН

Открытие W— и Z-бозонов — одна из самых успешных страниц истории ЦЕРНа. Сначала, в 1973 г., производились наблюдения взаимодействий нейтральных токов, предсказанных теорией электрослабого взаимодействия. В огромной пузырьковой камере «», облучаемой пучком нейтрино от ускорителя, были сфотографированы треки нескольких электронов, которые внезапно начинали двигаться, казалось бы, сами по себе. Это явление было интерпретировано как взаимодействие нейтрино и электрона при помощи обмена невидимым Z-бозоном. Нейтрино также очень трудно детектировать, так что единственным наблюдаемым эффектом является импульс, полученный электроном после взаимодействия.

Открытия самих W— и Z-бозонов пришлось ждать, пока не стало возможным построить ускорители, достаточно мощные, чтобы создать их. Первой такой машиной стал Супер-протонный синхротрон (SPS) с детекторами UA1 и UA2 (так же назывались и коллаборации, создавшие их), на котором были получены недвусмысленные доказательства существования W-бозонов в сериях экспериментов, выполненных под руководством Карло Руббиа и Симона ван дер Меера. Как и большинство крупных экспериментов в физике высоких энергий, они являлись совместным трудом многих людей. Ван дер Меер был руководителем группы, управляющей ускорителем (изобретатель концепции стохастического охлаждения, сделавшей возможным открытие W— и Z-бозонов). Частицы рождались в столкновении встречных пучков протонов и антипротонов. Через несколько месяцев после обнаружения W-бозона (январь 1983) коллаборации UA1 и UA2 открыли Z-бозон (май 1983 года). Руббиа и Ван дер Меер были награждены Нобелевской премией по физике 1984 года всего через полтора года после открытия, что было необычным шагом со стороны обычно консервативного Нобелевского фонда.

Слабое взаимодействие

Диаграмма Фейнмана для бета-распада нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино посредством тяжелого W-бозона

W— и Z-бозоны — это частицы-переносчики слабого взаимодействия, как фотон является частицей-переносчиком для электромагнитного взаимодействия. W-бозон играет важную роль в ядерном бета-распаде. Рассмотрим для примера бета-распад изотопа кобальта Co60, важный процесс, происходящий при взрыве сверхновых:

2760Co→2860Ni+e−+ν¯e.{\displaystyle {}_{27}^{60}{\hbox{Co}}\to {}_{28}^{60}{\hbox{Ni}}+{\hbox{e}}^{-}+{\overline {\nu }}_{e}.}

В этой реакции участвует не всё ядро Co60, а только один из его 33 нейтронов. Нейтрон превращается в протон, испуская электрон (называемый здесь бета-частицей) и электронное антинейтрино:

n→p+e−+ν¯e.{\displaystyle {\hbox{n}}\to {\hbox{p}}+{\hbox{e}}^{-}+{\overline {\nu }}_{e}.}

Опять же сам нейтрон является не фундаментальной, а составной частицей, состоящей из u-кварка и двух d-кварков (udd). Так что на самом деле в бета-распаде участвует один из d-кварков, который превращается в u-кварк, чтобы сформировать протон (uud). Итак, на самом фундаментальном уровне слабое взаимодействие просто меняет аромат одного кварка:

d→u+W−{\displaystyle {\hbox{d}}\to {\hbox{u}}+{\hbox{W}}^{-}}

за которым немедленно следует самого W−:

W−→e−+ν¯e.{\displaystyle {\hbox{W}}^{-}\to {\hbox{e}}^{-}+{\overline {\nu }}_{e}.}

Все квантовые числа Z-бозона равны нулю, поскольку он является античастицей сам для себя (т. н. истинно нейтральной частицей). Следовательно, обмен Z-бозоном между частицами, названный взаимодействием нейтральных токов, не меняет взаимодействующие частицы. В отличие от бета-распада наблюдения взаимодействий нейтральных токов требуют таких огромных денежных вложений в ускорители частиц и детекторы, что возможны только в нескольких лабораториях физики высоких энергий в мире.

Официальное представление

Поиск иголки в стоге сена — детская забава по сравнению с охотой на хиггса. Так, коллаборация CMS за полтора года экспериментов выявила лишь пять (!) четырехлептонных событий, которые должны следовать за распадом хиггса на пару Z-бозонов. Тем не менее оба коллектива не только зарегистрировали рождение «хиггсоподобной» частицы (электрически нейтральной, с целочисленным спином, не равным единице, и положительной четностью) с очень низкой вероятностью ошибки, но и практически одинаково оценили ее массу: 126,0 ± 0,6 ГэВ (ATLAS) и 125,3 ± 0,6 ГэВ (CMS). Июльские результаты содержали и мелкие неожиданности. Новая частица проявляла себя в двухфотонном канале распада в полтора раза чаще, нежели ей предписано СМ. Распадов хиггса на b-кварки и W-бозоны заметить не удалось (на это физики особо и не надеялись), но экспериментаторы не обнаружили и следов распада хиггса на тау-частицы, хотя шансов на их выявление было несколько больше. Участники коллаборации ATLAS также заявили о расхождении в оценках масс новой частицы, выявленных в двухфотонном и четырехлептонном каналах. В первом случае она практически совпала с прежней величиной, но во втором оказалась меньше приблизительно на 3 ГэВ. Это тем более странно, что коллаборация CMS месяцем раньше (в ноябре 2012 года) опубликовала собственную уточненную оценку массы частицы по ее четырехлептонному распаду, которая практически совпала с июльской оценкой. Физики склоняются к мнению, что обнаруженная нестыковка объясняется статистическими флуктуациями.

Свидетельство о рождении

Согласно СМ, бозоны Хиггса на БАК рождаются различными путями. Так, парные столкновения глюонов влекут за собой рождение виртуального t-кварка, который распадается с образованием хиггса. Еще одним итогом такого соударения может оказаться появление пары «кварк-антикварк» плюс хиггсовский бозон. Пара сталкивающихся «внутрипротонных» кварков может дать начало двум реальным кваркам меньших энергий и двум виртуальным тяжелым векторным бозонам (W или Z), которые совместно порождают бозон Хиггса. И, наконец, возможны процессы, вырывающие из вакуума бозон Хиггса в компании с W или Z-бозоном. Этот процесс иногда называют Higgsstrahlung (по аналогии с немецким термином bremsstrahlung — тормозное излучение). Однако любой из актов сотворения хиггсов происходит чрезвычайно редко. В соответствии с теорией, за полтора года несчетные мириады столкновений БАК-овских протонов дали начало лишь паре сотен тысяч хиггсов.

Физика: старая или новая?

«Повышенная частота распадов предполагаемого хиггса на пару гамма-квантов еще не нашла однозначного объяснения. Рождение и исчезновение виртуальных частиц-посредников вполне может увеличить частоту событий двухфотонного канала по сравнению с ожиданиями Стандартной модели, — комментирует для «ПМ» сложившуюся ситуацию физик-теоретик из Калифорнийского технологического института Шон Кэрролл, автор недавно вышедшей книги о поисках бозона Хиггса. — Поэтому данные по двухфотонному распаду могут оказаться знамением новой физики. Но это лишь гипотеза, и не исключено, что их удастся объяснить в рамках СМ».

Как полагает Кэрролл, расхождение в 3ГэВ между массами бозонов тоже можно списать на новую физику. Но в этом случае придется признать, что обнаружены распады двух разных, но очень похожих бозонов. Придумать теорию, допускающую сосуществование таких бозонов, сложно. Возможно, все гораздо проще: число обнаруженных распадов чрезвычайно мало, и даже небольшие различия в оценках масс, вычисленных на базе каждого отдельного события, способны заметно изменить итоговый результат. Поэтому нестыковка, скорее всего, исчезнет по мере накопления и уточнения экспериментальных данных.

По мнению Кэрролла, все опубликованные данные по новой частице пока не ставят на повестку дня коррекцию Стандартной модели. Ситуация может измениться в 2015 году, когда БАК запустят после модернизации. А до тех пор СМ ничего не угрожает. Научное сообщество считает так же: в начале марта 2013 года на прошедшей в Италии научной конференции Moriond-2013 были доложены результаты анализа практически всех показаний детекторов БАК, накопленных в 2011—2012 годах. Общий вывод уже не звучал как сенсация: новооткрытая частица все больше напоминает бозон Хиггса — в том виде, как он описывается Стандартной моделью.

Загон для бозона

Теория не дает возможности определить массу хиггсовского бозона — это можно сделать только экспериментально. Долгое время не удавалось сделать даже приблизительных оценок этой массы, была известна лишь ее верхняя граница — примерно 1000 ГэВ.

СМ позволяет вычислить вероятности различных способов (каналов) рождения и распада хиггса в экспериментах на ускорителях. Однако результаты этих вычислений сильно зависят от его массы, которая изначально неизвестна. С другой стороны, необходимы хотя бы гипотетические значения этих вероятностей, иначе следы распадов попросту утонут в великом множестве прочих событий, следующих за столкновениями высокоэнергетичных частиц. Поэтому задолго до начала экспериментов на ускорителях теоретики обсчитали вероятности различных процессов рождения и распада хиггса. Первая такая работа была опубликована еще в 1975 году, хотя ее авторы рассматривали процессы, характерные для массы бозона 10 ГэВ (возможности ускорителей в то время были ограничены).

Наука
Феномен мертвой воды: почему погибли корабли Клеопатры

Но с начала 1990-х годов, когда началась настоящая охота на неуловимую частицу, физики постепенно стали огораживать красными флажками области масс, где хиггса быть не может. С 1989 по 2000 год в ЦЕРНе функционировал Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP), для которого был сооружен подземный круговой 27-км туннель (сейчас там находится главное кольцо БАК). Энергию столкновения частиц в LEP, которая вначале не превышала 90 ГэВ, со временем удалось увеличить более чем вдвое. Анализ экспериментов LEP показал, что масса хиггса не может быть меньше 114,4 ГэВ. С 2007 по 2011 год его искали на американском протон-антипротонном ускорителе Tevatron, что еще более сузило (правда, статистически не слишком достоверно) диапазон масс хиггса — до 115−135 ГэВ. Обнародованные в конце 2011 года результаты экспериментов на БАК позволили предположить, что масса хиггса находится точно в середине этого интервала, в промежутке между 124 и 126 ГэВ. Поэтому экспериментальные данные 2012 года обсчитывали на основе допущения, что она составляет 125 ГэВ.

Основные свойства

Краткий обзор различных семейств элементарных и составных частиц и теории, описывающие их взаимодействия. Элементарные частицы слева — фермионы, справа — бозоны. (Термины — гиперссылки на статьи ВП)

Существует два типа W-бозонов — с электрическим зарядом +1 и −1 (в единицах элементарного заряда); W+ является античастицей для W−. Z-бозон (или Z) электрически нейтрален и является античастицей сам для себя. Все три частицы очень короткоживущие, со средним временем жизни около 3⋅10−25 секунд.

Эти бозоны — тяжеловесы среди элементарных частиц. С массой в 80,4 и 91,2 ГэВ/c2, соответственно, W±- и Z-частицы почти в 100 раз тяжелее протона и близки к массе атомов рубидия и технеция соответственно. Масса этих бозонов очень важна для понимания слабого взаимодействия, поскольку ограничивает радиус действия слабого взаимодействия. Электромагнитные силы, напротив, имеют бесконечный радиус действия, потому что их бозон-переносчик (фотон) не имеет массы.

Все три типа бозонов имеют спин 1.

Испускание W+- или W−-бозона может либо повысить, либо понизить электрический заряд испускающей частицы на 1 единицу и изменить спин на 1 единицу. В то же время W-бозон может менять поколение частицы, например, превращать s-кварк в u-кварк. Z-бозон не может менять ни электрический заряд, ни любой другой заряд (странность, очарование и т. д.) — только спин и импульс, так что он никогда не меняет поколение или аромат частицы, испускающей его (см. нейтральный ток).

Фильмография

Кинематограф

Телевидение

Театр

Составные бозоны

Квантовая система, состоящая из произвольного числа бозонов и чётного числа фермионов, сама является бозоном. Примеры: ядро с чётным массовым числом A (поскольку нуклоны — протоны и нейтроны — являются фермионами, а массовое число равно суммарному числу нуклонов в ядре); атом или ион с чётной суммой числа электронов и массового числа ядра (поскольку электроны также являются фермионами, и общее количество фермионов в атоме/ионе равно сумме числа нуклонов в ядре и числа электронов в электронной оболочке). При этом орбитальные моменты импульса частиц, входящих в состав квантовой системы, не влияют на её классификацию как фермиона или бозона, поскольку все орбитальные моменты являются целыми, и их добавление в любой комбинации к суммарному целому спину системы не может превратить его в полуцелый (и наоборот). Система, содержащая нечётное число фермионов, сама является фермионом: её суммарный спин всегда полуцелый. Так, атом гелия-3, состоящий из двух протонов, нейтрона и двух электронов (в сумме пять фермионов) является фермионом, а атом лития-7 (три протона, четыре нейтрона, три электрона) является бозоном. Для нейтральных атомов число электронов совпадает с числом протонов, т.е. сумма числа электронов и протонов всегда чётна, поэтому фактически классификация нейтрального атома как бозона/фермиона определяется чётным/нечётным числом нейтронов в его ядре.

В частности, к составным бозонам относятся многочисленные двухкварковые связанные состояния, называемые мезонами. Как и у любых систем из двух (и вообще чётного числа) фермионов, спин мезонов является целочисленным, и его значение, в принципе, не ограничено (0, 1, 2, 3, …).

Бозонные звёзды

Основная статья: Бозонные звёзды

Бозонная звезда — гипотетический астрономический объект, состоящий из бозонов (в отличие от обычных звёзд, состоящих преимущественно из фермионов — электронов и нуклонов). Для того, чтобы подобный тип звёзд мог существовать, должны существовать стабильные бозоны, обладающие малой массой (например, аксионы — гипотетические лёгкие частицы, рассматривающиеся как один из кандидатов на роль составляющих тёмной материи).

Квазичастицы

Основная статья: Квазичастица

Квазичастицы, описываемые как кванты коллективных возбуждений в многочастичных системах (например, в конденсированных средах), также могут нести спин и классифицироваться как бозоны и фермионы. В частности, бозонами являются фононы («кванты звука»), магноны (кванты спиновых волн в магнетиках), ротоны (вращательные возбуждения в сверхтекучем гелии-4).

Влияние открытия частицы Хиггса на литературу, кино и музыку

Следующие факты свидетельствуют о сенсационности новости открытия частицы массы в физике:

• После обнаружения этой частицы была опубликована научно-популярная книга «Частица Бога: если Вселенная — это ответ, то каков же вопрос?» Льва Лидермана. Физики считают, что называть бозон Хиггса частицей Бога является преувеличением.
• В фильме «Ангелы и демоны», который основан на одноименной книге, используется также название бозона «частица Бога».
• В фантастическом фильме «Солярис», в котором главными героями являются Джордж Клуни и Наташа Макэлхоун, выдвигается теория, где упоминается поле Хиггса, и его важная роль в стабилизации субатомных частиц.
• В научно-фантастической книге «Флэшфорвард», написанной Робертом Савьером (Robert Sawyer) в 1999 году, два ученых становятся причиной мировой катастрофы, когда ставят эксперименты по обнаружению бозона Хиггса.
• Испанский сериал «Ковчег» повествует о мировой катастрофе, при которой все континенты оказались затопленными в результате экспериментов на Большом Адронном Коллайдере, а выжили только люди на корабле «Полярная Звезда».
• Музыкальная группа из Мадрида «Aviador Dro» в своем альбоме «Голос науки» посвятило песню найденному бозону массы.
• Австралийский певец Ник Кейв в своем альбоме «Push the Sky Away» одну из песен назвал «Синий бозон Хиггса».

Что такое бозон Хиггса: пояснение простым языком

Чтобы объяснить сущность бозона Хиггса максимально просто и понятно не только ученому физику, но и обычному человеку, интересующемуся наукой, необходимо прибегнуть к языку аллегорий и сравнений. Хотя, разумеется, все аллегории и сравнения, которые касаются физики элементарных частиц, не могут быть верными и точными. То же электромагнитное поле или квантовая волна не являются ни полем, ни волной в том смысле, в котором их представляют обычно люди, как и сами атомы отнюдь не являются уменьшенными копиями Солнечной системы, в которой словно планеты вокруг Солнца вращаются электроны вокруг атомного ядра. И хотя аллегории и сравнения все же не передают самой сути тех вещей, которые происходят в квантовой физике, они, тем не менее, позволяют приблизиться к пониманию этих вещей.

Интересный факт: в 1993 году министром образования Великобритании даже был объявлен конкурс на самое простое объяснение того, что такое бозон Хиггса. Победителем вышло пояснение, связанное с вечеринкой.

Итак, представьте себе многолюдную вечеринку, тут в помещение входит какая-то знаменитость (например, «рок-звезда») и за ней тут же начинают двигаться гости, все хотят пообщаться со «звездой», при этом сама «рок-звезда» передвигается медленнее, нежели все другие гости. Затем люди собирают в отдельные группы, в которых обсуждают какую-то новость или сплетню, связанную с этой рок-звездой, при этом люди хаотично передвигаются из группы в группу. Как результат, создается впечатление, что люди обсуждают сплетню, тесно окружив знаменитость, но без ее непосредственного участия. Так вот, все люди, участвующие в вечеринке – это поле Хиггса, группы людей являются возмущением поля, а сама знаменитость, из-за которой они образовались и есть бозон Хиггса.

Если эта аллегория Вам не совсем понятна, то вот еще одна: представьте себе гладкий бильярдный стол, на котором находятся шары – элементарные частицы. Шары эти запросто разлетаются в разные стороны и движутся везде без препятствий. А теперь представьте, что бильярдный стол покрыт некой клейкой массой, которая затрудняет движение шаров по нему. Эта клейкая масса – поле Хиггса, масса этого поля равна массе частиц, которые к нему прилипают. Бозон Хиггса же это частица, которая соответствует этому липкому полю. То есть если сильно ударить по бильярдному столу с этой клейкой массой, то небольшое количество этой самой клейкой массы на время образует пузырек, который вскоре опять растечется по столу, так вот, этот пузырек и есть бозон Хиггса.

Открытый бозон и космический апокалипсис

Открытие этой частицы считается одним из самых важных за всю историю человечества. Эксперименты с этим бозоном продолжаются, а ученые получают новые результаты. Одним из них стал тот факт, что бозон может привести Вселенную к гибели. Причем этот процесс уже начался (согласно мнению ученых). Суть проблемы заключается в следующем: бозон Хиггса может сколлапсировать самостоятельно в какой-либо части Вселенной. Это создаст энергетический пузырь, который постепенно распространится, поглощая все на своем пути.

На вопрос, будет ли конец света, каждый ученый отвечает положительно. Дело в том, что существует теория, которая называется «Звездная модель». В ней постулируется очевидное утверждение: все имеет свое начало и свой конец. Согласно современным представлениям, конец Вселенной будет выглядеть следующим образом: ускоренное расширение Вселенной приводит к распылению материи в пространстве. Этот процесс будет продолжаться, пока не погаснет последняя звезда, после этого Вселенная погрузится в вечный мрак. Через сколько это произойдет, никто не знает.

С открытием бозона Хиггса появилась еще одна теория конца света. Дело в том, что некоторые физики считают, что полученная масса бозона является одной из возможных временных масс, существуют другие ее значения. Эти значения массы также могут реализоваться, поскольку (говоря простым языком) бозон Хиггса — это элементарная частица, которая может проявлять волновые свойства. То есть существует вероятность его перехода в более устойчивое состояние, соответствующее большей массе. Если такой переход произойдет, то все, известные человеку природные законы, приобретут другой вид, поэтому наступит конец известной нам Вселенной. Кроме того, данный процесс уже мог произойти в какой-либо части Вселенной. Человечеству остается не так много времени для своего существования.

Открытие бозона Хиггса

Как мы написали вначале, бозон Хиггса сперва был открыт теоретически британским физиком Питером Хиггсом, который предположил, что в процессе механизма спонтанного нарушения электрослабой симметрии в стандартной модели физики элементарных частиц замешана некая еще не известная до того элементарная частичка. Случилось это в 1964 году, сразу после этого начались поиски реального существования этой элементарной частицы, правда, долгие годы они терпели фиаско. Из-за этого некоторые ученные в шутку стали называть бозон Хиггса – «проклятой частичкой» или «частичкой Бога».

И вот, чтобы подтвердить или опровергнуть существования этой загадочной «частички Бога» в 2012 году был построен Большой адронный коллайдер, представляющий собой гигантский ускоритель элементарных частиц. Опыты на нем экспериментально подтвердили существование бозона Хиггса, а сам первооткрыватель частицы, Питер Хиггс в 2013 году стал лауреатом нобелевской премии по физики за это открытие.

Возвращаясь к нашей аналогии про бильярдный стол, чтобы увидеть бозон Хиггса, физикам необходимо было с должной силой ударить по этой клейкой массе, которая лежит на столе, чтобы получить из нее пузырек, собственно бозон Хиггса. Так вот, ускорители элементарных частиц прошлого ХХ века были не настолько мощными, чтобы обеспечить «удар по столу» должной силы, и только Большой адронный коллайдер, созданный в начале уже нашего ХХІ века, что называется помог физикам «стукнуть по столу» с надлежащей силой и воочию лицезреть «частичку Бога».

Польза бозона Хиггса

Человеку, далекому от науки вообще и от физики в частности поиски некой элементарной частицы могут показаться бессмысленными, но открытие бозона Хиггса имеет немалое значение для науки. Прежде всего, наши знания о бозоне помогут при расчетах, которые осуществляются в теоретической физике при изучении строения Вселенной.

В частности, физиками было предположено, что бозонами Хиггса заполнено все окружающее нас пространство. При взаимодействии с другими элементарными частицами бозоны сообщают им свою массу и если есть возможность вычислить массу определенных элементарных частиц, то можно рассчитать и массу бозона Хиггса. А если у нас есть масса бозона Хиггса, то с ее помощью идя в обратную сторону, мы также можем рассчитывать массы других элементарных частиц.

Разумеется, все это очень дилетантские рассуждения с точки зрения академической физики, но ведь и журнал наш на то и научно-популярный, чтобы говорить о серьезных научным материях простым и понятным языком.

Польза БАК и других ускорителей элементарных частиц для общества

Технологии, которые разрабатываются для ускорителей частиц, являются полезными и для медицины, информатики, индустрии, окружающей среды. Например, магниты коллайдера, изготовленные из суперпроводящих материалов, с помощью которых разгоняются элементарные частицы, могут применяться для медицинский технологий диагностики. Современные детекторы различных частиц, образующихся в коллайдере, могут использоваться в позитронной томографии (позитрон — это античастица электрона). Кроме того, технологии формирования пучков из элементарных частиц в БАК могут использоваться для терапии различных заболеваний, например, раковых опухолей.

Что касается пользы исследований с помощью БАК в ЦЕРН (Женева) для информационных технологий, то следует сказать, что глобальная компьютерная сеть GRID, а также сам интернет обязаны своему развитию во многом экспериментам с ускорителями элементарных частиц, которые производили огромное количество данных. Необходимость в обмене этими данными между учеными всего мира привела к созданию в ЦЕРН Тимом Бернелсом-Ли языка World Wide Web (WWW), на котором основан Интернет.

Пучки частиц, которые формировались и формируются в различного рода ускорителях, в настоящее время широко используются в индустрии исследования свойств новых материалов, структуры биологических объектов и продуктов химической промышленности. Достижения физики элементарных частиц применяются для конструирования солнечных энергетических панелей, для переработки радиоактивных отходов и так далее.

Почему так было важно найти бозон Хиггса

В современной физике элементарных частиц существует некоторая стандартная модель. Единственной частицей, которую предсказывает эта модель, и которую ученые пытались долго обнаружить, является названный бозон. Стандартная модель частиц (согласно экспериментальным данным) описывает все взаимодействия и превращения между элементарными частицами. Однако оставалось единственное «белое пятно» в этой модели — отсутствие ответа на вопрос о происхождении массы

Важность массы не вызывает сомнения, ведь без нее Вселенная была бы совершенно другой. Если бы у электрона не было массы, то не существовали бы атомы и сама материя, не было бы биологии и химии, не было бы, в конце концов, человека

Чтобы объяснить концепцию существования массы, несколько физиков, среди которых был британец Питер Хиггс, еще в 60-х годах прошлого столетия выдвинули гипотезу о существовании так называемого поля Хиггса. По аналогии с фотоном, который является частицей электромагнитного поля, поле Хиггса также требует существование его частицы-носителя. Таким образом, бозоны Хиггса простыми словами – это частицы, из множества которых образуется поле Хиггса.