Като теория Стандартният модел работи добре, въпреки неспособността му да се вмести в гравитацията. Благодарение на това физиците предсказаха съществуването на определени частици, преди да бъдат открити експериментално. И така, бозонът на Хигс се появи на хоризонта. Нека разберем как тази частица се вписва в Стандартния модел и във Вселената като цяло.

Хигс бозонът: последното парче от пъзела

Учените смятат, че всяка от тези четири основни сили има съответстваща частица (или бозон), която влияе на материята. Трудно е за разбиране. Свикнали сме да мислим за силата като за мистериозен етер, който се намира отвъд битието и небитието, но всъщност силата е толкова реална, колкото и самата материя.

Някои физици описват бозоните като люспи, свързани с гумени ленти с частиците материя, които ги генерират. Използвайки тази аналогия, можем да си представим, че бозоните постоянно изстрелват с гумени ленти и се заплитат с други бозони в процеса на генериране на сила.

Учените смятат, че всяка от четирите фундаментални сили има свои специфични бозони. Електромагнитните полета, например, предават електромагнитна сила на материята чрез фотон. Физиците смятат, че бозонът на Хигс има същата функция, но ще пренася маса.

Но може ли материята да има маса без бозона на Хигс? Според стандартния модел, бр. Но физиците са намерили решение. Ами ако всички частици нямат собствена маса, но я придобиват, преминавайки през определено поле? Това поле, известно като полето на Хигс, влияе по различен начин на различните частици. Фотоните могат да преминат незабелязани, но W и Z бозоните ще останат в масата. Всъщност предположението за съществуването на бозона на Хигс казва, че всичко, което има маса, взаимодейства с вездесъщото поле на Хигс, което заема цялата Вселена. И подобно на други полета, описани от Стандартния модел, полето на Хигс се нуждае от собствена частица носител, за да влияе на други частици. Нарича се Хигс бозон.

На 4 юли 2012 г. учените, работещи в Големия адронен колайдер, обявиха, че са открили частица, която се държи като бозона на Хигс. Можете да издишате - смятаха физиците, но се оказа, че може да има няколко бозона, подобни на Хигс, което означава, че изследванията на по-високи енергийни нива ще продължат и ще продължат.

Забележителното е, че бозонът на Хигс неочаквано се оказа предвестник на смъртта на Вселената. Сценарият е възможен.

Ние, екипът на Quantuz (опитвайки се да се присъединим към общността на GT) предлагаме нашия превод на раздела от уебсайта particleadventure.org, посветен на Хигс бозона. В този текст сме изключили неинформативни снимки (за пълната версия вижте оригинала). Материалът ще бъде интересен за всички, които се интересуват от най-новите постижения на приложната физика.

Ролята на Хигс бозона

Бозонът на Хигс е последната частица, открита в Стандартния модел. Това е критичен компонент на теорията. Неговото откритие помогна да се потвърди механизмът за това как фундаменталните частици придобиват маса. Тези фундаментални частици в Стандартния модел са кварки, лептони и частици, пренасящи сила.

1964 теория

През 1964 г. шестима физици теоретични предположиха съществуването на ново поле (като електромагнитно поле), което изпълва цялото пространство и решава критичен проблем в нашето разбиране за Вселената.

Независимо други физици разработиха теория за фундаменталните частици, в крайна сметка наречена Стандартен модел, която осигури феноменална точност (експерименталната точност на някои части от Стандартния модел достига 1 на 10 милиарда. Това е еквивалентно на предсказване на разстоянието между Ню Йорк и Сан Франциско с точност около 0,4 mm). Тези усилия се оказаха тясно свързани помежду си. Стандартният модел се нуждаеше от механизъм за частиците да придобият маса. Теорията на полето е разработена от Питър Хигс, Робърт Браут, Франсоа Енглерт, Джералд Гуралник, Карл Хаген и Томас Кибъл.

Бозон

Питър Хигс осъзнава, че по аналогия с други квантови полета трябва да има частица, свързана с това ново поле. Той трябва да има спин, равен на нула, и следователно да бъде бозон - частица с цяло число (за разлика от фермионите, които имат половин цяло число: 1/2, 3/2 и т.н.). И наистина скоро стана известен като Хигс бозона. Единственият му недостатък беше, че никой не го видя.

Каква е масата на бозона?

За съжаление, теорията, която предсказа бозона, не уточнява неговата маса. Минаха години, докато стана ясно, че бозонът на Хигс трябва да е изключително тежък и най-вероятно извън обсега на съоръженията, построени преди Големия адронен колайдер (LHC).

Не забравяйте, че според E=mc 2, колкото по-голяма е масата на частицата, толкова повече енергия е необходима за нейното създаване.

По времето, когато LHC започна да събира данни през 2010 г., експерименти на други ускорители показаха, че масата на Хигс бозона трябва да бъде по-голяма от 115 GeV/c2. По време на експериментите в LHC беше планирано да се търсят доказателства за бозон в масовия диапазон 115-600 GeV/c2 или дори по-висок от 1000 GeV/c2.

Всяка година беше експериментално възможно да се изключат бозони с по-висока маса. През 1990 г. беше известно, че необходимата маса трябва да бъде по-голяма от 25 GeV/c2, а през 2003 г. се оказа, че е по-голяма от 115 GeV/c2

Сблъсъците в Големия адронен колайдер могат да доведат до много интересни неща

Денис Овърбай в New York Times говори за пресъздаване на условията на една трилионна част от секундата след Големия взрив и казва:

« ...останките от [експлозията] в тази част на космоса не са били виждани откакто Вселената е изстинала преди 14 милиарда години - пролетта на живота е мимолетна, отново и отново във всичките му възможни вариации, сякаш Вселената участваха в собствената си версия на филма Groundhog Day»

Един от тези „останки“ може да е бозонът на Хигс. Масата му трябва да е много голяма и трябва да се разпадне за по-малко от наносекунда.

Съобщение

След половинвековно очакване драмата стана напрегната. Физиците спаха извън аудиторията, за да заемат местата си на семинар в лабораторията на CERN в Женева.

На десет хиляди мили разстояние, на другия край на планетата, на престижна международна конференция по физика на елементарните частици в Мелбърн, стотици учени от всички краища на света се събраха, за да чуят предаването на семинара от Женева.

Но първо, нека да разгледаме фона.

Фойерверки 4 юли

На 4 юли 2012 г. директорите на експериментите ATLAS и CMS в Големия адронен колайдер представиха последните си резултати в търсенето на бозона на Хигс. Имаше слухове, че ще докладват нещо повече от доклад за резултатите, но какво?

Със сигурност, когато резултатите бяха представени, и двете сътрудничества, които извършиха експериментите, съобщиха, че са открили доказателства за съществуването на частица, подобна на бозона на Хигс, с маса от около 125 GeV. Определено беше частица и ако не е бозонът на Хигс, значи е негова много качествена имитация.

Доказателствата не бяха неубедителни; учените имаха резултати от пет сигма, което означава, че има по-малко от едно на милион шанс данните да са просто статистическа грешка.

Хигс бозонът се разпада на други частици

Хигс бозонът се разпада на други частици почти веднага след като е произведен, така че можем да наблюдаваме само неговите разпадни продукти. Най-често срещаните разпадания (сред тези, които можем да видим) са показани на фигурата:

Всеки режим на разпадане на бозона на Хигс е известен като "канал на разпадане" или "режим на разпадане". Въпреки че режимът bb е често срещан, много други процеси произвеждат подобни частици, така че ако наблюдавате разпадане на bb, е много трудно да разберете дали частиците се дължат на Хигс бозона или нещо друго. Ние казваме, че режимът на разпадане на bb има "широк фон".

Най-добрите канали за разпад за търсене на Хигс бозона са каналите на два фотона и два Z бозона.*

*(Технически, за маса на Хигс бозон от 125 GeV, разпадането на два Z бозона не е възможно, тъй като Z бозонът има маса от 91 GeV, което води до маса на двойката от 182 GeV, по-голяма от 125 GeV. Въпреки това, това, което наблюдаваме, е разпадане на Z-бозон и виртуален Z-бозон (Z*), чиято маса е много по-малка.)

Разпадането на Хигс бозона до Z + Z

Z бозоните също имат няколко режима на разпадане, включително Z → e+ + e- и Z → µ+ + µ-.

Режимът на разпадане Z + Z беше доста прост за експериментите ATLAS и CMS, като и двата Z бозона се разпадаха в един от двата режима (Z → e+ e- или Z → µ+ µ-). Фигурата показва четири наблюдавани режима на разпадане на Хигс бозона:

Крайният резултат е, че понякога наблюдателят ще види (в допълнение към някои несвързани частици) четири мюона, или четири електрона, или два мюона и два електрона.

Как би изглеждал бозонът на Хигс в детектора ATLAS

В този случай „струята“ (струята) се появи надолу, а Хигс бозонът се издигаше, но се разпадна почти моментално. Всяка картина на сблъсък се нарича "събитие".

Пример за събитие с възможен разпад на Хигс бозонапод формата на красива анимация на сблъсъка на два протона в Големия адронен колайдер, можете да го видите на уебсайта на източника на тази връзка.

В този случай може да се произведе бозон на Хигс и след това веднага да се разпадне на два Z бозона, които от своя страна незабавно се разпадат (оставяйки два мюона и два електрона).

Механизъм, който придава маса на частиците

Откриването на бозона на Хигс е невероятна следа за това как фундаменталните частици придобиват маса, както твърдят Хигс, Браут, Енглер, Джералд, Карл и Кибъл. Що за механизъм е това? Това е много сложна математическа теория, но основната й идея може да бъде разбрана чрез проста аналогия.

Представете си пространство, изпълнено с полето на Хигс, като група физици, които спокойно общуват помежду си с коктейли...
В един момент Питър Хигс влиза и създава вълнение, докато се движи през стаята, привличайки група фенове с всяка стъпка...

Преди да влезе в стаята, професор Хигс можеше да се движи свободно. Но след като влезе в стая, пълна с физици, скоростта му намаля. Група фенове забавиха движението му през стаята; с други думи, той натрупа маса. Това е аналогично на безмасова частица, придобиваща маса при взаимодействие с полето на Хигс.

Но всичко, което искаше, беше да стигне до бара!

(Идеята за аналогията е на проф. Дейвид Дж. Милър от University College London, който спечели наградата за достъпно обяснение на бозона на Хигс - © CERN)

Как бозонът на Хигс получава собствената си маса?

От друга страна, докато новината се разпространява из стаята, те също формират групи от хора, но този път изключително от физици. Такава група може бавно да се движи из стаята. Подобно на други частици, Хигс бозонът придобива маса просто чрез взаимодействие с полето на Хигс.

Намиране на масата на Хигс бозона

Как намирате масата на Хигс бозона, ако той се разпада на други частици, преди да го открием?

Ако решите да сглобите велосипед и искате да знаете неговата маса, трябва да съберете масите на частите на велосипеда: две колела, рамка, кормило, седло и др.

Но ако искате да изчислите масата на Хигс бозона от частиците, на които се е разпаднал, не можете просто да съберете масите. Защо не?

Добавянето на масите на частиците от разпад на Хигс бозона не работи, тъй като тези частици имат огромна кинетична енергия в сравнение с енергията на покой (не забравяйте, че за частица в покой E = mc 2). Това се дължи на факта, че масата на бозона на Хигс е много по-голяма от масите на крайните продукти от неговия разпад, така че останалата енергия отива някъде, а именно в кинетичната енергия на частиците, които възникват след разпадането. Теорията на относителността ни казва да използваме уравнението по-долу, за да изчислим "инвариантната маса" на набор от частици след разпадане, което ще ни даде масата на "родителя", Хигс бозона:

E 2 = p 2 c 2 + m 2 c 4

Намиране на масата на Хигс бозона от неговите разпадни продукти

Забележка на Quantuz: тук не сме малко сигурни в превода, тъй като има включени специални термини. Предлагаме за всеки случай да сравните превода с източника.

Когато говорим за разпад като H → Z + Z* → e+ + д- + µ+ + µ-, тогава четирите възможни комбинации, показани по-горе, могат да възникнат както от разпадането на Хигс бозона, така и от фоновите процеси, така че трябва да разгледаме хистограмата на общата маса на четирите частици в тези комбинации.

Хистограмата на масата предполага, че наблюдаваме огромен брой събития и отбелязваме броя на тези събития, когато се получи получената инвариантна маса. Прилича на хистограма, защото стойностите на инвариантната маса са разделени на колони. Височината на всяка колона показва броя на събитията, при които инвариантната маса е в съответния диапазон.

Можем да си представим, че това са резултатите от разпадането на Хигс бозона, но това не е така.

Данни за Хигс бозона от заден план

Червените и лилавите области на хистограмата показват "фона", в който се очаква броят на събитията с четири лептона да се случат без участието на бозона на Хигс.

Синята зона (вижте анимацията) представлява "сигналната" прогноза, в която броят на събитията с четири лептона подсказва резултата от разпадането на бозона на Хигс. Сигналът се поставя в горната част на фона, защото за да получите общия предвиден брой събития, просто събирате всички възможни резултати от събития, които биха могли да се случат.

Черните точки показват броя на наблюдаваните събития, докато черните линии, минаващи през точките, представляват статистическата несигурност в тези числа. Покачването на данните (вижте следващия слайд) при 125 GeV е знак за нова частица от 125 GeV (Хигс бозон).

Анимация на еволюцията на данните за бозона на Хигс, докато се натрупват, е на оригиналния уебсайт.

Сигналът на Хигс бозона се издига бавно над фона.

Данни от Хигс бозона, разпадащ се на два фотона

Разпад на два фотона (H → γ + γ) има още по-широк фон, но въпреки това сигналът е ясно разграничен.

Това е хистограма на инвариантната маса за разпадането на Хигс бозона на два фотона. Както можете да видите, фонът е много широк в сравнение с предишната диаграма. Това е така, защото има много повече процеси, които произвеждат два фотона, отколкото има процеси, които произвеждат четири лептона.

Прекъснатата червена линия показва фона, а дебелата червена линия показва сумата от фона и сигнала. Виждаме, че данните са в добро съответствие с нова частица около 125 GeV.

Недостатъци на първите данни

Данните бяха убедителни, но не перфектни и имаха значителни ограничения. До 4 юли 2012 г. нямаше достатъчно статистика, за да се определи скоростта, с която дадена частица (бозонът на Хигс) се разпада на различни набори от по-малко масивни частици (така наречените „пропорции на разклоняване“), предвидени от Стандартния модел.

„Коефициентът на разклоняване“ е просто вероятността една частица да се разпадне през даден канал на разпадане. Тези пропорции се предвиждат от Стандартния модел и се измерват чрез многократно наблюдение на разпада на едни и същи частици.

Следната графика показва най-добрите измервания на пропорциите на разклоняване, които можем да направим от 2013 г. Тъй като това са пропорциите, предвидени от стандартния модел, очакването е 1,0. Точките са текущите измервания. Очевидно лентите за грешки (червени линии) са все още твърде големи, за да се правят сериозни заключения. Тези сегменти се съкращават при получаване на нови данни и е възможно точките да се преместят.

Как да разберете, че човек наблюдава кандидат събитие за Хигс бозона? Има уникални параметри, които отличават такива събития.

Хигс бозон ли е частицата?

Въпреки че беше установено, че новата частица се разпада, скоростта, с която това се случва, все още не беше ясна до 4 юли. Дори не беше известно дали откритата частица има правилните квантови числа - тоест дали има спин и паритет, необходими за бозона на Хигс.

С други думи, на 4 юли частицата изглеждаше като патица, но трябваше да се уверим, че плува като патица и квака като патица.

Всички резултати от експериментите ATLAS и CMS на Големия адронен колайдер (както и колайдера Tevatron във Fermilab) след 4 юли 2012 г. показаха забележително съгласие с очакваните пропорции на разклоняване за петте режима на разпадане, обсъдени по-горе, и съгласие с очакваното въртене (равно на нула) и паритет (равно на +1), които са основните квантови числа.

Тези параметри са важни при определянето дали новата частица наистина е бозонът на Хигс или някаква друга неочаквана частица. Така че всички налични доказателства сочат към бозона на Хигс от Стандартния модел.

Някои физици сметнаха това за разочарование! Ако новата частица е бозонът на Хигс от Стандартния модел, тогава Стандартният модел е по същество завършен. Всичко, което може да се направи сега, е да се направят измервания с нарастваща точност на това, което вече е открито.

Но ако новата частица се окаже нещо, което не е предвидено от Стандартния модел, това ще отвори вратата за много нови теории и идеи, които да бъдат тествани. Неочакваните резултати винаги изискват нови обяснения и помагат за тласъка на теоретичната физика напред.

Откъде идва масата във Вселената?

В обикновената материя по-голямата част от масата се съдържа в атоми и, за да бъдем по-точни, се съдържа в ядро, състоящо се от протони и неутрони.

Протоните и неутроните са изградени от три кварка, които получават своята маса чрез взаимодействие с полето на Хигс.

НО... масите на кварките допринасят с около 10 MeV, което е около 1% от масата на протона и неутрона. И така, откъде идва останалата маса?

Оказва се, че масата на протона възниква от кинетичната енергия на съставните му кварки. Както, разбира се, знаете, масата и енергията са свързани с равенството E=mc 2.

Така че само малка част от масата на обикновената материя във Вселената принадлежи на механизма на Хигс. Въпреки това, както ще видим в следващия раздел, Вселената би била напълно необитаема без масата на Хигс и нямаше кой да открие механизма на Хигс!

Ако нямаше полето на Хигс?

Ако нямаше полето на Хигс, каква би била Вселената?

Не е толкова очевидно.

Със сигурност нищо не би свързало електроните в атомите. Щяха да се разлетят със скоростта на светлината.

Но кварките са свързани със силно взаимодействие и не могат да съществуват в свободна форма. Някои свързани състояния на кварките може да са запазени, но не е ясно за протоните и неутроните.

Всичко това вероятно би било ядрено-подобна материя. И може би всичко това се е сринало в резултат на гравитацията.

Факт, в който сме сигурни: Вселената ще бъде студена, тъмна и безжизнена.
Така Хигс бозонът ни спасява от една студена, тъмна, безжизнена вселена, в която няма хора, които да открият Хигс бозона.

Бозонът на Хигс бозон от Стандартния модел ли е?

Знаем със сигурност, че частицата, която открихме, е бозонът на Хигс. Знаем също, че той е много подобен на Хигс бозона от Стандартния модел. Но има две точки, които все още не са доказани:

1. Въпреки факта, че бозонът на Хигс е от Стандартния модел, има малки несъответствия, показващи съществуването на нова физика (в момента неизвестна).
2. Има повече от един Хигс бозон с различни маси. Това също предполага, че ще има нови теории за изследване.

Само времето и новите данни ще разкрият или чистотата на Стандартния модел и неговия бозон, или нови вълнуващи физически теории.

С прости думи, бозонът на Хигс е най-скъпата частица на всички времена. Ако беше нужна само вакуумна тръба и двама брилянтни умове, например, търсенето на Хигс бозона изискваше създаването на експериментална енергия, рядко срещана на Земята. Големият адронен колайдер не се нуждае от представяне, тъй като е един от най-известните и успешни научни експерименти, но профилната му частица, както и преди, е обвита в мистерия за по-голямата част от населението. Наричана е Божията частица, но благодарение на усилията на буквално хиляди учени вече не трябва да приемаме съществуването й за даденост.

Последното неизвестно

Какво е това и каква е важността на откриването му? Защо се превърна в обект на толкова много шум, финансиране и дезинформация? По две причини. Първо, това беше последната неоткрита частица, необходима за потвърждаване на Стандартния модел на физиката. Откриването му означава, че цяло поколение научни публикации не са били напразни. Второ, този бозон дава масата на други частици, което му придава специално значение и известна „магия“. Склонни сме да мислим за масата като за присъщо свойство на нещата, но физиците мислят по различен начин. С прости думи, бозонът на Хигс е частица, без която масата по същество не съществува.

Още едно поле

Причината се крие в така нареченото поле на Хигс. Той е описан още преди бозона на Хигс, тъй като физиците го изчисляват за нуждите на собствените си теории и наблюдения, които изискват наличието на ново поле, чието действие да се разпростре върху цялата Вселена. Подсилването на хипотези чрез изобретяване на нови части от Вселената е опасно. В миналото например това доведе до създаването на теорията за етера. Но колкото повече математически изчисления бяха направени, толкова повече физици осъзнаха, че полето на Хигс трябва да съществува в действителност. Единственият проблем беше липсата на практически възможности за наблюдението му.

В Стандартния модел физиците получават маса чрез механизъм, основан на съществуването на полето на Хигс, което прониква в цялото пространство. Той създава бозони на Хигс, които изискват големи количества енергия и това е основната причина, поради която учените се нуждаят от модерни ускорители на частици, за да провеждат експерименти с висока енергия.

Откъде идва масата?

Силата на слабите ядрени взаимодействия намалява бързо с увеличаване на разстоянието. Според квантовата теория на полето това означава, че частиците, които участват в създаването му – W и Z бозоните – трябва да имат маса, за разлика от глуоните и фотоните, които нямат маса.

Проблемът е, че калибровъчните теории се занимават само с безмасови елементи. Ако калибровъчните бозони имат маса, тогава такава хипотеза не може да бъде разумно дефинирана. Механизмът на Хигс избягва този проблем, като въвежда ново поле, наречено поле на Хигс. При високи енергии калибровъчните бозони нямат маса и хипотезата работи според очакванията. При ниски енергии полето причинява нарушаване на симетрията, което позволява на елементите да имат маса.

Какво представлява Хигс бозонът?

Полето на Хигс произвежда частици, наречени бозони на Хигс. Теорията не уточнява тяхната маса, но в резултат на експеримента е установено, че тя е равна на 125 GeV. С прости думи, съществуването на Хигс бозона най-накрая потвърди Стандартния модел.

Механизмът, полето и бозонът са кръстени на шотландския учен Питър Хигс. Въпреки че не беше първият, който предложи тези концепции, но, както често се случва във физиката, той просто се оказа този, на когото те бяха кръстени.

Нарушаване на симетрията

Смяташе се, че полето на Хигс е отговорно за това, че частиците, които не трябва да имат маса, имат. Това е универсална среда, която придава на безмасовите частици различни маси. Това нарушение на симетрията се обяснява по аналогия със светлината - всички дължини на вълната се движат във вакуум с еднаква скорост, но в призмата всяка дължина на вълната може да бъде изолирана. Това, разбира се, е неправилна аналогия, тъй като бялата светлина съдържа всички дължини на вълните, но примерът показва как полето на Хигс изглежда създава маса поради нарушаване на симетрията. Призмата нарушава скоростната симетрия на различните дължини на светлинните вълни, като ги разделя, а полето на Хигс се смята, че нарушава масовата симетрия на някои частици, които иначе са симетрично безмасови.

Как да обясним Хигс бозона с прости думи? Едва наскоро физиците разбраха, че ако полето на Хигс наистина съществува, неговото действие ще изисква наличието на подходящ носител със свойства, които го правят видимо. Предполагаше се, че тази частица принадлежи към бозоните. Хигс бозонът на прости думи е така наречената носеща сила, същата като фотоните, които са носители на електромагнитното поле на Вселената. Фотоните в известен смисъл са негови локални възбуждания, точно както Хигс бозонът е локално възбуждане на своето поле. Доказването на съществуването на частица със свойствата, очаквани от физиците, всъщност е еквивалентно на пряко доказателство за съществуването на поле.

Експериментирайте

Много години на планиране позволиха на Големия адронен колайдер (LHC) да се превърне в експеримент, достатъчен да опровергае потенциално теорията за Хигс бозона. 27-километровият пръстен от свръхмощни електромагнити може да ускори заредените частици до значителни фракции, причинявайки сблъсъци с достатъчна сила, за да ги раздели на компоненти, както и да деформира пространството около точката на удара. Според изчисленията при достатъчно високо ниво на енергия на сблъсък може да се зареди бозон, така че да се разпадне и това да се наблюдава. Тази енергия беше толкова голяма, че някои дори се паникьосаха и предричаха края на света, а въображението на други беше толкова развихрено, че откриването на Хигс бозона беше описано като възможност да се погледне в алтернативно измерение.

Окончателно потвърждение

Първоначалните наблюдения изглежда всъщност опровергаха предсказанията и не можеше да се намери следа от частицата. Някои от изследователите, участващи в кампанията за харчене на милиарди долари, дори се появиха по телевизията и кротко заявиха факта, че опровергаването на научна теория е също толкова важно, колкото и нейното потвърждаване. След известно време обаче измерванията започнаха да допълват общата картина и на 14 март 2013 г. ЦЕРН официално обяви потвърждение за съществуването на частицата. Има доказателства, които предполагат съществуването на множество бозони, но тази идея се нуждае от допълнително проучване.

Две години след като ЦЕРН обяви откриването на частицата, учените, работещи в Големия адронен колайдер, успяха да го потвърдят. От една страна, това беше огромна победа за науката, но от друга много учени бяха разочаровани. Ако някой се надяваше, че бозонът на Хигс ще бъде частицата, която ще доведе до странни и прекрасни региони отвъд Стандартния модел - суперсиметрия, тъмна материя, тъмна енергия - тогава, за съжаление, това не се оказа така.

Изследване, публикувано в Nature Physics, потвърди разпадането на фермиони. прогнозира, че с прости думи Хигс бозонът е частицата, която придава на фермионите тяхната маса. CMS детекторът на колайдера най-накрая потвърди разпадането им на фермиони - кварки надолу и тау лептони.

Хигс бозон с прости думи: какво е това?

Това изследване окончателно потвърди, че това е бозонът на Хигс, предсказан от Стандартния модел на физиката на елементарните частици. Той се намира в областта маса-енергия от 125 GeV, няма спин и може да се разпадне на много по-леки елементи - двойки фотони, фермиони и т.н. Благодарение на това можем уверено да кажем, че бозонът на Хигс, с прости думи, е частица, придаваща маса на всичко.

Стандартното поведение на новооткрития елемент беше разочароващо. Ако неговият разпад беше дори малко по-различен, той би бил свързан с фермионите по различен начин и щяха да се появят нови линии на изследване. От друга страна, това означава, че не сме напреднали и крачка от Стандартния модел, който не взема под внимание гравитацията, тъмната енергия, тъмната материя и други странни феномени на реалността.

Сега можем само да гадаем какво ги е причинило. Най-популярната теория е суперсиметрията, която гласи, че всяка частица от Стандартния модел има невероятно тежък суперпартньор (по този начин съставляващ 23% от Вселената - тъмна материя). Модернизирането на колайдера, за да се удвои енергията му на сблъсък до 13 TeV, вероятно ще позволи откриването на тези суперчастици. В противен случай суперсиметрията ще трябва да изчака изграждането на по-мощен наследник на LHC.

Бъдещи перспективи

И така, каква ще бъде физиката след бозона на Хигс? LHC току-що отвори отново със сериозни подобрения и е способен да вижда всичко - от антиматерия до тъмна енергия. Смята се, че той взаимодейства с нормалния единствено чрез гравитацията и чрез създаването на маса, а значението на Хигс бозона е ключово за разбирането как точно се случва това. Основният недостатък на Стандартния модел е, че той не може да обясни силата на гравитацията - такъв модел може да се нарече Голямата обединена теория - и някои смятат, че частицата и полето на Хигс могат да осигурят моста, който физиците толкова отчаяно търсят.

Съществуването на Хигс бозона е потвърдено, но пълното му разбиране все още е много далеч. Дали бъдещи експерименти ще опровергаят суперсиметрията и идеята за нейното разлагане в самата тъмна материя? Или ще потвърдят всеки последен детайл от прогнозите на стандартния модел за свойствата на бозона на Хигс и тази област на изследване ще бъде завършена завинаги?

Академик Валерий Рубаков, Институт за ядрени изследвания РАН и Московски държавен университет.

На четвърти юли 2012 г. се случи събитие от изключително значение за физиката: на семинар в CERN (Европейски център за ядрени изследвания) беше обявено откриването на нова частица, която, както внимателно заявяват авторите на откритието, съответства на в неговите свойства към теоретично предсказания елементарен бозон на Стандартния модел на елементарните физични частици. Обикновено се нарича бозон на Хигс, въпреки че това име не е напълно адекватно. Както и да е, говорим за откриването на един от основните обекти на фундаменталната физика, който няма аналози сред известните елементарни частици и заема уникално място във физическата картина на света (виж "Наука и живот" № 1, 1996 г., статия „Бозонът Хигс е необходим!“).

Детекторът LHC-B е предназначен за изследване на свойствата на B-мезони - адрони, съдържащи b-кварк. Тези частици бързо се разпадат, като имат време да отлетят от лъча на частиците само на част от милиметъра. Снимка: Максимилиен Брис, CERN.

Елементарни частици от стандартния модел. Почти всички от тях имат свои собствени античастици, които са обозначени със символ с тилда отгоре.

Взаимодействия в микросвета. Електромагнитното взаимодействие възниква поради излъчването и поглъщането на фотони (а). Слабите взаимодействия са от подобно естество: те се причиняват от излъчването, абсорбцията или разпадането на Z-бозони (b) или W-бозони (c).

Хигс бозонът H (спин 0) се разпада на два фотона (спин 1), чиито спинове са антипаралелни и сборът им е 0.

Когато се излъчва фотон или Z-бозон се излъчва от бърз електрон, проекцията на неговия спин върху посоката на движение не се променя. Кръглата стрелка показва вътрешното въртене на електрона.

В еднообразно магнитно поле електронът се движи по права линия по протежение на полето и по спирала във всяка друга посока.

Фотон с дълга дължина на вълната и следователно с ниска енергия не е в състояние да разреши структурата на π-мезон - двойка кварк-антикварк.

Частици, ускорени до огромни енергии в Големия адронен колайдер, се сблъскват, генерирайки много вторични частици - продукти на реакцията. Сред тях беше открит бозонът на Хигс, който физиците се надяваха да открият почти половин век.

Английският физик Питър У. Хигс доказва в началото на 60-те години на миналия век, че в Стандартния модел на елементарните частици трябва да има още един бозон - квант на полето, което създава маса в материята.

Какво се случи на семинара и преди него

Анонсът на семинара беше направен в края на юни и веднага стана ясно, че ще бъде извънреден. Факт е, че първите индикации за съществуването на нов бозон бяха получени още през декември 2011 г. в експериментите ATLAS и CMS, проведени в Големия адронен колайдер (LHC) в CERN. Освен това малко преди семинара се появи съобщение, че данните от експериментите в протон-антипротонния колайдер Tevatron (Fermilab, САЩ) също показват съществуването на нов бозон. Всичко това още не беше достатъчно, за да говорим за откритие. Но от декември насам количеството данни, събрани в LHC, се удвои, а методите за обработката им станаха по-усъвършенствани. Резултатът беше впечатляващ: във всеки от експериментите ATLAS и CMS поотделно, статистическата надеждност на сигнала достигна стойност, която се счита за ниво на откритие във физиката на елементарните частици (пет стандартни отклонения).

Семинарът премина в празнична атмосфера. Освен изследователи, работещи в CERN, и студенти, обучаващи се там в летни програми, той беше „посетен“ чрез интернет от участници в най-голямата конференция по физика на високите енергии, която се откри в Мелбърн същия ден. Семинарът беше излъчен по интернет до изследователски центрове и университети по целия свят, включително, разбира се, Русия. След впечатляващите изпълнения на лидерите на CMS колаборациите - Джо Инкандела и ATLAS - Фабиола Джаноти, генералният директор на CERN Ролф Хойер заключи: "Мисля, че го имаме!" („Мисля, че го държим в ръцете си!“).

И така, какво е „в нашите ръце“ и защо теоретиците го измислиха?

Какво е нова частица?

Минималната версия на теорията за микросвета се нарича неловко Стандартен модел. Той включва всички известни елементарни частици (изброяваме ги по-долу) и всички известни взаимодействия между тях. Гравитационното взаимодействие стои отделно: то не зависи от видовете елементарни частици, а се описва от общата теория на относителността на Айнщайн. Бозонът на Хигс остана единственият елемент от Стандартния модел, който не беше открит доскоро.

Нарекохме Стандартния модел минимален именно защото в него няма други елементарни частици. По-специално, той има един и само един бозон на Хигс и е елементарна частица, а не съставна (други възможности ще бъдат обсъдени по-долу). Повечето аспекти на Стандартния модел - с изключение на новия сектор, към който принадлежи бозонът на Хигс - са тествани в многобройни експерименти и основната задача в работната програма на LHC е да се установи дали минималната версия на теорията всъщност е приложен в природата и колко пълно описва микросвета.

По време на изпълнението на тази програма беше открита нова частица, доста тежка по стандартите на физиката на микросвета. В тази област на науката масата се измерва в единици енергия, като се има предвид връзката E = mс 2 между масата и енергията на покой. Единицата за енергия е електронволт (eV) - енергията, която един електрон придобива, след като премине през потенциална разлика от 1 волт, и нейните производни - MeV (милион, 10 6 eV), GeV (милиард, 10 9 eV), TeV (трилиона, 10 12 eV) . Масата на електрона в тези единици е 0,5 MeV, на протона е приблизително 1 GeV, а най-тежката известна елементарна частица, t-кваркът, е 173 GeV. И така, масата на новата частица е 125-126 GeV (несигурността е свързана с грешката на измерването). Нека наречем тази нова частица N.

Той няма електрически заряд, нестабилен е и може да се разпадне по различни начини. Открит е в големия адронен колайдер на CERN чрез изследване на разпада на два фотона, H → γγ, и на две двойки електрон-позитрон и/или мюон-антимуон, H → e + e - e + e - , H → e + e - μ + μ - , H → μ + μ - μ + μ-. Вторият тип процес се записва като H → 4ℓ, където ℓ означава една от частиците e +, e -, μ + или μ - (те се наричат ​​лептони). Както CMS, така и ATLAS също съобщават за известен излишък от събития, което може да се обясни с разпад на H → 2ℓ2ν, където ν е неутрино. Този излишък обаче все още няма висока статистическа значимост.

Като цяло всичко, което сега се знае за новата частица, е в съответствие с нейната интерпретация като Хигс бозон, предсказан от най-простата версия на теорията на елементарните частици - Стандартния модел. С помощта на стандартния модел е възможно да се изчисли както вероятността за производство на бозон на Хигс при протон-протонни сблъсъци в Големия адронен колайдер, така и вероятностите за неговия разпад и по този начин да се предскаже броят на очакваните събития. Прогнозите са добре потвърдени от експерименти, но, разбира се, в границите на грешка. Експерименталните грешки все още са големи и все още има много малко измерени стойности. Въпреки това е трудно да се съмняваме, че е открит бозонът на Хигс или нещо много подобно на него, особено като се има предвид, че тези разпади трябва да са много редки: 2 от 1000 бозона на Хигс се разпадат на два фотона и 1 от 10 000 разпада се на 4ℓ.

В повече от половината от случаите Хигс бозонът трябва да се разпадне на двойка b-кварк - b-антикварк: H → bb̃. Раждането на двойка bb̃ при сблъсъци протон-протон (и протон-антипротон) е много често явление дори без Хигс бозон и все още не е възможно да се изолира сигналът от него от този „шум“ (физиците казват, че фонът ) в експерименти в LHC. Това беше частично постигнато в колайдера Tevatron и въпреки че статистическата значимост там е значително по-ниска, тези данни също са в съответствие с прогнозите на Стандартния модел.

Всички елементарни частици имат спин - вътрешен ъглов момент. Спинът на една частица може да бъде цяло число (включително нула) или полуцяло число в единици от константата на Планк ћ. Частиците с цяло число се наричат ​​бозони, а частиците с половин цяло число се наричат ​​фермиони. Спинът на електрона е 1/2, спинът на фотона е 1. От анализа на разпадните продукти на нова частица следва, че нейният спин е интегрален, тоест той е бозон. От запазването на ъгловия момент при разпадането на една частица на двойка фотони H → γγ следва: спинът на всеки фотон е цяло число; Общият ъглов импулс на крайното състояние (двойка фотони) винаги остава непокътнат. Това означава, че първоначалното състояние също е непокътнато.

В допълнение, той не е равен на единица: частица със спин 1 не може да се разпадне на два фотона със спин 1. Това, което остава, е спин 0; 2 или повече. Въпреки че спинът на новата частица все още не е измерен, е изключително малко вероятно да имаме работа с частица със спин 2 или по-голям. Почти сигурно е, че въртенето на H е нула и както ще видим, точно това трябва да бъде бозонът на Хигс.

Завършвайки описанието на известните свойства на новата частица, нека кажем, че по стандартите на физиката на микросвета тя живее доста дълго време. Въз основа на експериментални данни, по-ниската оценка на живота му дава ТH > 10 -24 s, което не противоречи на прогнозата на Стандартния модел: ТH = 1.6·10 -22 s. За сравнение: животът на t-кварка е T t = 3·10 -25 s. Имайте предвид, че директното измерване на живота на нова частица в LHC едва ли е възможно.

Защо още един бозон?

В квантовата физика всяка елементарна частица служи като квант на определено поле и обратното: всяко поле има своя собствена квантова частица; най-известният пример е електромагнитното поле и неговият квант, фотонът. Следователно поставеният в заглавието въпрос може да се преформулира по следния начин:

Защо е необходимо ново поле и какви са неговите очаквани свойства?

Краткият отговор е, че симетриите на теорията за микросвета - било то Стандартния модел или някоя по-сложна теория - забраняват на елементарните частици да имат маса, а новото поле нарушава тези симетрии и гарантира съществуването на маси на частиците. В Стандартния модел - най-простата версия на теорията (но само в него!) - всички свойства на новото поле и съответно на новия бозон, с изключение на неговата маса, са недвусмислено предсказани, отново въз основа на съображения за симетрия . Както казахме, наличните експериментални данни са в съответствие с най-простата версия на теорията, но тези данни все още са доста оскъдни и предстои много работа, за да разберем как точно работи новият сектор на физиката на елементарните частици.

Нека разгледаме, поне в общи линии, ролята на симетрията във физиката на микросвета.

Симетрии, закони за запазване и забрани

Общо свойство на физическите теории, било то Нютоновата механика, механиката на специалната теория на относителността, квантовата механика или теорията на микросвета, е, че всяка симетрия има свой собствен закон за запазване. Например симетрията по отношение на изместванията във времето (т.е. фактът, че законите на физиката са еднакви във всеки момент от времето) съответства на закона за запазване на енергията, симетрията по отношение на изместванията в пространството съответства на закона на запазване на импулса и симетрия по отношение на въртенията в него (всички посоки в пространството са равни) — закон за запазване на ъгловия момент. Законите за запазване могат да се тълкуват и като забрани: изброените симетрии забраняват промените в енергията, импулса и ъгловия импулс на затворена система по време на нейното развитие.

И обратното: всеки закон за запазване има своя собствена симетрия; Това твърдение е абсолютно точно в квантовата теория. Възниква въпросът: каква симетрия съответства на закона за запазване на електрическия заряд? Ясно е, че симетриите на пространството и времето, които току-що споменахме, нямат нищо общо с това. Въпреки това, в допълнение към очевидните пространствено-времеви симетрии, има неочевидни, „вътрешни“ симетрии. Едно от тях води до запазване на електрическия заряд. За нас е важно, че същата тази вътрешна симетрия (разбрана само в разширен смисъл - физиците използват термина „калибровна инвариантност“) обяснява защо фотонът няма маса. Липсата на маса във фотона от своя страна е тясно свързана с факта, че светлината има само два вида поляризация – лява и дясна.

За да изясним връзката между наличието само на два вида поляризация на светлината и липсата на маса във фотона, нека се отклоним за момент от разговора за симетрии и отново да си припомним, че елементарните частици се характеризират със спин, полуцяло или цяло число в единици на константата на Планк ћ. Елементарните фермиони (частици с половин цяло число) имат спин 1/2. Това са електрон e, електронно неутрино ν e, тежки аналози на електрона - мюон μ и тау лептон τ, техните неутрино ν μ и ν τ, кварки от шест типа u, d, c, s, t, b и античастици, съответстващи на всички те (позитрон e +, електронно антинеутрино ν̃ e, антикварк ũ и т.н.). U и d кварките са леки и съставляват протона (кварков състав uud) и неутрона (udd). Останалите кварки (c, t, s, b) са по-тежки; те са част от краткотрайни частици, например К-мезони.

Бозоните, частици с пълен спин, включват не само фотона, но и неговите далечни аналози - глуони (спин 1). Глуоните са отговорни за взаимодействията между кварките и ги свързват в протон, неутрон и други съставни частици. Освен това има още три частици със спин-1 - електрически заредени W +, W - бозони и неутрален Z-бозон, които ще бъдат разгледани по-долу. Е, бозонът на Хигс, както вече споменахме, трябва да има нулев спин. Сега изброихме всички елементарни частици, открити в Стандартния модел.

Масивна частица със спин s (в единици ћ) има 2s + 1 състояния с различни спинови проекции върху дадена ос (спинът е вътрешен ъглов момент - вектор, така че концепцията за неговата проекция върху дадена ос има обичайното значение) . Например въртенето на електрон (s = 1/2) в неговата рамка на покой може да бъде насочено например нагоре (s 3 = +1/2) или надолу (s 3 = -1/2). Z бозонът има ненулева маса и спин s = 1, така че има три състояния с различни спинови проекции: s 3 = +1, 0 или -1. Ситуацията е съвсем различна при безмасовите частици. Тъй като те летят със скоростта на светлината, е невъзможно да се преместят в референтната система, където такава частица е в покой. Независимо от това, можем да говорим за неговата спираловидност - проекцията на въртенето върху посоката на движение. Така че, въпреки че спинът на фотона е равен на единица, има само две такива проекции - в посоката на движение и срещу нея. Това са дясната и лявата поляризация на светлината (фотоните). Третото състояние с проекция на нулев спин, което би трябвало да съществува, ако фотонът имаше маса, е забранено от дълбоката вътрешна симетрия на електродинамиката, самата симетрия, която води до запазване на електрическия заряд. Така тази вътрешна симетрия забранява съществуването на маса във фотона!

Има ли нещо грешно

Това, което ни интересува обаче, не са фотоните, а W±- и Z-бозоните. Тези частици, открити през 1983 г. в протон-антипротонния колайдер Spp̃S в ЦЕРН и предсказани много преди това от теоретиците, имат доста голяма маса: W ± бозонът има маса от 80 GeV (около 80 пъти по-тежък от протон), а Z бозонът има маса от 91 GeV. Свойствата на W ± - и Z-бозоните са добре известни главно благодарение на експериментите в електрон-позитронните колайдери LEP (CERN) и SLC (SLAC, САЩ) и протон-антипротонния колайдер Tevatron (Fermilab, САЩ): точността на измервания на редица величини, свързани с W ± - и Z-бозони, по-добри от 0,1%. Техните свойства, както и други частици, са перфектно описани от Стандартния модел. Това се отнася и за взаимодействията на W±- и Z-бозони с електрони, неутрино, кварки и други частици. Такива взаимодействия, между другото, се наричат ​​слаби. Изследвани са подробно; Един от отдавна известните примери за тяхното проявление са бета-разпадите на мюона, неутрона и ядрата.

Както вече споменахме, всеки от W ± - и Z-бозоните може да бъде в три спинови състояния, а не в две, като фотон. Те обаче взаимодействат с фермиони (неутрино, кварки, електрони и т.н.) по принцип по същия начин като фотоните. Например фотонът взаимодейства с електрическия заряд на електрона и електрическия ток, създаден от движещия се електрон. По същия начин Z-бозонът взаимодейства с определен електронен заряд и ток, който възниква при движението на електрона, само че този заряд и ток са неелектрични по природа. До една важна характеристика, която ще бъде обсъдена след малко, аналогията ще бъде пълна, ако освен електрическия заряд на електрона се припише и Z-заряд. И кварките, и неутриното имат свои собствени Z-заряди.

Аналогията с електродинамиката се простира още повече. Подобно на фотонната теория, теорията на W ± и Z бозоните има дълбока вътрешна симетрия, близка до тази, която води до закона за запазване на електрическия заряд. В пълна аналогия с фотона, той забранява на W±- и Z-бозоните да имат трета поляризация и следователно маса. Тук възниква несъответствието: забраната на симетрията върху масата на частица със спин-1 работи за фотон, но не работи за W ± - и Z-бозони!

Освен това. Слабите взаимодействия на електрони, неутрино, кварки и други частици с W ± - и Z-бозони възникват така, сякаш тези фермиони нямат маса! Броят на поляризациите няма нищо общо с това: както масивните, така и безмасовите фермиони имат две поляризации (посоки на въртене). Въпросът е как точно фермионите взаимодействат с W ± и Z бозоните.

За да обясним същността на проблема, нека първо изключим масата на електрона (на теория това е позволено) и разгледаме въображаем свят, в който масата на електрона е нула. В такъв свят електронът лети със скоростта на светлината и може да има въртене, насочено или в посоката на движение, или срещу него. Що се отнася до фотона, в първия случай има смисъл да се говори за електрон с дясна поляризация, или накратко, за десен електрон, във втория случай - за ляв.

Тъй като знаем добре как работят електромагнитните и слабите взаимодействия (и само електронът участва в тях), ние сме напълно способни да опишем свойствата на електрона в нашия въображаем свят. И те са такива.

Първо, в този свят десният и левият електрон са две напълно различни частици: десният електрон никога не се превръща в ляв и обратно. Това е забранено от закона за запазване на ъгловия импулс (в този случай спина) и взаимодействията на електрон с фотон и Z-бозон не променят поляризацията му. Второ, само левият електрон изпитва взаимодействието на електрона с W бозона, а десният изобщо не участва в него. Третата важна характеристика, която споменахме по-рано в тази картина, е, че Z-зарядите на левия и десния електрони са различни и левият електрон взаимодейства със Z бозона по-силно от десния. Мюонът, тау-лептонът и кварките имат подобни свойства.

Подчертаваме, че в един въображаем свят с безмасови фермиони няма проблем с факта, че левите и десните електрони взаимодействат с W- и Z-бозоните по различен начин и по-специално, че „левият“ и „десният“ Z-заряди са различни . В този свят левите и десните електрони са различни частици и това е краят: не ни изненадва, например, че електрон и неутрино имат различни електрически заряди: -1 и 0.

Като включим масата на електрона, веднага стигаме до противоречие. Бърз електрон, чиято скорост е близка до скоростта на светлината и чийто спин е насочен срещу посоката на движение, изглежда почти по същия начин като левия електрон от нашия въображаем свят. И трябва да си взаимодейства почти по същия начин. Ако взаимодействието му е свързано със Z-заряда, тогава стойността на неговия Z-заряд е „лява“, същата като тази на левия електрон от въображаемия свят. Въпреки това, скоростта на масивен електрон все още е по-малка от скоростта на светлината и винаги можете да превключите към референтна система, която се движи още по-бързо. В новата система посоката на движение на електроните ще бъде обърната, но посоката на въртене ще остане същата.

Проекцията на спина върху посоката на движение сега ще бъде положителна и такъв електрон ще изглежда като десен, а не като ляв. Съответно неговият Z-заряд трябва да е същият като този на десния електрон от въображаемия свят. Но това не може да бъде: стойността на таксата не трябва да зависи от референтната система. Има едно противоречие. Нека подчертаем, че стигнахме до него, като приемем, че Z-зарядът е запазен; Няма друг начин да се говори за значението му за дадена частица.

Това противоречие показва, че симетриите на Стандартния модел (за категоричност ще говорим за него, въпреки че всичко казано се отнася за всяка друга версия на теорията) трябва да забраняват съществуването на маси не само в W ± - и Z-бозоните, но и също във фермиони. Но какво общо има симетрията с това?

Въпреки факта, че те трябва да доведат до запазване на Z-заряда. Чрез измерване на Z-заряда на един електрон можем определено да кажем дали електронът е ляв или десен. А това е възможно само когато масата на електрона е нула.

Така в свят, в който всички симетрии на Стандартния модел биха били реализирани по същия начин, както в електродинамиката, всички елементарни частици биха имали нулеви маси. Но в реалния свят те имат маси, което означава, че нещо трябва да се случи със симетриите на Стандартния модел.

Нарушаване на симетрията

Говорейки за връзката на симетрията със законите и забраните за опазване, изпуснахме от поглед едно обстоятелство. Той се крие във факта, че законите за запазване и забраните за симетрия са изпълнени само когато симетрията е изрично налице. Въпреки това, симетриите също могат да бъдат нарушени. Например, в хомогенна проба от желязо при стайна температура може да има магнитно поле, насочено в някаква посока; тогава пробата е магнит. Ако в него живеят микроскопични същества, те щяха да открият, че не всички посоки на пространството са равни. Електрон, който лети през магнитно поле, се влияе от силата на Лоренц от магнитното поле, но електрон, който лети по него, не се влияе от силата. Електронът се движи по магнитно поле по права линия, през полето по кръг и в общия случай по спирала. Следователно магнитното поле вътре в пробата нарушава симетрията по отношение на ротациите в пространството. В това отношение законът за запазване на ъгловия импулс не е изпълнен вътре в магнита: когато един електрон се движи в спирала, проекцията на ъгловия импулс върху оста, перпендикулярна на магнитното поле, се променя с времето.

Тук имаме работа със спонтанно нарушаване на симетрията. При липса на външни влияния (например магнитното поле на Земята), в различни проби от желязо магнитното поле може да бъде насочено в различни посоки и никоя от тези посоки не е за предпочитане пред друга. Оригиналната симетрия по отношение на въртенето все още е налице и се проявява във факта, че магнитното поле в пробата може да бъде насочено навсякъде. Но след като се появи магнитното поле, се появи и предпочитана посока и симетрията вътре в магнита беше нарушена. На по-формално ниво уравненията, управляващи взаимодействието на железните атоми един с друг и с магнитно поле, са симетрични по отношение на въртенията в пространството, но състоянието на системата от тези атоми - желязната проба - е асиметрично. Това е феноменът на спонтанното нарушаване на симетрията. Имайте предвид, че тук говорим за най-изгодното състояние, което има най-малко енергия; Това състояние се нарича основно. Това е мястото, където желязната проба в крайна сметка ще попадне, дори ако първоначално е била немагнетизирана.

И така, спонтанно нарушаване на някаква симетрия възниква, когато уравненията на теорията са симетрични, но основното състояние не е. Думата „спонтанен“ се използва в този случай поради факта, че самата система, без наше участие, избира асиметрично състояние, тъй като именно това състояние е енергийно най-благоприятно. От горния пример става ясно, че ако симетрията е спонтанно нарушена, тогава законите за запазване и забраните, произтичащи от това, не работят; в нашия пример това се отнася до запазването на ъгловия момент. Нека подчертаем, че пълната симетрия на теорията може да бъде нарушена само частично: в нашия пример, извън пълната симетрия по отношение на всички ротации в пространството, симетрията по отношение на ротациите около посоката на магнитното поле остава ясна и ненарушена.

Микроскопичните същества, живеещи вътре в магнит, могат да си зададат въпроса: „В нашия свят не всички посоки са равни, ъгловият импулс не се запазва, но наистина ли пространството е асиметрично по отношение на ротациите?“ След като са изучавали движението на електроните и са изградили съответната теория (в случая електродинамика), те биха разбрали, че отговорът на този въпрос е отрицателен: уравненията му са симетрични, но тази симетрия се нарушава спонтанно поради „разпространението“ на магнитното поле навсякъде. Развивайки теорията по-нататък, те биха предвидили, че полето, отговорно за спонтанното нарушаване на симетрията, трябва да има свои собствени кванти, фотони. И след като построихме малък ускорител вътре в магнит, ще се радваме да видим, че тези кванти наистина съществуват - те се раждат при сблъсъци на електрони!

В общи линии ситуацията във физиката на елементарните частици е подобна на описаната. Но има и важни разлики. Първо, няма нужда да говорим за среда като кристална решетка от железни атоми. В природата състоянието с най-ниска енергия е вакуум (по дефиниция!). Това не означава, че във вакуум - основното състояние на природата - не може да има равномерно "разпръснати" полета, подобно на магнитното поле в нашия пример. Напротив, несъответствията, за които говорихме, показват, че симетриите на Стандартния модел (по-точно част от тях) трябва да бъдат спонтанно нарушени, а това предполага, че има някакво поле във вакуума, което осигурява това нарушение. Второ, не говорим за пространствено-времеви симетрии, както в нашия пример, а за вътрешни симетрии. Пространствено-времевите симетрии, напротив, не трябва да се нарушават поради наличието на поле във вакуум. От това следва важен извод: за разлика от магнитното поле, това поле не трябва да подчертава никаква посока в пространството (по-точно в пространство-времето, тъй като имаме работа с релативистка физика). Полета с това свойство се наричат ​​скаларни; те съответстват на частици със спин 0. Следователно полето, „разпръснато“ във вакуума и водещо до нарушаване на симетрията, трябва да е непознато досега и ново. Наистина, известните полета, които споменахме изрично или имплицитно по-горе - електромагнитното поле, полетата на W ± - и Z-бозоните, глуоните - съответстват на частици със спин 1. Такива полета подчертават посоките в пространство-времето и се наричат ​​векторни, и се нуждаем от скаларно поле. Полета, съответстващи на фермиони (спин 1/2), също не са подходящи. Трето, новото поле не трябва напълно да нарушава симетриите на Стандартния модел; вътрешната симетрия на електродинамиката трябва да остане ненарушена. И накрая, и това е най-важното, взаимодействието на новото поле, „разпръснато“ във вакуум, с W±- и Z-бозони, електрони и други фермиони трябва да доведе до появата на маси в тези частици.

Механизмът за генериране на маси от частици със спин-1 (в природата това са W ± - и Z-бозони) поради спонтанно нарушаване на симетрията е предложен в контекста на физиката на елементарните частици от брюкселските теоретици Франсоа Енглерт и Робърт Браут през 1964 г. и малко по-късно от единбургския физик Питър Хигс.

Изследователите разчитат на идеята за спонтанно нарушаване на симетрията (но в теории без векторни полета, т.е. без частици със спин 1), която е въведена през 1960-1961 г. в трудовете на J. Nambu, който заедно с J. Jona -Ласинио, В. Г. Вакс и А. И. Ларкин, Дж. Голдстоун (Йоичиро Намбу получи Нобелова награда за тази работа през 2008 г.). За разлика от предишните автори, Енглер, Браут и Хигс разглеждат теория (по това време спекулативна), която включва както скаларно (спин 0), така и векторно поле (спин 1). Тази теория има вътрешна симетрия, доста подобна на симетрията на електродинамиката, което води до запазване на електрическия заряд и до забрана на масата на фотона. Но за разлика от електродинамиката, вътрешната симетрия се нарушава спонтанно от равномерно скаларно поле, присъстващо във вакуум. Забележителен резултат на Енглер, Браут и Хигс беше демонстрацията на факта, че това нарушение на симетрията автоматично води до появата на маса в частица със спин 1 - квант на векторното поле!

Едно доста просто обобщение на механизма на Енглер-Браут-Хигс, свързано с включването в теорията на фермионите и тяхното взаимодействие с нарушаващо симетрията скаларно поле, води до появата на маса във фермионите. Всичко започва да си идва на мястото! Стандартният модел се получава като допълнително обобщение. Вече съдържа не едно, а няколко векторни полета - фотони, W ± - и Z-бозони (глуоните са отделна история, нямат нищо общо с механизма на Енглер-Браут-Хигс) и различни видове фермиони. Последната стъпка всъщност е доста нетривиална; Стивън Уайнбърг, Шелдън Глашоу и Абдус Салам получават Нобелова награда през 1979 г. за формулиране на пълна теория за слаби и електромагнитни взаимодействия.

Да се ​​върнем в 1964 г. За да анализират своята теория, Енглер и Браут използваха подход, който е доста сложен според днешните стандарти. Вероятно това е причината, поради която те не са забелязали, че наред с масивна частица със спин-1, теорията предсказва съществуването на друга частица - бозон със спин 0. Но Хигс забеляза и сега тази нова безспинова частица често се нарича Хигс бозон . Както вече беше отбелязано, тази терминология не е напълно правилна: Енглер и Браут първи предложиха използването на скаларно поле за спонтанно нарушаване на симетрията и генериране на маси от частици със спин-1. Без да навлизаме в повече терминология, подчертаваме, че новият бозон с нулев спин служи като квант на самото скаларно поле, което нарушава симетрията. И в това е неговата уникалност.

Тук трябва да се направи едно уточнение. Нека повторим, че ако нямаше спонтанно нарушаване на симетрията, тогава W ± и Z бозоните биха били безмасови. Всеки от трите бозона W +, W -, Z би имал, подобно на фотона, две поляризации. Като цяло, като се има предвид, че частиците с различна поляризация са неравни, ще имаме 2 × 3 = 6 вида W ± - и Z-бозони. В Стандартния модел бозоните W ± и Z са масивни, всеки от тях има три спинови състояния, тоест три поляризации, за общо 3 × 3 = 9 вида частици - кванти на полетата W ±, Z. Възниква въпросът откъде са дошли трите „допълнителни” вида количества? Факт е, че стандартният модел трябва да има не едно, а четири скаларни полета на Енглер-Браут-Хигс. Квантът на един от тях е бозонът на Хигс. А квантите на останалите три, в резултат на спонтанно нарушаване на симетрията, се превръщат в трите „допълнителни“ кванта, присъстващи в масивните W ± - и Z-бозони. Те са открити отдавна, тъй като е известно, че W ± - и Z-бозоните имат маса: трите „допълнителни“ спинови състояния на W + -, W - и Z-бозоните са това, което са.

Тази аритметика, между другото, е в съответствие с факта, че и четирите полета на Енглер-Браут-Хигс са скаларни, техните кванти имат нулев спин. Безмасовите W ± - и Z-бозони биха имали спинови проекции върху посоката на движение, равни на -1 и +1. За масивни W ± - и Z-бозони тези прогнози приемат стойности -1, 0 и +1, т.е. „допълнителните“ кванти имат нулева проекция. Трите полета на Енглер-Браут-Хигс, от които се получават тези „допълнителни“ кванти, също имат нулева спинова проекция върху посоката на движение, просто защото техният спинов вектор е нула. Всичко си пасва.

И така, бозонът на Хигс е квант на едно от четирите скаларни полета на Енглер-Браут-Хигс в Стандартния модел. Останалите три са изядени от (научен термин!) W ± - и Z-бозони, превръщайки се в техните трети, липсващи спинови състояния.

Наистина ли е необходим нов бозон?

Най-удивителното в тази история е, че днес разбираме: механизмът на Енглер-Браут-Хигс в никакъв случай не е единственият възможен механизъм за нарушаване на симетрията във физиката на микросвета и генериране на маси от елементарни частици, а бозонът на Хигс може и да не съществуват. Например във физиката на кондензираната материя (течности, твърди тела) има много примери за спонтанно нарушаване на симетрията и различни механизми за това нарушаване. И в повечето случаи в тях няма нищо подобно на Хигс бозона.

Най-близкият твърдотелен аналог на спонтанното нарушаване на симетрията на Стандартния модел във вакуум е спонтанното нарушаване на вътрешната симетрия на електродинамиката в дебелината на свръхпроводника. Това води до факта, че в свръхпроводника фотонът в известен смисъл има маса (както W ± - и Z-бозоните във вакуум). Това се проявява в ефекта на Майснер - изтласкване на магнитно поле от свръхпроводник. Фотонът „не иска“ да проникне вътре в свръхпроводника, където става масивен: там му е „трудно“, енергийно неизгодно е да бъде там (запомнете: E = mс 2). Магнитното поле, което донякъде условно може да се счита за набор от фотони, има същото свойство: то не прониква в свръхпроводника. Това е ефектът на Майснер.

Ефективната теория на Гинзбург-Ландау за свръхпроводимостта е изключително подобна на теорията на Енглер-Браут-Хигс (по-точно, напротив: теорията на Гинзбург-Ландау е с 14 години по-стара). Той също така съдържа скаларно поле, което е равномерно „разпространено“ в целия свръхпроводник и води до спонтанно нарушаване на симетрията. Но не напразно теорията на Гинзбург-Ландау се нарича ефективна: тя улавя, образно казано, външната страна на явлението, но е напълно недостатъчна за разбиране на фундаменталните, микроскопични причини за възникването на свръхпроводимостта. Всъщност в свръхпроводника няма скаларно поле, той съдържа електрони и кристална решетка, а свръхпроводимостта се дължи на специалните свойства на основното състояние на електронната система, възникващи поради взаимодействието между тях (виж „Наука и живот“ ” № 2, 2004 г., статия „ “. - Ред.).

Може ли подобна картина да се случи и в микрокосмоса? Ще се окаже ли, че във вакуума няма "разпръснато" фундаментално скаларно поле, а спонтанното нарушаване на симетрията е причинено от съвсем други причини? Ако разсъждаваме чисто теоретично и не обръщаме внимание на експериментални факти, то отговорът на този въпрос е положителен. Добър пример е т. нар. technicolor модел, предложен през 1979 г. от вече споменатия Стивън Уайнбърг и – независимо – Леонард Съскинд.

Той не съдържа нито фундаментални скаларни полета, нито бозона на Хигс, но вместо това има много нови елементарни частици, които наподобяват кварките по своите свойства. Взаимодействието между тях води до спонтанно нарушаване на симетрията и генериране на маси на W±- и Z-бозони. С масите на познатите фермиони, например електрона, ситуацията е по-лоша, но този проблем също може да бъде решен чрез усложняване на теорията.

Внимателният читател може да зададе въпроса: „Ами аргументите от предишната глава, които казват, че скаларното поле трябва да наруши симетрията?“ Пропускът тук е, че това скаларно поле може да бъде съставно, в смисъл, че съответните квантови частици не са елементарни, а се състоят от други, „наистина“ елементарни частици.

Нека си припомним в тази връзка квантово-механичната зависимост на неопределеността на Хайзенберг Δх ×Δр ≥ ћ, където Δх и Δр са неопределеността съответно на координатата и импулса. Едно от неговите проявления е, че структурата на композитни обекти с характерен вътрешен размер Δх се появява само в процеси, в които участват частици с достатъчно големи моменти р ≥ћ/Δх, а следователно и с достатъчно високи енергии. Тук е уместно да си припомним Ръдърфорд, който бомбардира атомите с електрони с висока енергия по онова време и така установи, че атомите се състоят от ядра и електрони. Гледайки атомите през микроскоп, дори и с най-модерната оптика (т.е. използвайки светлина - нискоенергийни фотони), е невъзможно да открием, че атомите са съставни, а не елементарни точкови частици: няма достатъчно разделителна способност.

И така, при ниски енергии съставната частица изглежда като елементарна частица. За да се опишат ефективно такива частици при ниски енергии, те могат да се считат за кванти на някакво поле. Ако спинът на съставна частица е нула, тогава това поле е скаларно.

Подобна ситуация се реализира, например, във физиката на π-мезоните, частици със спин 0. До средата на 60-те години не беше известно, че те се състоят от кварки и антикварки (кварковият състав на π + -, π - - и π 0 -мезони - това са съответно ud̃, dũ и комбинация от uũ и dd̃).

Тогава π-мезоните бяха описани с елементарни скаларни полета. Сега знаем, че тези частици са съставни, но „старата“ теория на полето на π мезоните остава валидна, тъй като се разглеждат процеси при ниски енергии. Едва при енергии от порядъка на 1 GeV и по-високи започва да се проявява тяхната кваркова структура и теорията спира да работи. Енергийният мащаб от 1 GeV не се появи тук случайно: това е мащабът на силните взаимодействия, които свързват кварките в π-мезони, протони, неутрони и т.н., това е мащабът на масите на силно взаимодействащи частици, например протон. Обърнете внимание, че самите π-мезони се отличават: по причина, която няма да говорим тук, те имат много по-малки маси: m π± = 140 MeV, m π0 = 135 MeV.

Така че скаларните полета, отговорни за спонтанното нарушаване на симетрията, по принцип могат да бъдат съставни. Точно това е ситуацията, предложена от модела technicolor. В този случай три безспинови кванта, които се поглъщат от W ± - и Z-бозони и се превръщат в техните липсващи спинови състояния, имат близка аналогия с π + -, π - - и π 0 -мезони. Само че съответната енергийна скала вече не е 1 GeV, а няколко TeV. В такава картина се очаква съществуването на много нови съставни частици - аналози на протона, неутрона и др. — с маси от порядъка на няколко TeV. Напротив, относително лекият бозон на Хигс в него отсъства. Друга особеност на модела е, че W ± и Z бозоните в него са частично съставни частици, тъй като, както казахме, някои от техните компоненти са подобни на π мезони. Това трябва да се прояви във взаимодействията на W ± и Z бозоните.

Последното обстоятелство доведе до отхвърлянето на technicolor модела (поне в първоначалната му формулировка) много преди откриването на новия бозон: прецизните измервания на свойствата на W ± и Z бозоните при LEP и SLC не съвпадат с прогнозите на модела.

Тази красива теория беше смазана от упорити експериментални факти и откриването на Хигс бозона й сложи край. Въпреки това за мен, както и за редица други теоретици, идеята за съставни скаларни полета е по-привлекателна от теорията на Енглер-Браут-Хигс с елементарни скаларни полета. Разбира се, след откриването на нов бозон в CERN, идеята за композитността се оказа в още по-трудно положение от преди: ако тази частица е съставна, тя трябва доста успешно да имитира елементарния бозон на Хигс. И все пак нека изчакаме и да видим какви експерименти в LHC ще покажат, на първо място, по-точни измервания на свойствата на новия бозон.

Откритието е направено. Какво следва?

Да се ​​върнем, като работна хипотеза, към минималната версия на теорията – Стандартния модел с един елементарен бозон на Хигс. Тъй като в тази теория полето на Енглер-Браут-Хигс (по-точно полетата) дава масите на всички елементарни частици, взаимодействието на всяка от тези частици с бозона на Хигс е строго фиксирано. Колкото по-голяма е масата на частицата, толкова по-силно е взаимодействието; Колкото по-силно е взаимодействието, толкова по-вероятно е Хигс бозонът да се разпадне на двойка частици от даден тип. Разпадането на бозона на Хигс на двойки реални частици tt̃, ZZ и W+W- е забранено от закона за запазване на енергията. Това изисква сумата от масите на продуктите на разпадане да бъде по-малка от масата на разпадащата се частица (отново помнете E = mc 2), а за нас, припомнете си, m n ≈ 125 GeV, m t = 173 GeV, m z = 91 GeV и m w = 80 GeV. Следващата по големина маса е b кваркът с m b = 4 GeV и затова, както казахме, Хигс бозонът най-лесно се разпада на bb̃ двойка. Интересно е и разпадането на бозона на Хигс в двойка доста тежки τ-лептони H → τ + τ - (m τ = 1,8 GeV), което се случва с вероятност от 6%. Разпадът H → μ + μ - (m µ = 106 MeV) трябва да се случи с още по-малка, но все още неизчезваща вероятност от 0,02%. В допълнение към разпадите, обсъдени по-горе, H → γγ; H → 4ℓ и H → 2ℓ2ν, отбелязваме разпадането H → Zγ, чиято вероятност трябва да бъде 0,15%. Всички тези вероятности ще бъдат измерими в LHC и всяко отклонение от тези прогнози ще означава, че нашата работна хипотеза, Стандартният модел, е неправилна. Обратно, съгласието с прогнозите на Стандартния модел ще ни убеждава все повече и повече в неговата валидност.

Същото може да се каже и за създаването на бозона на Хигс при сблъсъци на протони. Хигс бозонът може да бъде произведен самостоятелно от взаимодействието на два глуона, заедно с двойка високоенергийни леки кварки, заедно с единичен W или Z бозон или, накрая, заедно с tt̃ двойка. Частиците, произведени заедно с бозона на Хигс, могат да бъдат открити и идентифицирани, така че различните механизми на производство могат да бъдат изучавани отделно в LHC. По този начин е възможно да се извлече информация за взаимодействието на бозона на Хигс с W ± -, Z-бозони и t-кварк.

И накрая, важно свойство на Хигс бозона е неговото взаимодействие със самия себе си. Тя трябва да се прояви в процеса Н* → НН, където Н* е виртуална частица. Свойствата на това взаимодействие също са ясно предвидени от Стандартния модел. Проучването му обаче е въпрос на далечно бъдеще.

И така, LHC има обширна програма за изследване на взаимодействията на новия бозон. В резултат на прилагането му ще стане повече или по-малко ясно дали Стандартният модел описва природата или имаме работа с друга, по-сложна (а може би и по-проста) теория. По-нататъшният напредък е свързан със значително повишаване на точността на измерване; ще изисква изграждането на нов електрон-позитронен ускорител - e + e - колайдер с рекордна енергия за този тип машини. Много е възможно по този път да ни очакват много изненади.

Вместо заключение: в търсене на „нова физика“

От „техническа“ гледна точка стандартният модел е вътрешно последователен. Тоест, в неговата рамка е възможно - поне по принцип и като правило на практика - да се изчисли всяко физическо количество (разбира се, свързано с явленията, които е предназначено да опише), и резултатът няма да съдържа несигурности. Въпреки това много, макар и не всички, теоретици смятат състоянието на Стандартния модел, меко казано, за не напълно задоволително. И това се дължи преди всичко на неговия енергиен мащаб.

Както става ясно от предишното, енергийният мащаб на Стандартния модел е от порядъка на M cm = 100 GeV (тук не говорим за силни взаимодействия с мащаб от 1 GeV, с него всичко е по-просто). Това е мащабът на масата на бозоните W ± и Z и бозона на Хигс. Много ли е или малко? От експериментална гледна точка - почти, но от теоретична гледна точка...

Във физиката има друга енергийна скала. Тя е свързана с гравитацията и е равна на масата на Планк M pl = 10 19 GeV. При ниски енергии гравитационните взаимодействия между частиците са незначителни, но се увеличават с увеличаване на енергията, а при енергии от порядъка на M pl гравитацията става силна. Енергиите над M pl са областта на квантовата гравитация, каквото и да е това. За нас е важно, че гравитацията е може би най-фундаменталното взаимодействие и гравитационната скала M pl е най-фундаменталната енергийна скала. Защо тогава скалата на стандартния модел Mcm = 100 GeV е толкова далеч от Mpl = 1019 GeV?

Установеният проблем има и друг, по-фин аспект. Свързва се със свойствата на физическия вакуум. В квантовата теория вакуумът - основното състояние на природата - е структуриран по много нетривиален начин. В него непрекъснато се създават и унищожават виртуални частици; с други думи, флуктуациите на полето се формират и изчезват. Ние не можем директно да наблюдаваме тези процеси, но те влияят върху наблюдаваните свойства на елементарни частици, атоми и т.н. Например взаимодействието на електрон в атом с виртуални електрони и фотони води до явление, наблюдавано в атомните спектри - отместването на Ламб. Друг пример: корекцията на магнитния момент на електрон или мюон (аномален магнитен момент) също се дължи на взаимодействие с виртуални частици. Тези и подобни ефекти са изчислени и измерени (в тези случаи с фантастична точност!), така че да сме сигурни, че имаме правилната картина на физическия вакуум.

В тази картина всички параметри, първоначално включени в теорията, получават корекции, наречени радиационни, поради взаимодействие с виртуални частици. В квантовата електродинамика те са малки, но в сектора на Енглер-Браут-Хигс са огромни. Това е особеността на елементарните скаларни полета, които изграждат този сектор; други полета нямат това свойство. Основният ефект тук е, че радиационните корекции са склонни да „издърпват“ енергийната скала на Стандартния модел M cm към гравитационната скала M pl. Ако останем в рамките на Стандартния модел, тогава единственият изход е да подберем първоначалните параметри на теорията така, че заедно с радиационните корекции да водят до правилната стойност на M cm.Оказва се обаче, че точността на пасването трябва да е близо до M cm 2 /M pl 2 = 10 -34! Това е вторият аспект на проблема с енергийната скала на стандартния модел: изглежда неправдоподобно подобно съвпадение да се среща в природата.

Много (въпреки че, повтаряме, не всички) теоретици смятат, че този проблем ясно показва необходимостта да се отиде отвъд стандартния модел. Наистина, ако Стандартният модел спре да работи или се разшири значително в енергийната скала на „новата физика - NF“ M nf, тогава изискваната точност на напасване на параметрите ще бъде, грубо казано, M 2 cm / M 2 nf, но всъщност то е с около два порядъка по-малко. Ако приемем, че в природата няма фина настройка на параметрите, тогава мащабът на „новата физика“ трябва да се намира в района на 1-2 TeV, тоест точно в областта, достъпна за изследване на Големия адронен колайдер!

Каква би могла да бъде една „нова физика“? По този въпрос няма единство сред теоретиците. Една възможност е комбинираната природа на скаларните полета, които осигуряват спонтанното нарушаване на симетрията, което вече беше обсъдено. Друга, също популярна (засега?) възможност е суперсиметрията, за която ще кажем само, че предсказва цяла зоологическа градина от нови частици с маси от порядъка на стотици GeV - няколко TeV. Обсъждат се и много екзотични варианти като допълнителни измерения на пространството (например т.нар. М-теория – виж “Наука и живот” № 2, 3, 1997 г., статия “Суперструните: по пътя към теорията” на всичко.” – Ред. .).

Въпреки всички усилия, все още не са получени експериментални индикации за „нова физика“. Това всъщност вече започва да буди безпокойство: разбираме ли всичко правилно? Напълно възможно е обаче все още да не сме достигнали „новата физика“ по отношение на енергията и обема на събраните данни и с нея да бъдат свързани нови, революционни открития. Основните надежди тук отново се възлагат на Големия адронен колайдер, който след година и половина ще заработи на пълна енергия от 13-14 TeV и бързо ще събира данни. Следете новините!

Прецизни машини за измерване и откриване

Физиката на елементарните частици, която изучава най-малките обекти в природата, изисква гигантски изследователски съоръжения, където тези частици се ускоряват, сблъскват и разпадат. Най-мощните от тях са колайдери.

ускорителе ускорител със сблъскващи се лъчи от частици, в който частиците се сблъскват челно, например електрони и позитрони в e + e - колайдери. Досега също са създадени протон-антипротонни, протон-протонни, електрон-протонни и ядро-ядрен (или тежък йон) колайдери. Други възможности, например μ + μ - - колайдер, все още се обсъждат. Основните колайдери за физиката на елементарните частици са протон-антипротон, протон-протон и електрон-позитрон.

Голям адронен колайдер (LHC)- протон-протон, ускорява два снопа протони един към друг (може да работи и като ускорител на тежки йони). Проектната енергия на протоните във всеки лъч е 7 TeV, така че общата енергия на сблъсък е 14 TeV. През 2011 г. колайдерът работеше с половината от тази енергия, а през 2012 г. с пълна енергия от 8 TeV. Големият адронен колайдер е пръстен с дължина 27 км, в който протоните се ускоряват от електрически полета и се задържат от полета, създадени от свръхпроводящи магнити. Протонните сблъсъци се случват на четири места, където са разположени детектори за запис на частиците, произведени при сблъсъците. ATLAS и CMS са предназначени за изследвания във физиката на частиците с висока енергия; LHC-b е за изучаване на частици, които съдържат b-кварки, а ALICE е за изучаване на гореща и плътна кварк-глуонна материя.

Spp̃S- протон-антипротонен колайдер в CERN. Дължината на пръстена е 6,9 км, максималната енергия на сблъсък е 630 GeV. Работи от 1981 до 1990 г.

LEP- пръстенов електрон-позитронен колайдер с максимална енергия на сблъсък 209 GeV, разположен в същия тунел като LHC. Работи от 1989 до 2000 г.

SLC— линеен електрон-позитронен колайдер в SLAC, САЩ. Енергия на сблъсък 91 GeV (маса на Z-бозон). Работи от 1989 до 1998 г.

Tevatron е пръстеновиден протон-антипротонен колайдер във Fermilab, САЩ. Дължината на пръстена е 6 км, максималната енергия на сблъсък е 2 TeV. Работи от 1987 до 2011 г.

Когато сравнявате протон-протонни и протон-антипротонни ускорители с електрон-позитронни ускорители, трябва да имате предвид, че протонът е съставна частица; съдържа кварки и глуони. Всеки от тези кварки и глуони носи само част от енергията на протона. Следователно в Големия адронен колайдер, например, енергията на елементарен сблъсък (между два кварка, между два глуона или кварк с глуон) е значително по-ниска от общата енергия на сблъскващи се протони (14 TeV при проектни параметри) . Поради това енергийният диапазон, достъпен за изследване върху него, достига „само“ 2-4 TeV, в зависимост от процеса, който се изучава. Електронно-позитронните колайдери нямат такава характеристика: електронът е елементарна безструктурна частица.

Предимството на протон-протонните (и протон-антипротонните) колайдери е, че дори като се вземе предвид тази характеристика, технически е по-лесно да се постигнат високи енергии на сблъсък с тях, отколкото с електрон-позитронни колайдери. Има и минус. Поради композитната структура на протона и тъй като кварките и глуоните взаимодействат помежду си много по-силно от електроните и позитроните, много повече събития се случват при сблъсъци на протони, които не са интересни от гледна точка на търсенето на бозона на Хигс или други нови частици и явления. Интересните събития изглеждат по-„мръсни“ при сблъсъци на протони, в тях се раждат много „странни“, безинтересни частици. Всичко това създава „шум“, от който е по-трудно да се изолира полезен сигнал, отколкото при електрон-позитронните колайдери. Съответно точността на измерване е по-ниска. Поради всичко това протон-протонните (и протон-антипротонните) колайдери се наричат ​​машини за откриване, а електрон-позитронните колайдери се наричат ​​машини за прецизно измерване.

Стандартно отклонение(стандартно отклонение) σ x - характеристика на случайните отклонения на измерената стойност от средната стойност. Вероятността измерената стойност на X произволно да се различава с 5σ x от истинската стойност е само 0,00006%. Ето защо във физиката на елементарните частици отклонение на сигнала от фона с 5σ се счита за достатъчно, за да се разпознае сигналът като верен.

частици, изброени в Стандартния модел, с изключение на протона, електрона, неутриното и техните античастици, са нестабилни: те се разпадат на други частици. Въпреки това, два от трите вида неутрино също трябва да са нестабилни, но животът им е изключително дълъг. Във физиката на микросвета има един принцип: всичко, което може да се случи, наистина се случва. Следователно стабилността на една частица е свързана с някакъв вид закон за запазване. На електрона и позитрона е забранено да се разпадат от закона за запазване на заряда. Най-лекото неутрино (спин 1/2) не се разпада поради запазването на ъгловия момент. Разпадането на протона е забранено от закона за запазване на друг „заряд“, който се нарича барионно число (барионното число на протона по дефиниция е 1, а това на по-леките частици е нула).

Друга вътрешна симетрия е свързана с барионното число. Дали е точен или приблизителен, дали протонът е стабилен или има краен, макар и много дълъг живот, е тема за отделна дискусия.

Кварки- един от видовете елементарни частици. В свободно състояние те не се наблюдават, но винаги са свързани помежду си и образуват съставни частици - адрони. Единственото изключение е t-кваркът; той се разпада, преди да има време да се комбинира с други кварки или антикварки в адрон. Адроните включват протон, неутрон, π-мезони, K-мезони и др.

b кваркът е един от шестте вида кварки, вторият по маса след t кварка.

Мюонът е тежък нестабилен аналог на електрон с маса m μ = 106 MeV. Времето на живот на мюона T μ = 2·10 -6 секунди е достатъчно дълго, за да премине през целия детектор, без да се разпада.

Виртуална частицасе различава от реалния по това, че за реална частица обичайната релативистична връзка между енергия и импулс E 2 = p 2 s 2 + m 2 s 4 е изпълнена, но за виртуална не е изпълнена. Това е възможно благодарение на квантово-механичната връзка ΔE·Δt ~ ħ между енергийната несигурност ΔE и продължителността на процеса Δt. Следователно една виртуална частица почти моментално се разпада или анихилира с друга (нейният живот Δt е много кратък), докато реалната частица живее значително по-дълго или като цяло е стабилна.

Смяна на нивото на агнешко- леко отклонение на фината структура на нивата на водороден атом и водородоподобни атоми под въздействието на излъчването и поглъщането на виртуални фотони или виртуалното създаване и унищожаване на двойки електрон-позитрон. Ефектът е открит през 1947 г. от американските физици У. Ламб и Р. Ръдърфорд.

Останала неуловима дълго време, така наречената Божия частица най-накрая е уловена. Бозонът на Хигс беше липсващото парче от пъзела, наречен Стандартен модел. Учените смятат, че този бозон е отговорен за масата на частиците. По-специално, Големият адронен колайдер е построен специално за търсене на бозона на Хигс, който се справи с основната си задача. Но пред учените възникнаха нови мистерии: наистина ли има един бозон на Хигс? Освен това откриването на този бозон по никакъв начин не обяснява парадоксалното съществуване на тъмната материя, което напоследък все повече занимава физиците.

Физиците най-накрая видяха как фундаментална частица, открита за първи път в Големия адронен колайдер, се разпада на два красиви кварка, екзотични, краткотрайни частици, които често се появяват след сблъсъци на високоенергийни частици. Успяхме да наблюдаваме този неуловим процес едва сега, за първи път от шест години след откриването на Хигс бозона. Учените от два LHC експеримента, ATLAS и CMS, докладваха резултатите си едновременно на семинар, проведен в CERN на 28 август.

Една от най-големите мистерии на физиката може да бъде разрешена от "подобно на матрак" аксионно поле, което прониква в пространството и времето. Трима физици, които си сътрудничат в района на залива на Сан Франциско през последните три години, са разработили ново решение на въпрос, който вълнува тяхната научна област повече от 30 години. Дори ученик в прогимназията може да формулира тази дълбока мистерия, която задвижи експерименти в най-мощните ускорители на частици и породи противоречиви хипотези за мултивселената: как магнит повдига кламер срещу гравитационното привличане на цялата планета.