С прости думи, бозонът на Хигс е най-скъпата частица на всички времена. Ако например една вакуумна тръба и няколко брилянтни умове бяха достатъчни, за да открият електрона, търсенето на бозона на Хигс изискваше създаването на експериментална енергия, която рядко се среща на Земята. Големият адронен колайдер не се нуждае от представяне, тъй като е един от най-известните и успешни научни експерименти, но неговата профилна частица, както и преди, е обвита в мистерия за по-голямата част от населението. Тя е наречена Божествена частица, но благодарение на усилията на буквално хиляди учени, ние вече не трябва да приемаме нейното съществуване с вяра.
Последно неизвестно
Какво е бозонът на Хигс и какво е значението на неговото откриване? 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. Нейното откритие означава, че цяло поколение научни публикации не са били напразни. Второ, този бозон придава на други частици тяхната маса, което му придава специално значение и някаква „магия“. Склонни сме да мислим замасата като присъщо свойство на нещата, но физиците смятат друго. Казано по-просто, бозонът на Хигс е частица, без която маса по принцип не съществува.
Още едно поле
Причината се крие в така нареченото поле на Хигс. Описан е още преди бозона на Хигс, тъй като физиците са го изчислили за нуждите на собствените си теории и наблюдения, което изисква наличието на ново поле, чието действие да се разпростре върху цялата Вселена. Подсилването на хипотези чрез изобретяване на нови компоненти на Вселената е опасно. В миналото, например, това доведе до създаването на теорията за етера. Но колкото повече математически изчисления бяха направени, толкова повече физиците разбираха, че полето на Хигс трябва да съществува в действителност. Единственият проблем беше липсата на практически средства за наблюдението му.
В Стандартния модел на физиката елементарните частици придобиват маса чрез механизъм, базиран на съществуването на полето на Хигс, което прониква в цялото пространство. Той създава бозони на Хигс, които изискват много енергия и това е основната причина, поради която учените се нуждаят от съвременни ускорители на частици, за да провеждат високоенергийни експерименти.
Откъде идва масата?
Силата на слабите ядрени взаимодействия бързо намалява с увеличаване на разстоянието. Според квантовата теория на полето това означава, че частиците, които участват в неговото създаване - W- и Z-бозоните - трябва да имат маса, за разлика от глуоните и фотоните, които нямат маса.
Проблемът е, че калибровките 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 както се очаква. При ниски енергии полето причинява нарушаване на симетрията, което позволява на елементите да имат маса.
Какво е бозонът на Хигс?
Полето на Хигс произвежда частици, наречени Хигс бозони. Тяхната маса не е посочена теоретично, но в резултат на експеримента е установено, че тя е равна на 125 GeV. С прости думи, бозонът на Хигс окончателно потвърди стандартния модел със своето съществуване.
Механизмът, полето и бозонът носят името на шотландския учен Питър Хигс. Въпреки че той не беше първият, който предложи тези концепции, но, както често се случва във физиката, той просто беше този, на когото те бяха кръстени.
Нарушена симетрия
Полето на Хигс се смяташе за отговорно за факта, че частиците, които не трябва да имат маса, го правят. Това е универсална среда, която придава на безмасовите частици различни маси. Такова нарушение на симетрията се обяснява по аналогия със светлината - всички дължини на вълната се движат във вакуум с еднаква скорост, докато в призма всяка дължина на вълната може да се различи. Това, разбира се, е неправилна аналогия, тъй като бялата светлина съдържа всички дължини на вълната, но примерът показва каксъздаването на маса от полето на Хигс изглежда се дължи на нарушаване на симетрията. Призмата нарушава симетрията на скоростта на различни дължини на светлината, като ги разделя, а полето на Хигс се смята, че нарушава симетрията на масите 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, работата му ще изисква наличието на подходящ носител със свойства, благодарение на които то може да бъде наблюдавано. Предполагаше се, че тази частица принадлежи на бозони. С прости думи, бозонът на Хигс е така наречената носеща сила, същата като фотоните, които са носители на електромагнитното поле на Вселената. Фотоните в известен смисъл са неговите локални възбуждения, точно както Хигс бозонът е локално възбуждане на неговото поле. Доказването на съществуването на частица със свойствата, очаквани от физиците, всъщност беше равносилно на пряко доказване на съществуването на поле.
Експеримент
Много години на планиране позволиха на Големия адронен колайдер (LHC) да се превърне в доказателство за потенциално опровергаване на теорията за бозона на Хигс. 27-километров пръстен от свръхмощни електромагнити може да ускори заредените частици до значителни части от скоростта на светлината, причинявайки сблъсъци, достатъчно силни, за да ги разделят на техните компоненти, както и да деформира пространството около точката на удара. Според изчисленията при енергия на сблъсък с достатъчно високо ниво е възможно да се зареди бозон, така че да се разпадне и това може да бъдеще гледам. Тази енергия беше толкова голяма, че някои дори изпаднаха в паника и предсказаха края на света, а фантазията на други стигна толкова далеч, че откриването на Хигс бозона беше описано като възможност да се погледне в алтернативно измерение.
Окончателно потвърждение
Изглежда, че първоначалните наблюдения всъщност опровергаха предсказанията и не можеше да се намери никакъв признак на 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 голямата картина и на 14 март 2013 г. ЦЕРН официално обяви потвърждението 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, учени, работещи в Големия адронен колайдер, успяха да го потвърдят. От една страна, това беше огромна победа за науката, а от друга страна, много учени бяха разочаровани. Ако някой се е надявал, че бозонът на Хигс ще бъде частицата, която ще доведе до странни и прекрасни области отвъд Стандартния модел – суперсиметрия, тъмна материя, тъмна енергия – тогава, за съжаление, това не е така.
Изследване, публикувано в Nature Physics, потвърди разпадането във фермиони. Стандартният модел предсказва, че с прости думи, бозонътХигс е частицата, която дава масата на фермионите. Детекторът на CMS колайдера най-накрая потвърди тяхното разпадане във фермиони - кварки и тау лептони.
Хигс бозон с прости думи: какво е това?
Това изследване най-накрая потвърди, че това е Хигс бозонът, предсказан от Стандартния модел на физиката на елементарните частици. Той се намира в областта на масата и енергията 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 Хигс бозонът, с прости думи, е частица, която дава маса на всичко.
Разочарован от поведението по подразбиране на новоотворен елемент. Ако разпадът му беше дори малко по-различен, той би бил свързан по различен начин с фермионите и ще се появят нови пътища за изследване. От друга страна, това означава, че не сме се преместили нито една стъпка отвъд Стандартния модел, който не отчита гравитацията, тъмната енергия, тъмната материя и други странни явления на реалността.
Сега може само да се гадае какво ги е причинило. Най-популярната теория е суперсиметрията, която гласи, че всяка частица в Стандартния модел има невероятно тежък суперпартньор (по този начин съставлява 23% от Вселената - тъмна материя). Надграждането на колайдера, удвояване на неговата енергия на сблъсък до 13 TeV, вероятно ще направи възможно откриването на тези суперчастици. В противен случай суперсиметрията ще трябва да изчака изграждането на по-мощен наследник на LHC.
Допълнителни перспективи
И така, каква ще бъде физиката след бозона на Хигс? LHC наскоро възобнови работата си със значителни подобрения и е в състояние да види всичко от антиматерия до тъмна енергия. Смята се, че тъмната материя взаимодейства с обикновената материя 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 не може да обясни ефектите на гравитацията – такъв модел може да се нарече Голяма обединена теория – и някои смятат, че частицата и полето на Хигс могат да бъдат мостът, който физиците толкова отчаяно искат да намерят.
Съществуването на Хигс бозона е потвърдено, но пълното му разбиране все още е много далеч. Ще опровергаят ли бъдещите експерименти суперсиметрията и идеята за нейното разлагане в самата тъмна материя? Или ще потвърдят всеки последен детайл от прогнозите на Стандартния модел за свойствата на Хигс бозона и ще сложат край на тази област на изследване завинаги?
