10 лет открытию бозона Хиггса. Что учёные до сих пор не знают о частице?

Физики по всему миру отпраздновали десятилетие со дня пресс-конференции, на которой было объявлено о выдающемся открытии современности. Однако многие свойства "частицы бога" до сих пор остаются для учёных загадкой. Почему бозон Хиггса так называется? Чем он так важен для науки и нашего понимания Вселенной? И как он влияет на стабильность Вселенной? Ответы на все эти вопросы — в нашем материале.

Научная редакция Вести.Ru с интересом следила за объявлением в прямом эфире. По значимости это достижение можно сравнить разве что с созданием примерно в те же годы технологии редактирования генов CRISPR и долгожданном обнаружении гравитационных волн.

В понедельник, 4 июля 2022 года, исполнилось 10 лет со дня проведения знаменитой пресс-конференции в ЦЕРНе, главной европейской лаборатории по изучению основ мироздания. 10 лет назад учёные объявили о долгожданном открытии бозона Хиггса – частицы, которую в те времена часто называли в СМИ "частицей бога".

Яркий пример силы международного сотрудничества позволил обнаружить частицу, которая до этого существовала только в расчётах теоретиков.

Открытие неуловимой частицы заполнило последний пробел в Стандартной модели элементарных частиц — лучшем физическом описании частиц и их взаимодействий на сегодняшний день — и открыло окно в так называемую Новую физику.

С этим открытием в 2012 году фактически завершилось экспериментальное обнаружение элементарных частиц, предсказываемых Стандартной моделью.

Многие тогда надеялись, что теперь начнётся новая эра в физике, которая позволит открыть явления, которые невозможно объяснить с помощью Стандартной модели, и проверить новые экзотические теории, которые объясняют, как устроена Вселенная.

Однако пока этого так и не произошло. Хотя учёные с тех пор провели не один цикл запуска и многолетней работы Большого адронного коллайдера (БАК) и сделали немало других важных открытий в ходе столкновений протонов и тяжёлых ионов внутри гигантского кольца БАК.

Учёные опубликовали 350 научных статей, касающихся бозона Хиггса. Однако многие свойства "частицы бога" до сих пор остаются для них загадкой.

5 вещей, которые узнали физики.

Масса бозона Хиггса составляет 125 миллиардов электронвольт.

Почему масса частицы измеряется не в килограммах? Дело в том, что массу столь малых и неуловимых объектов физикам проще выражать в единицах энергии. Масса и энергия, напомним, связаны знаменитой формулой E=mc2.

В 1960-х годах британский физик-теоретик Питер Хиггс и его коллеги предположили, что то, что сейчас называется полем Хиггса, может объяснить:

- почему у частицы света фотона, переносчика электромагнитного взаимодействия, нет массы,

- почему нет массы у глюона, переносчика сильного взаимодействия,

- почему W- и Z- бозоны, переносчики слабого взаимодействия, обладают столь высокой массой (для элементарных частиц).

W- и Z- бозоны почти в 100 раз тяжелее протона и сопоставимы по этому показателю с гигантами мира химических элементов — технецием и рубидием.

Особые свойства поля Хиггса позволили одной и той же математике объяснить массы всех частиц, и оно стало неотъемлемой частью Стандартной модели. Но теория не делала предсказаний о массе бозона Хиггса и, следовательно, о том, когда БАК сможет его создать.

Тем не менее частица проявила себя намного раньше, чем ожидалось. БАК начал собирать данные в поисках бозона Хиггса в 2009 году, а детекторы ATLAS и CMS фактически поймали его за хвост уже в 2012 году.

Детекторы наблюдали распад всего нескольких десятков бозонов Хиггса на фотоны, W- и Z-бозоны. На них указывал скачок в данных на уровне 125 миллиардов электронвольт (или гигаэлектронвольт, ГэВ), что примерно в 125 раз превышает массу протона.

Масса бозона Хиггса в 125 ГэВ ставит его в золотую середину, что означает, что бозон распадается на широкий спектр частиц с частотой, достаточно высокой для наблюдения в экспериментах на БАК, рассказывает Мэтью Маккалоу, физик-теоретик из ЦЕРН.

"Это очень странно и, вероятно, случайно, но так уж получилось, что [при такой массе] вы можете узнать многое о бозоне Хиггса", ‒ добавляет учёный.

Что же ещё узнали физики?

Бозон Хиггса — частица с нулевым спином.

Спин — это квантово-механическое свойство частицы, которое проще всего представить, если сравнить частицу с магнитом.

Но, чтобы не слишком углубляться в физику элементарных частиц, просто скажем, что все известные фундаментальные частицы имели спин 1/2 или 1. Вместе с тем теории предсказывали, что бозон Хиггса должен быть уникален в этом отношении, так как он имеет нулевой спин (также учёные правильно предсказали, что он имеет нулевой заряд).

В 2013 году эксперименты, проводимые на БАК, позволили изучить угол, под которым фотоны, образующиеся при распаде бозона Хиггса, вылетали в детекторы. Эту информацию учёные использовали, чтобы с высокой вероятностью показать: бозон Хиггса имеет нулевой спин.

К слову, до тех пор, пока это не было продемонстрировано, мало кто из физиков был готов назвать обнаруженную частицу бозоном Хиггса, поясняет Рамона Грёбер, физик-теоретик из Падуанского университета в Италии.

Свойства бозона Хиггса исключили некоторые теории, дополнявшие Стандартную модель.

Физики знают, что Стандартная модель не полностью описывает то, что происходит во Вселенной.

Так, она фактически не работает при высоких энергиях и не может объяснить ключевые наблюдения, такие как существование тёмной материи или почему во Вселенной так мало антиматерии.

Поэтому физики придумали расширения модели, учитывающие это. По словам Грёбер, открытие массы бозона Хиггса в 125 ГэВ сделало некоторые из этих теорий менее привлекательными для исследователей.

Однако из-за массы в 125 ГэВ не так много теорий оказались в ранге несостоятельных.

"У нас есть частица, которая более или менее совместима со всем [, что есть в арсенале физиков]", ‒ рассказала Фрейя Блекман, физик Немецкого электронного синхротрона DESY.

Бозон Хиггса взаимодействует с другими частицами, как и предсказывает Стандартная модель.

Согласно Стандартной модели, масса частицы определяется тем, насколько сильно она взаимодействовала с полем Хиггса.

Хотя бозон, который подобен ряби в поле Хиггса, не играет роли в этом процессе, скорость, с которой бозоны Хиггса распадаются на любую другую частицу или производятся ею, даёт представление о том, насколько сильно эта частица взаимодействует с полем Хиггса.

Эксперименты на БАК подтвердили, что, по крайней мере, для самых тяжёлых частиц, наиболее часто образующихся при распаде бозона Хиггса, масса частиц пропорциональна взаимодействию с полем. И это стало замечательным достижением для теории возрастом 60 лет.

Как частицы получают массу, взаимодействуя с полем Хиггса, или механизм Браута-Энглера-Хиггса.

Теоретики Роберт Браут, Франсуа Энглер и Питер Хиггс предположили, что частицы приобретают массу, взаимодействуя с "полем Хиггса".

Сразу после Большого взрыва поле Хиггса было равно нулю, но по мере охлаждения Вселенной и падения температуры ниже критического значения поле спонтанно возрастало, так что любая взаимодействующая с ним частица приобретала массу.

Чем больше частица взаимодействовала с этим полем, тем она тяжелее. Частицы, подобные фотону, которые не взаимодействовали с ним, вообще не имеют массы.

Всего же частицы "общались" с полем Хиггса порядка 10-12 секунды. До того они не имели массы и путешествовали в пространстве со скоростью света.

Как и все фундаментальные поля, поле Хиггса имеет связанную с ним частицу — бозон Хиггса. Бозон Хиггса — это видимое проявление поля Хиггса, похожее на волну на поверхности моря.

Вселенная стабильна, но только пока.

Расчёты с использованием массы бозона Хиггса показали, что Вселенная может быть стабильной только небольшой промежуток времени, и что существует исчезающе малый шанс, что она может перейти в более низкое энергетическое состояние — с катастрофическими последствиями для всего.

В отличие от других известных полей поле Хиггса имеет низшее энергетическое состояние выше нуля даже в вакууме, и оно пронизывает всю Вселенную.

Согласно Стандартной модели, это так называемое основное состояние системы зависит от того, как частицы взаимодействуют с полем. Вскоре после того, как физики определили массу бозона Хиггса, теоретики использовали это значение (наряду с другими измерениями), чтобы предсказать, что также существует более низкое и более предпочтительное энергетическое состояние для Вселенной.

Попробуем провести аналогию. Все мы порой хотим покоя. Так вот, Вселенная в каком-то смысле пока что подпрыгивает на одной ножке или, если хотите, твёрдо стоит на двух ногах. Но в принципе она хотела бы присесть. Так ей было бы комфортнее.

Впрочем, по словам Маккалоу, переход в другое ещё более энергетически низкое состояние потребует от Вселенной преодоления огромного энергетического барьера. Условно говоря, для того чтобы присесть, Вселенной для начала придётся пробежать марафон.

Вероятность такого исхода настолько мала, что физики полагают следующее: вряд ли это произойдет в масштабе времени жизни Вселенной.

"Наш конец света наступит гораздо раньше по другим причинам", — говорит Маккалоу.

Не слишком вдохновляюще, зато честно. По крайней мере, с точки зрения науки.

5 вещей, которые учёные всё ещё хотят выяснить.

Можем ли мы сделать измерения бозона Хиггса более точными?

На данный момент свойства "частицы бога" соответствуют предсказанным Стандартной моделью, но погрешность измерений составляет около 10%.

Это как если бы мы узнали, что "рост" человека составляет 150 см плюс-минус 15 см. То есть он может быть ростом как 165 см, так и ростом 135 см и всё, что посередине. Довольно ощутимый разброс, не правда ли?

В общем, имеющихся данных, несмотря на все впечатляющие возможности самой большой в мире экспериментальной установки (каковой является БАК), недостаточно. Они не позволяют выявить тонкие различия, предсказанные новыми физическими теориями, которые лишь немногим отличаются от Стандартной модели.

Что может помочь снизить эту погрешность? Новые данные, собранные в ходе новых столкновений. Как те, которые ещё обрабатываются, так и те, что будут получены лишь в будущем.

На данный момент детекторы БАК собрали только одну двадцатую от общего объёма информации, которую он призван собрать. И учёным все эти данные ещё довольно долго придётся обрабатывать.

Увидеть намёки на Новую физику, то есть те теории, которые позволят объяснить то, что не объясняет Стандартная модель, можно будет в новых более точных исследованиях.

Взаимодействует ли бозон Хиггса с более лёгкими частицами?

До сих пор взаимодействия бозона Хиггса с другими частицами, казалось, соответствовали Стандартной модели. Однако физики видели, как он распадается только на самые тяжёлые частицы.

Теперь физики хотят проверить, взаимодействует ли он таким же образом с частицами из более лёгких семейств.

В 2020 году детекторы CMS и ATLAS наблюдали одно такое взаимодействие — редкий распад бозона Хиггса на двоюродного брата второго поколения электрона, называемого мюоном.

Хотя это свидетельствует о том, что связь между массой и силой взаимодействия с полем Хиггса сохраняется и для более лёгких частиц, физикам нужно больше данных, чтобы подтвердить это.

Взаимодействует ли бозон Хиггса сам с собой?

Бозон Хиггса имеет массу, поэтому он должен взаимодействовать сам с собой. А вот нейтрино в этом смысле куда более неуловимо.

Однако такие взаимодействия — например, распад энергичного бозона Хиггса на два менее энергичных — происходят крайне редко, потому что все вовлечённые в этот процесс частицы очень тяжёлые.

Учёные надеются найти намёки на подобное взаимодействие после запланированной модернизации БАК в 2026 году. Впрочем, для убедительных доказательств этому физикам, вероятно, потребуется построить даже более мощный коллайдер.

Скорость этого взаимодействия с самим собой имеет решающее значение для понимания Вселенной, говорит Маккалоу.

Вероятность такого взаимодействия связана с изменением потенциальной энергии поля Хиггса вблизи своего минимума, который описывает условия сразу после Большого взрыва. Таким образом, знания об этом процессе может помочь учёным понять динамику ранней Вселенной.

Грёбер отмечает, что многие теории, которые пытаются объяснить, как материя во Вселенной каким-то образом стала более распространённой, чем антиматерия, требуют взаимодействия бозонов Хиггса между собой.

Однако в этом они расходятся с предсказанием Стандартной модели на целых 30%.

"Я даже не могу передать, насколько важны [эти измерения]", ‒ говорит Маккалоу.

Каково время жизни бозона Хиггса?

Физики хотят знать время жизни бозона Хиггса — сколько в среднем он существует, прежде чем распасться на другие частицы. И дело не в самой цифре, как таковой, а в том, что любое отклонение от предсказаний может указывать на взаимодействие с неизвестными частицами, такими как те, которые составляют тёмную материю. Однако его время жизни слишком мало, чтобы его можно было измерить напрямую.

Чтобы измерить его косвенно, физики смотрят на разброс энергии частицы по нескольким измерениям (квантовая физика предполагает, что неопределённость в энергии частицы должна быть обратно пропорциональна времени её жизни).

В 2021 году физики, работающие с данными детектора CMS, произвели первое грубое измерение времени жизни бозона Хиггса: получилось 2,1×10–22 секунды.

Этот результат показывает, что время жизни соответствует Стандартной модели.

Насколько верны и верны ли экзотические прогнозы?

Некоторые теории, расширяющие Стандартную модель, предсказывают, что бозон Хиггса не является фундаментальной частицей. То есть он, подобно, например, протону, состоит из других составляющих элементов (кварков).

Другие предполагают, что бозонов Хиггса несколько, просто мы пока ещё не в состоянии их различить, так как ведут они себя одинаково. Однако они отличаются, к примеру, зарядом или спином.

Новые эксперименты на БАК, о которых мы подробно расскажем в ближайшее время, позволят понять, действительно ли бозон Хиггса является частицей Стандартной модели. Также новые опыты по столкновению частиц позволят выявить свойства, предсказанные другими теориями. Так, физики будут искать в данных распады на запрещённые комбинации частиц.

Получается, непаханое поле Хиггса ждёт ещё немало испытаний и новых исследователей.

Питер Хиггс стоял у истоков создания БАК. На этом снимке он стоит возле детектора CMS, который на тот момент был на техобслуживании.

Почему "бозон Хиггса" и почему "частица бога"?

Отчего поле Хиггса и бозон назвали именем британского физика, понятно.

Но почему "частица бога"? Такое название ей придумал нобелевский лауреат Леон Ледерман, написавший книгу "Частица бога: если Вселенная это ответ, то каков вопрос?". Американские и британские издательства любят громкие названия, даже если они не отражают сути.

К слову, сам Ледерман предлагал назвать бозон Хиггса частицей, "проклятой Богом" (goddamn particle). Но у этого слова сильный негативный оттенок в английском языке, вероятно, поэтому редактор отверг такой вариант.

Так как, как мы уже рассказали, бозон Хиггса определяет массы других частиц и своего рода материальность всего известного нам мира, "частица бога" выглядит довольно естественно.

Правда, самим учёным больше по душе другой ироничный вариант — "бозон бутылки шампанского" (champagne bottle boson) — из-за сходства потенциала комплексного поля Хиггса с дном стандартной бутылки игристого вина.

Пример потенциала поля Хиггса при фиксированном значении одной из переменных.
Иллюстрация Gonis/Wikimedia Commons.

Было ли открытие бозона Хиггса вершиной достижений физики высоких энергий в ЦЕРНе?

Как, надеемся, стало понятно из нашего длинного рассказа: нет. Впереди ещё много открытий.

Но хочется отметить, сколь огромен вклад стран-создателей БАК и ЦЕРНа в частности, в популяризацию физики элементарных частиц.

До того как была построена эта огромная, сложная, очень дорогостоящая и столь нужная для понимания Вселенной машина, широкую общественность куда больше волновало, не создадут ли "горе-физики" в БАК чёрную дыру, которая затем поглотит Землю и всё живое.

Однако с годами сами учёные, представители пресс-служб научных организаций и приглашённые ими журналисты смогли создать у обычных людей адекватное представление о происходящем на БАК.

Объявление об открытии бозона Хиггса смотрели тысячи людей по всему миру. И они искренне хотели понять, отчего же "частица бога"? Возможно, не будь тогда проведена столь впечатляющая работа, не увидели бы мы сегодня в неспециализированных изданиях заголовки, подобные этому.

Вместе с тем складывающая в мире (и в науке) ситуация не позволяет надеяться на то, что в ближайшие годы сотрудничество между странами возобновится с той же силой, что и прежде.

Да, Большой адронный коллайдер готовится к новым рекордам, и об этом мы тоже напишем в ближайшие дни. Однако Россия фактически перестала быть полноценным партнёром ЦЕРНа, а значит, наши учёные с их блестящими компетенциями перестанут пополнять ряды европейских лабораторий.

Разрушение былых связей признают даже за океаном, где учёным также пришлось сконцентрироваться на других проектах.

В то же время Япония вряд ли построит Международный линейный коллайдер, да и планы Китая относительно Китайского электрон-позитронного коллайдера могут оказаться слишком амбициозными даже для Поднебесной.

Видимо, очередной праздник физики высоких энергий нам придётся подождать.

Источник:  https://www.vesti.ru