Как бозон Хиггса помогает раскрывать тайны Вселенной?

В 2012 году ученые сообщили об одном из величайших событий в области квантовой физики – открытии бозона Хиггса – фундаментальной частицы, несущей силы поля Хиггса и отвечающую за придание массы другим частицам. Предположение о существовании поля Хиггса впервые выдвинул физик Питер Хиггс в середине шестидесятых годов (в честь него названы и поле и частица). 2024 год, увы, стал последним в жизни этого выдающегося ученого – 8 апреля Питер Хиггс скончался в своем доме в Эдинбурге в возрасте 94 лет. Его беспрецедентное наследие, однако, продолжает оказывать огромное влияние на будущее физики элементарных частиц, как никакое другое открытие до него. Более того, если текущие измерения бозона Хиггса верны, то Вселенная нестабильна в своем нынешнем состоянии. Это, в свою очередь, означает, что нам придется пересмотреть все имеющиеся знания как о космосе, так и о физике элементарных частиц. Ну а новое открытие, о котором погоаорим в данной статье, лишь подливает масла в огонь.

Бозон Хиггса – фундаментальная частица, открыть которую удалось всего 12 лет назад. Изображение: assets.newatlas.com

Открытие бозона Хиггса совместными усилиями ATLAS и CMS сыграло решающую роль в раскрытии тайн поля Хиггса и его потенциала. Многие ученые полагают, что «Новая физика» не за горами.

Наследие Хиггса

Английский физик Питер Уэйд Хиггс родился в 1929 году. В то время понимание материи и Вселенной было совершенно иным, а ведущая модель материи гласила, что существуют всего три фундаментальные неделимые частицы – протоны (находятся внутри атомных ядер), электроны (окружают протоны) и фотоны (частицы света, ответственные за электромагнитное взаимодействие).

При жизни Хиггса произошла удивительная революция, кульминацией которой стало создание Стандартной модели физики элементарных частиц – самой успешной в истории системы для понимания строения Вселенной. Однако путь Хиггса к одному из величайших открытий в истории науки был тернистым. Более половины своей жизни физик ждал подтверждения своих теоретических предсказаний.

Питер Хиггс — британский физик-теоретик, профессор Эдинбургского университета. Лауреат Нобелевской премии по физике. Изображение: dzeninfra.ru

Читайте также: Обнаружены новые элементарные частицы. Почему это важно?

Идею о существовании частицы, способной придавать массу всем другим частицам, Хиггс озвучил в 1964 году, однако окончательно подтвердить ее существование удалось лишь к 2013 году на Большом адронном коллайдере. В том же году британский ученый был удостоен Нобелевской премии по физике, а частица, названная в его честь стала всемирно известной.

ЦЕРН – европейская организация по исследованию элементарных частиц, объявила об открытии бозона Хиггса с большой помпой. Однако сам Хиггс, казалось, был этим смущен и всегда подчеркивал, что многие другие ученые внесли свой вклад в теорию и озвучивали похожие идеи, – говорится в некрологе.

Первая статья Хиггса была опубликована в 1964 году в журнале Physical Review Letters, в которой говорилось о новом типе массивных бозонов (одном из типов субатомных частиц). В то время другие теоретики работали в том же направлении, но знаменитая ныне «частица Бога» тогда существовала только в теории.

Хиггс использовал математические идеи о симметрии – и о том, как она может быть нарушена – чтобы объяснить, как безмассовые частицы могут приобретать массу. Изображение: www.cnet.com

Напомним, что бозон Хиггса связан с полем Хиггса, которое придает массу другим частицам, таким как электроны и кварки, о чем Хиггс сообщил в 1966 году. Если бы тогда поле Хиггса удалось обнаружить, то ученые доказали бы, что стандартная модель – последовательная теория природы. Поиск бозона Хиггса, однако, оказался чрезвычайно сложной задачей. Сам ученый и вовсе считал, что этот вопрос не будет решен при его жизни.

Хотите всегда быть в курсе последних открытий в области физики и высоких технологий? Подписывайтесь на наш канал в Telegram – так вы точно не пропустите ничего интересного!

Уникальные свойства «частицы Бога»

Итак, как мы знаем сегодня, в основе Вселенной лежат уникальные свойства бозона Хиггса. Подобно твердому, жидкому и газообразному состояниям вещества, поле Хиггса соответствует фазе Вселенной, которую можно определить, измерив взаимодействие бозона Хиггса с другими частицами.

За десятилетие, прошедшее с момента его открытия, многие из этих взаимодействий были обнаружены на БАК. Эти результаты подняли новые вопросы. Стабильность Вселенной – ее способность сохраняться в своем нынешнем состоянии более или менее вечно — по-видимому, зависит от массы и взаимодействий бозона Хиггса.

Поле Хиггса взаимодействует с атомными субчастицами. Изображение: media.licdn.com

Если текущие измерения этой частицы верны, Вселенная попросту нестабильна, а значит что в какой-то момент она может перейти в другую форму. Ответы, поиском которых сегодня занимаются ученые, могут доказать ошибочность Стандартной модели.

Физики также хотят понять, действительно ли поле Хиггса объясняет все массы элементарных частиц, как предсказывает Стандартная модель. Что касается редкого распада бозонов Хиггса, о которых мы ранее рассказывали, то выяснить, на какие еще частицы они распадаются исследователи пока не могут.

Чтобы окончательно разобраться в хитрых переплетениях субатомных частиц, ученые из Европы, США и Китая работают над строительством новых коллайдеров элементарных частиц, ориентированных на изучение бозона Хиггса. Наследием выдающегося ученого станет программа экспериментальной физики элементарных частиц 21-го века.

Питер Хиггс – человек из другой эпохи. Изображение: habrastorage.org

Необходимо отметить, что Хиггс был физиком из другой эпохи. Сегодня практически невозможно представить, чтобы кто-то с его послужным списком смог удержаться в академических кругах – он опубликовал всего несколько статей, почти все из которых написал в одиночку. Все потому, что современная академическая среда построена на жесткой конкуренции, а ученые вынуждены публиковать работы как можно чаще.

Трудно представить, что в нынешних условиях у меня будет достаточно тишины и покоя, чтобы заниматься тем, чем я занимался в 1964 году… Сегодня я бы не устроился на академическую работу… Не думаю, что меня сочли бы достаточно продуктивным, – сказал Хиггс в интервью 2013 года.

Симметрия и новые эксперименты

Так как научные открытия (а тем более прорывы) требуют времени, говорить о полном пересмотре нашего понимания устройства мироздания и Веленной несколько преждевременно. Но повод для пересмотра Стандартной модели все-таки есть: бозон Хиггса является лишь одним из результатов «спонтанного нарушения симметрии» поля Хиггса, а значит могут существовать и другие подобные бозоны.

Эти дополнительные субчастицы могут взаимодействовать друг с другом и с бозоном Хиггса. Если их существование удастся подтвердить экспериментальным путем, то ученые, вероятно, смогут объяснить дисбаланс вещества и антиматерии во Вселенной.

Вселенная окутана тайнами. Изображение: symmetrymagazine.org

Не пропустите: Что такое бозон Хиггса и почему ученые хотели его открыть

Недавно ученые из коллаборации ATLAS опубликовали результаты поиска двух новых бозонов Хиггса – X и S – которые могли бы взаимодействовать с бозоном Хиггса стандартной модели (H). Предполагается, что S-бозон распадается на b-кварки, тогда как H-бозон распадается на фотоны.

Таким образом, неизменные массы этих продуктов распада могут быть использованы для восстановления масс соответствующих бозонов, – пишут авторы научной работы.

Поскольку физики не знают масс гипотетических бозонов Хиггса, они прибегли к помощи параметризованной нейронной сеть (PNN) – этот метод позволил им не только изучить диапазон масс X и S с высокой степенью детализации, но и получить четкое представление о массах новых бозонов, если они будут обнаружены.

Локальное наблюдаемое значение превышения фоновых процессов стандартной модели в зависимости от масс (m_X, m_S). Изображение: ATLAS Collaboration/CERN

Безусловно, все вышеописанное крайне сложно, однако, заглядывая в будущее
можно сказать, что модели, исследованные в новом анализе, остаются многообещающими возможностями для раскрытия новых физических явлений, выходящих за рамки Стандартной модели. Данные, собранные во время третьего запуска БАК, и дальнейшая работа коллайдера прольют еще больше света как на бозоны Хиггса, так и на тайны Вселенной.