Хотів би запитати про бозон Хіггса. Новин багато, але я так і не зрозумів - чому він такий важливий? Багато говорять про Стандартної моделі, але ніде не пояснюють, що це. (І чи з'являться тепер якісь нові технології? І ще, як фізики дізналися, що бачать саме бозон Хіггса?
Для початку хотілося б зауважити, що моє пояснення підійде для ознайомлення з предметом, але використовувати його, наприклад, в дисертації не бажано :)
У школі нам всім розповідали, що світ складається з атомів. Атоми - з протонів, нейтронів і електронів. Деяким пощастило ще більше: їм розповіли, що протони і нейтрони в свою чергу складаються з частинок, які називаються кварками. Як і протони, так і нейтрони містять всього два типи кварків, які називаються u [up] і d [down]
Виглядає це приблизно так:
На цьому зазвичай шкільна фізика закінчується, але з тих пір як шкільна програма переглядалася останній раз, прогрес пішов далеко вперед. З'ясувалося, що кварків може бути цілих 6 штук, але наш земний світ обмежується лише двома (чому так відбувається, до цих пір незрозуміло) - вся наша матерія складається з протонів і нейтронів, тобто по суті, з u і d кварків.
Однак ми навчилися отримувати кварки, які в звичайному житті не видно. Для цього досить розігнати нашу земну матерію (протони або електрони) до високої швидкості і зіштовхнути гарненько. Так народжуються нові частинки, а енергія частинок, що стикаються переходить в їх масу.
Проблема в тому, що 4 типи кварків, які ми зазвичай не бачимо, «важче» добре знайомих u і d кварків, тому щоб вони з'явилися, розганяти частинки перед зіткненням потрібно дуже сильно. Для цього і потрібні прискорювачі типу LHC, він же Великий Адронний Коллайдер.
Адронами називаються частинки, які містять 3 кварка. Наприклад, добре знайомі нам всім протони і нейтрони. У LHC зіштовхують протонні пучки, і тому протони = адрони він і отримав своє горде ім'я Адронний.
У кварків багато спільного з електронами, тому їх об'єднали в сімейство, яке називається фермионами. Ферміони можуть взаємодіяти між собою через інші частинки - переносники взаємодії. Для стислості всі переносники взаємодії називають бозона.
Ідея тут досить проста: ферміони взаємодіють і випромінюють бозон. Бозони зазвичай довго не живуть і народжують якісь інші ферміони. Як це виглядає, можна побачити на малюнку поруч.
Тут в якості бозона виступає гамма квант, він же фотон. Ферміони (електрон і позитрон) спочатку народжують цей фотон, а потім він народжує електрон і позитрон.
Разом, крім бозона Хіггса, про який мова піде нижче, існують і інші бозони.
Хіггс бозон: навіщо він і який він?
В теорії про ферміони і бозони (вона називається Стандартна Модель) все було чудово і підтверджується експериментально, крім одного моменту - у частинок в ній немає маси. Але ж ми прекрасно знаємо, що все в нашому світі має вагу. Тому потрібно було придумати якийсь механізм, який би цю масу пояснював. Такий механізм придумав Пітер В. Хіггс в 60-х роках. По суті, це просте математичне рівняння, яке показує, що якщо додати один бозон, то у частинок тут же з'являється маса, і все стає на свої місця. При бажанні це рівняння можна розширити, додаючи не один бозон, а кілька, хоч п'ять штук.
Коротше кажучи, механізм хоч і прекрасний у своїй математичної простоті, але власне про сам бозон, який потрібно додати, майже нічого не говорить: ні скільки він сам важить, жоден він або йому обов'язково потрібні побратими. Бозон цей назвали бозоном Хіггса і з 80-х років його \ їх шукають як можуть.
Хіггсовський бозон, як і будь-який інший, може з'являтися при народженні фермионов і розпадатися в ці ж і \ або інші ферміони. Звичайно, хочеться максимальної простоти, і поки все сподіваються, що Хіггс бозон всього один. Саме для цього випадку теоретики прорахували багато діаграм Фейнмана з різними фермионами і тепер в експериментах шукають підтвердження або спростування цих розрахунків.
Погана новина: по суті, це завдання з багатьма невідомими і, навіть коли вдається що-небудь знайти, вийде всього лише вимір одного з невідомих параметрів.
Хороша новина: хіггсовський бозон може розпадатися в будь-ферміони, виміряти ці канали розпаду можна окремо, а потім подивитися, як вони узгоджуються один з одним.
Припустимо, ви очікуєте, що бозон розпадається на два певних кварка. Ці кварки розлітаються в різні боки, залишаючи сліди в детекторі. Але ви-то знаєте, що їх всього два, тому все що потрібно - подивитися картинки з детектора, де чітко видно сліди двох частинок і, якщо вони не описуються розпадом відомих частинок - значить, це був Хіггс бозон!
Проблема в тому, що в протоні кварків - три, і коли ви стикалися протон з протоном - це як мінімум три одночасних взаємодії кварків. Плюс до цього енергія дуже велика, і при таких умовах можуть народжуватися ще і ще пари кварків. В результаті картинки з детектора виглядають якось так, все жовті лінії на зображенні - сліди часток.
Як ви розумієте, розгледіти неозброєним оком, чи був тут Хіггс бозон чи ні - складно. Благо прогрес не стоїть на місці, і відсівати сліди нецікавих частинок навчилися за допомогою комп'ютерного розуму. Хоча все ще потрібно багато часу, щоб довести: алгоритми відкидання всього непотрібного працюють правильно.
У цей історичний день дослідницькі групи двох детекторів, які трудяться на LHC, оприлюднили свої результати по деяким каналам розпаду, де теоретики очікують побачити Хіггс бозон раніше всього (в тому самому простому випадку, коли такий бозон всього один). Результати поки не дуже вражаючі: обидва експерименту показують, що є «щось». Головним досягненням, що незалежні один від одного детектори виміряли масу цього «щось», і вона у них співпала. Крім власне маси виміряти поки нічого не вдалося. Поки незрозуміло, це той самий один-єдиний Хіггс бозон? Або один з сімейства Хіггса в більш складній моделі? Або це взагалі не Хіггс бозон, а просто частинка, яку раніше бачити не доводилося? Відповіді на ці питання покаже час. Я думаю, не раніше ніж через рік або два.
Поділися з друзями: