Проект по физике на тему: "Бозон Хиггса - частица, которая объяснит почти всё."

Муниципальное образовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №4» г. Всеволожск

Проект

по физике на тему:

"Бозон Хиггса - частица, которая объяснит почти всё."

Выполнил:

Ким Артур Викторович 10 «Б»

Руководитель:

Чмутова Людмила Владимировна

Допуск к защите_______________

2019-2020

Содержание

Введение

Теоретическая часть                                                                                          

1.Понятие Бозона Хиггса. Что такое бозон Хиггса и зачем он нужен?

1.1. Виды бозонов

1.2. Немного о Большом адронном коллайдере

     1.3. Эксперименты по поиску бозона Хиггса

2.

        2.1. Некоторые свойства бозона Хиггса

      2.2. Зачем нам нужна эта частица?

        2.3. Как бозон Хиггса изменит мир?

3. Бозон Хиггса и Тёмная материя

        3.1. Теория большого взрыва

      3.3. Практическая часть

Список литературы

Приложение

Актуальность темы:

Почти каждый из нас слышал словосочетание «бозон Хиггса», но в чём настоящая ценность открытия этой частицы, понятно немногим. Вот я и задумался, и в своём проекте попытаюсь разобраться, почему этот бозон так важен для науки.

По мнению учёных, Бозон Хиггса поможет понять сущность строения мира. Показать, что весь мир состоит из мельчайших частиц и почему эта частица нужна современной физике.

Цель проекта:

Изучить частицу и её происхождение.

Дать понятие и объяснить происхождение этой частицы

Донести информацию

Задачи проекта:

Выяснить что такое Бозон Хиггса

Откуда эта частица взялась

Узнать какую роль играет Бозон Хигсса в современной физике

Методы исследования:

Анализ и изучение литературы

Сбор информации из интернета и литературы

Анализ полученных данных

Теоретическая часть

Начнем с «простого»

Благодаря квантовой физике науке известно, что пространство не пустое. Помимо обычных веществ — вроде протонов, электронов и нейтронов, из которых состоят строительные блоки всей материи, — Вселенная наполнена квантовыми полями и кишит появляющимися и исчезающими элементарными частицами. Физика частиц — наука обо всех субатомных частицах и взаимодействующих с ними силах.

В 1960-х Питер Хиггс, разработал теорию, объясняющую, как частицы, переносящие электромагнитное или слабое взаимодействие, могли получить разные массы в процессе постепенного остывания Вселенной. Питер Хиггс  в 1964 году предложил теорию, согласно которой должно существовать поле, пронизывающее всё пространство, и должен существовать квант этого поля, который стали называть бозоном Хиггса. Этот бозон Хиггса был открыт в ЦЕРН, на Большом адронном коллайдере, в 2012 году. Об открытии бозона Хиггса было сообщено 4 июля 2012 года на семинаре в ЦЕРНе. Было сказано довольно осторожно: открыта новая частица и её свойства согласуются с предсказанными свойствами бозона Хиггса. И на протяжении последующих лет мы постепенно всё больше убеждались, что свойства точно такие, как предсказывали теоретики, причём в самой наивной модели. Самое главное, что это, как говорят теоретики, не просто новая частица, а представитель нового сектора элементарных частиц - хиггсовского сектора.

Пи́тер Уэр Хиггс — британский физик-теоретик, член Королевского Общества Эдинбурга, член Лондонского королевского общества, в настоящее время профессор в отставке в Эдинбургском университете. Обучался в Королевском Колледже Лондона.

1.Что же такое бозон?

         Известно, что все объекты, составляющие материю вокруг нас, состоят из лептонов и кварков. Оба типа этих частиц входят в Стандартную модель и обладают спином ½. Каждая частица, как волчок, имеет как бы внутренний момент вращения, или спин («Спин» в переводе с английского - объект, вращающийся вокруг собственной оси. Это частный случай того, что физики называют моментом импульса и описывают как процесс вращения физических объектов.) Бывает целый и полуцелый спин в единицах постоянной Планка. Частицы со спином 1/2 или 3/2 (любой полуцелый спин) называются фермионами. У бозонов спин целый, что приводит к фундаментальным отличиям в свойствах этих частиц, бозоны любят накапливаться в одном квантово-механическом состоянии, как фотоны в радиоволнах; фермионы, наоборот, этого избегают, из-за чего электроны заселяют разные атомные оболочки. Так вот, у бозона Хиггса спин равен 0. Бозон Хиггса — тяжелая частица. Его масса - 125 ГэВ (для сравнения: масса протона - порядка 1 ГэВ, масса самой тяжелой частицы, t-кварка, - 172 ГэВ). Бозон Хиггса электрически нейтрален. Новые частицы открывают на ускорителях, они рождаются в столкновениях частиц, в данном случае - в столкновениях протонов. После чего регистрируют продукты распада искомой частицы. Бозон Хиггса распадается в среднем за 10-22 с. Для тяжёлой частицы это не столь маленький срок — топ-кварк, например, живет в 500 раз меньше. И у бозона Хиггса много разных способов распасться. Один из «золотых каналов» распада - распад на два фотона - довольно редкий: так хиггсовский бозон распадается в двух случаях из тысячи. Но этот путь замечателен тем, что оба фотона высокоэнергичны. В системе покоя хиггсовского бозона каждый фотон имеет энергию 62,5 ГэВ, это большая энергия. Эти фотоны хорошо видны, можно измерить направления их движения, энергию. Еще более чистый канал распада — распад на четыре лептона: на две пары e+ и e-, на e+, e- и µ+, µ- или на четыре мюона. Получаются четыре высокоэнергичные заряженные частицы, которые тоже хорошо видны, у них можно измерить энергию и направление вылета.

Понятие бозона.

Виды бозонов Бозон (от фамилии физика Бозе) - частица с целым значением спина. Термин был предложен физиком Полем Дираком. Бозоны, в отличие от фермионов, подчиняются статистике Бозе - Эйнштейна, которая допускает, чтобы в одном квантовом состоянии могло находиться неограниченное количество одинаковых частиц. Системы из многих бозонов описываются симметричными относительно перестановок частиц волновыми функциями. Различают элементарные бозоны и составные. Элементарные бозоны являются квантами калибровочных полей, при помощи которых осуществляется взаимодействие элементарных фермионов (лептонов и кварков) в Стандартной модели. В предыдущей главе уже было сказано, что к таким калибровочным бозонам относят: Фотон (электромагнитное взаимодействие), Глюон (сильное взаимодействие) W± и Z-бозоны (слабое взаимодействие). Кроме этого, к элементарным бозонам относят бозон Хиггса, ответственный за механизм появления масс в электрослабой теории, и не обнаруженный до настоящего времени гравитон (гравитационное взаимодействие). Все элементарные бозоны, за исключением W±-бозонов, являются незаряженными. W+ и W- бозоны по отношению друг к другу выступают как античастицы. Калибровочные бозоны (фотон, глюон, W± и Z-бозоны) имеют единичный спин. Гипотетический гравитон - спин 2, и бозон Хиггса - спин 0. К составным бозонам относят многочисленные двухкварковые связанные состояния, называемые мезонами. Как и у любых бозонов, спин мезонов является целочисленным, и его значение, в принципе, не ограничено (0,1,2, 3,). Другими примерами бозонов являются ядра, содержащие чётное количество нуклонов (протонов и нейтронов).

Почему бозон Хиггса открыли лишь недавно

Тут два обстоятельства. Во-первых, искомая частица тяжелая. Значит, нужен ускоритель на большую энергию. Во-вторых, надо иметь большую интенсивность пучков, чтобы число столкновений было достаточным. Физики используют слово «светимость», отражающее количество столкновений в единицу времени. У вас должно быть очень много столкновений. С энергией вроде бы всё было нормально, ведь до Большого адронного коллайдера работал Тэватрон - коллайдер в США. Полная энергия у него была 2 ТэВ. Вроде неплохо, ведь бозон Хиггса - 125 ГэВ. В принципе, по энергии Тэватрон мог рождать бозоны Хиггса. Но у него была недостаточная светимость. Ему не хватило рожденных бозонов Хиггса.

Существует общепринятая теория того, как устроен мир на самых малых масштабах. Это так называемая Стандартная модель. В ней есть несколько принципиально различных типов вещества, которые различными способами взаимодействуют друг с другом. О таких взаимодействиях иногда удобно говорить, как об обмене некими "объектами", для которых можно измерить скорость, массу, можно разогнать их или столкнуть друг с другом. Это частицы-переносчики. Таких частиц в модели 12:11 наблюдались ранее, а 12-я частица - бозон Хиггса придает остальным частицам массу. Актуальность темы проекта обусловлена все возрастающим интересом к открытию данной частицы, которая возможно позволит приоткрыть завесу тайн мироздания. Многие ученые считают, что в ближайшие десятилетия нас ждут революционные изменения в науке.

Основная цель моей работы - выяснить, что такое бозон Хиггса и какова его роль во взаимодействии частиц. В соответствии с поставленной целью были обозначены следующие задачи:

1.Рассмотреть какое место бозон Хиггса занимает среди других элементарных частиц.

2.Выяснить какую роль играет бозон Хиггса в предложенной модели эволюции Вселенной.

3.Определить перспективы прикладного применения свойств бозона Хиггса.

Классификация элементарных частиц

Элементарная частица - собирательный термин, относящийся к микрообъектам, которые невозможно расщепить на составные части. Элементарные частицы делятся на следующие группы:

Составные частицы: 

Адроны - частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий. Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на:

Мезоны - адроны с целым спином, то есть являющиеся бозонами;

Барионы - адроны с полуцелым спином, то есть фермионы.

К ним, в частности, относятся частицы, составляющие ядро атома - протон и нейтрон.  

Фундаментальные (бесструктурные) частицы:

Лептоны - фермионы, которые имеют вид точечных частиц (т. е. не состоящих ни из чего). Не участвуют в сильных взаимодействиях.

Кварки - дробно заряженные частицы, входящие в состав адронов. Считаются бесструктурными, однако, в отличие от лептонов, участвуют в сильном взаимодействии. ·

Калибровочные бозоны - частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия:

Фотон - частица, переносящая электромагнитное взаимодействие;

Восемь глюонов - частиц, переносящих сильное взаимодействие;

Три промежуточных векторных бозона. Кроме того, в Стандартной модели присутствует хиггсовский бозон.

1.2. Немного о Большом адронном коллайдере.

         Гигантский ускоритель частиц, Большой адронный коллайдер, самая большая машина на Земле, прослужит ученым ещё не один год. Основной канал этого ускорителя представляет собой 27-километровый туннель, в центре которого при помощи 9300 магнитов в полном вакууме и при температуре -271 градусов по Цельсию пучки элементарных частиц разгоняются до около световых скоростей и сталкиваются между собой. Помимо того, что при столкновении таких пучков выделяются невероятные объемы энергии (которые, к счастью, в основном поглощаются охладителями коллайдера), ученые могут зафиксировать мельчайшие элементарные частицы, из которых состоит любая материя во Вселенной. И несмотря на то, что поиск бозона Хиггса был самым технически сложным и масштабным исследованием на подобном оборудовании, он не раскрыл полного потенциала коллайдера. Одной из основных целей проекта является экспериментальное доказательство существования бозона Хиггса и его исследование.

1.3.  Эксперименты по поиску бозона Хиггса.

Поиски хиггсовского бозона в Европейском центре ядерных исследований на Большом электрон-позитронном коллайдере (LEP) не увенчались успехом. Предполагалось, что вопрос о существовании бозона Хиггса прояснится окончательно после вступления в строй и нескольких лет работы Большого адронного коллайдера. В 2004 году была проведена повторная обработка данных эксперимента по определению массы t-кварка, проводившегося на синхротроне Тэватрон в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми, в ходе этой обработки была получена уточнённая оценка массы, что привело к переоценке верхней границы массы бозона Хиггса до 251 ГэВ. В 2010 году в ходе экспериментов на Тэватроне исследовательской группой была обнаружена 1-процентная разница в числе образующихся при распаде В-мезона мюонов и анти мюонов. Вскоре было объявлено о том, что причиной расхождения могло стать существование не одного, а пяти бозонов Хиггса - в рамках теории суперсимметрии могут существовать заряженные положительно и отрицательно, скалярные (легкий и тяжелый) и псевдоскалярный бозоны.

Ожидалось, что подтвердить или опровергнуть данную гипотезу помогут эксперименты на Большом адронном коллайдере. В июле 2011 года коллаборации ATLAS и CMS выявили отклонение статистики в районе массы 130-150 ГэВ в результатах, представленных на конференции EPS-HEP2011 в Гренобле, что возможно указывает на существование бозона Хиггса. Однако данные с Большого адронного коллайдера продолжают поступать, и последующая обработка, возможно, нивелирует полученные отклонения. Между тем, на той же конференции был закрыт диапазон от 150 ГэВ до 400 ГэВ где бозон Хиггса существовать не может. В ноябре 2011 года коллаборации ATLAS и CMS сузили интервал масс возможного существования бозона до 114-141 ГэВ. Интервал от 141 до 443 ГэВ был исключён с вероятностью 99 % за исключением трёх узких окон между 220 и 320 ГэВ. декабря 2011 года коллаборации ATLAS и CMS представили предварительные результаты обработки данных 2011 года, основной вывод состоит в том, что бозон Хиггса Стандартной модели, если он существует, скорее всего, имеет массу в интервале 116-130 ГэВ по данным эксперимента ATLAS, и 115-127 ГэВ - по данным CMS. Оба эксперимента наблюдают превышение сигнала над фоном в этих интервалах в различных предполагаемых каналах распада бозона Хиггса. Интересно то, что несколько независимых измерений указывают на область от 124 до 126 ГэВ. Было слишком рано говорить о том, что ATLAS и CMS открыли бозон Хиггса, но эти обновлённые результаты вызвали большой интерес в сообществе физики элементарных частиц. Тем не менее, для окончательных утверждений о существовании или не существовании бозона Хиггса требуется больший объём данных, который ожидался в 2012 году. июля 2012 года коллаборации D0 и CDF заявили, что по результатам анализа данных ускорителя Тэватрон имеется некоторый избыток, который может быть интерпретирован как вызванный бозоном Хиггса с массой в диапазоне 115-135 ГэВ со статистической значимостью 2,9 стандартных отклонения, что меньше порога в 5 сигма, необходимого для того чтобы заявить об открытии частицы. июля 2012 года, на научном семинаре CERN, проходившем в рамках научной конференции ICHEP 2012 в Мельбурне, были изложены предварительные результаты экспериментов ATLAS и CMS по поиску бозона Хиггса за первую половину 2012 года. Оба детектора наблюдали новую частицу с массой около 125-126 ГэВ с уровнем статистической значимости 5 сигма. Предполагается что данная частица - бозон, при этом она - самый тяжёлый из когда-либо обнаруженных бозонов. На семинар были приглашены физики Франсуа Энглер, Карл Хаген, Питер Хиггс и Джеральд Гуральник, которые являются одними из "авторов" механизма Хиггса. Несмотря на статистические недочеты, получаемые с 2011 года данные с Большого адронного коллайдера, поступали по-прежнему регулярно. Это давало надежду на исправление неточных сведений. Выявленная спустя год новая элементарная частица, которая имела идентичную четность и способность распадаться, как и хиггсовский бозон, была подвергнута серьезной критике и сомнению в 2013 году.

К концу сезона обработка всех накопленных данных привела к однозначным выводам: новая открытая частица, несомненно, является искомым бозоном Хиггса и принадлежит к Стандартной физической модели. В 2013 году англичанин Питер Хиггс и подданный Бельгии Франсуа Энглер получили Нобелевскую премию по физике за открытие и обоснование существования механизма, позволяющего понять, как и из чего происходят массы элементарных частиц.

Однако задолго до этого уже проводились различные эксперименты и попытки открыть бозон Хиггса. Еще в 1993 году в Западной Европе начались подобные исследования с использованием мощностей Большого электронно-позитронного коллайдера. Но в итоге они не смогли в полном объеме принести результатов, ожидаемых организаторами данного проекта. К изучению вопроса подключалась и российская наука. Так в 2008-2009 гг. небольшой командой ученых ОИЯИ был произведен уточненный расчет массы хиггсовского бозона. Весной 2015 года, коллаборации, известные всему научному миру, ATLAS и CMS, вновь провели корректировку массы хиггсовского бозона, которая по этим сведениям приблизительно равна 125,09±0,24 гигаэлектронвольтов (ГэВ).

2.1 Некоторые свойства бозона Хиггса

Элементарная частица Бозон Хиггса имеет множество уникальных свойств, позволившим получить ему еще одно название - частица Бога. Открытый квант обладает цветным и электрическими зарядами, а его спин по факту равняется нулю. Это означает, что он не имеет квантового вращения. К тому же, бозон полноценно участвует в гравитационных реакциях и склонен к распаду на пары из b-кварка и b-антикварка, фотонов, электронов и позитронов в сочетании с нейтрино. Однако параметры этих процессов по ширине не превышают 17 мегаэлектроновольт (МэВ). Помимо вышеперечисленных характеристик частица Хиггса способна распадаться на лептоны и W-бозоны. Но, к сожалению, они видны недостаточно хорошо, что значительно осложняет изучение, контроль и анализ явления. Однако в те редкие моменты, когда их все же получалось фиксировать, удалось установить, что они вполне соответствуют типичным для таких случаев физическим моделям элементарных частиц. Наконец стала известна его масса. Время жизни ещё не измерено, но поскольку сечение рождения наблюдаемой частицы близко к ожидаемому, то можно предположить и время жизни такой частицы близко к ожидаемому. Ожидаемая ширина хиггсовского бозона при массе 126 ГэВ составляет около Г≈4 МэВ и соответствующее время жизни 1.510-22 с. Электрический заряд равен нулю. Другие важнейшие характеристики, такие, как спин (ожидается ноль) и бранчинги (вероятности) распадов по различным каналам, ещё предстоит измерить. На этот счёт имеются предсказания для различных моделей. Очень важна точность измерения этих параметров, поскольку именно небольшие отличия позволят разобраться, какая модель соответствует реальности.

2.3 Зачем нам бозон Хиггса?

– складывается впечатление, что бозон Хиггса – весьма «важная особа», за которой так долго и весьма настойчиво гонялись физики. Но для чего он так понадобился?

Недавно «отгремели фанфары» по случаю большого научного события – открытия бозона Хиггса. Вручили награды, порадовались вместе с учеными, но… Так до сих пор и осталось неясно одно: а зачем нам нужен этот самый бозон? Зачем физики так долго и упорно его разыскивали? С этими вопросами мы обратились к ведущему научному сотруднику Лаборатории электронов высоких энергий ФИАН Сергею Павловичу Баранову.

    Независимых экспериментальных установок, разумеется, по-прежнему две (ATLAS и CMS), – ввиду уникальности их обеих, равно как и всего ускорителя БАК, – но внутри каждой из коллабораций все это время продолжались накопление новых и обработка ранее накопленных данных. К настоящему моменту итоги этой работы вылились в следующее.

    Новая частица H наблюдается в шести каналах распада: на два Z-бозона, из которых один виртуальный (H → ZZ*); на два W-бозона, из которых один виртуальный (H → WW*); на два фотона (H → γγ); на прелестные (они же красивые) кварки (H → ); на тау-лептоны (H → τ+τ–); на Z-бозон и фотон (H → Zγ).

    Соотношение между вероятностями различных распадов хорошо соответствует теоретическим ожиданиям. Бозон на уровне достоверности 97,8 % имеет правильные квантовые числа: нулевой спин и положительную четность. Наличие распада на два фотона исключает возможность спина, равного единице, а по угловым распределениям продуктов распада в остальных модах исключается и спин, равный двум.

    Придраться, по большому счету, не к чему, и остается только понять, что этот бозон значит в нашей жизни. Понять – это к нам с вами относится, физики уже поняли.

2.2. Как бозон Хиггса изменит мир?

Учёные группы, работающей на Большом адронном коллайдере, подтвердили факт обнаружения бозона Хиггса, последней элементарной частицы, существование которой до сегодняшнего дня не было доказано. Это открытие подтверждает, что так называемая стандартная модель, описывающая элементарные взаимодействия, происходящие во всей Вселенной, верна. Стандартная модель описывает три из четырёх видов базовых взаимодействий Вселенной: слабое ядерное, сильное ядерное и электронные взаимодействия. Проще говоря, это предельная система, объясняющая природу любых взаимодействий во Вселенной - от субатомных до межгалактических. Эта модель была разработана на основе гипотетических данных, и позже ученые доказывали ее экспериментально. Для того, чтобы перевести эту модель из разряда гипотез в разряд законов физики, не хватало только подтверждения существования поля Хиггса.

Согласно этой теории, во Вселенной существует поле, которое никак не влияет на электромагнитные волны, однако взаимодействует с остальными видами излучения. Это объясняло, почему кванты электромагнитного взаимодействия ведут себя отлично от квантов сильного и слабого ядерного взаимодействия и не имеют массы. Теперь, когда ученые смогли обнаружить элементарную частицу загадочного поля, они могут с уверенностью сказать, что это поле существует, несмотря на то, что ни одно из человеческих шести чувств, даже усиленных и расширенных благодаря новейшим технологиям, не может его ощутить. Стандартная модель доказана, и теперь можно утверждать, что человечество постигло базовые принципы мироздания и обрело понимание механизмов работы Вселенной. Однако, несмотря на то, что это "гигантский скачок для всего человечества", непонятно, насколько он важен для каждого отдельного человека. Стандартная модель, безусловно, необходима физикам для дальнейшей работы: понимание основных принципов взаимодействий элементарных частиц служит базой для любых сложных исследований. Но прикладного применения бозону Хиггса на данный момент нет. В любом случае, открытия только начинаются.

3. Бозон Хиггса и Тёмная материя

Что же мы знаем сегодня о темной материи, составляющей 95% массы Вселенной? Почти ничего. Но что-то всё же знаем. Прежде всего, нет никаких сомнений в том, что темная материя существует - об этом неопровержимо свидетельствуют факты, приведенные выше. А еще нам доподлинно известно, что темная материя существует в нескольких формах. После того как к началу 21 века в результате многолетних наблюдений в экспериментах SuperKamiokande (Япония) и SNO (Канада) было установлено, что у нейтрино масса есть, стало ясно, что от 0,3% до 3% из 95% скрытой массы заключается в давно знакомых нам нейтрино - пусть масса их чрезвычайно мала, но количество во Вселенной примерно в миллиард раз превышает количество нуклонов: в каждом кубическом сантиметре содержится в среднем 300 нейтрино. Оставшиеся 92–95% состоят из двух частей - темной материи и темной энергии. Незначительную долю темной материи составляет обычное барионное вещество, построенное из нуклонов, за остаток отвечают, по-видимому, какие-то неизвестные массивные слабовзаимодействующие частицы (так называемая холодная темная материя).

Тёмная материя в астрономии и космологии, а также в теоретической физике - гипотетическая форма материи, не участвующая в электромагнитном взаимодействии и поэтому недоступная прямому наблюдению. Составляет порядка четверти массы-энергии Вселенной и проявляется только в гравитационном взаимодействии.

Поле Хиггса может быть ответственно не только за массу всех элементарных частиц, но и за образование темной материи на ранних этапах жизни Вселенной. Но если бы не было темной материи, крупномасштабная структура Вселенной была бы совершенно другой — галактики попросту не смогли бы образоваться, поскольку притяжения обычной материи для этого недостаточно. Получается, что поле Хиггса отвечает за существование Вселенной в привычном для нас виде — и за дальнейшее ее уничтожение в ходе распада ложного вакуума. Примечательно, что такое объяснение не выходит за пределы Стандартной модели.

Частицы Стандартной модели приобретают массу благодаря механизму Хиггса - спонтанному нарушению электрослабой симметрии, которое происходит из-за особенной формы потенциала Хиггса. Грубо говоря, в квантовой теории поля частицы представляют собой колебания полей (например, фотоны - это колебания электромагнитного поля), энергию которых нужно отсчитывать от определенного минимума. Такое минимальное энергетическое состояние называют вакуумом. Для большинства полей Стандартной модели вакуум отвечает нулевому полю, то есть отсутствию частиц (потенциал вида «ямка»).

Однако минимум потенциала Хиггса лежит не в нуле, а в области энергий порядка ста гигаэлектронвольт - в результате все пространство оказывается пронизано полем Хиггса, которое имеет почти постоянную напряженность и затрудняет ускорение обычных частиц, придавая им массу (потенциал вида «мексиканская шляпа»). Бозон Хиггса, который отвечает колебаниям поля Хиггса около минимального состояния, тоже оказывается массивным, поскольку поле взаимодействует само с собой.

3.1. Теория Большого Взрыва.

Благодаря квантовой физике науке известно, что пространство не пустое. Помимо обычных веществ - вроде протонов, электронов и нейтронов, из которых состоят строительные блоки всей материи, -Вселенная наполнена квантовыми полями и кишит появляющимися и исчезающими элементарными частицами. Физика частиц - наука обо всех субатомных частицах и взаимодействующих с ними силах.

Ученые полагают, что давным-давно Вселенная была сжата до объёма не больше песчинки. Все частицы, из которых сегодня состоит окружающий нас мир, находились в несвязанном состоянии. Более 14 млрд лет назад произошел Большой взрыв в результате чего частицы начали в разные стороны, охлаждаться, взаимодействовать между собой и объебинятся в более сложные частицы.

Сегодня большинство астрономов и космологов пришли к общему согласию относительно того, что Вселенная, которую мы знаем, появилась в результате гигантского взрыва, породившего не только основную часть материи, но явившегося источником основных физических законов, согласно которым существует тот космос, который нас окружает. Все это называется теорией Большого взрыва.

Первоначально теория Большого взрыва называлась «динамической эволюционирующей моделью». Впервые термин «Большой взрыв» (Big Bang) применил Фред Хойл в своей лекции в 1949 г. Он сказал: «Эта теория основана на предположении, что Вселенная возникла в процессе одного-единственного мощного взрыва и потому существует лишь конечное время… Эта идея Большого взрыва кажется мне совершенно неудовлетворительной».

Предрассудки

Что было бы, если бы...

    А что бы было, если бы вовсе не было в природе слабых взаимодействий? Мы это как-нибудь невооруженным глазом заметили бы?

    Да, заметили бы! Тогда бы Солнце не светило. Потому что два протона, столкнувшись, не могли бы превратиться в ядро дейтерия – а это первый шаг в цепочке реакций, превращающих водород в гелий и служащих главным источником солнечной энергии.

Проблемы до-Хиггсовой эпохи

    Чтобы понять, какие перед теорией стояли проблемы и как бозон Хиггса помог их преодолеть, поговорим сначала о той теории, где эти проблемы решались без помощи бозона Хиггса – о более или менее нам знакомой теории электричества (электродинамике). Те, кто учился в школе, могут помнить закон Кулона: напряженность электрического поля, создаваемого точечным зарядом, ведет себя как обратный квадрат расстояния до заряда (E ~ r–2). Электрическое поле – материальный объект, и с ним связана объемная плотность энергии, которая пропорциональна квадрату напряженности поля. Если же мы хотим сосчитать полную энергию поля, то эту плотность энергии надо проинтегрировать по всему пространству – по всем расстояниям от нуля до бесконечности, – и тогда мы увидим, что интеграл расходится (причем на малых расстояниях, что есть синоним больших энергий). Это значит, что полная энергия поля, создаваемого точечным зарядом, обращается в бесконечность, а, по соотношению Эйнштейна, где энергия – там и масса, и значит масса любой точечной заряженной частицы (например электрона) должна быть бесконечной – в противоречии с фактами! Строго говоря, мы не можем поручиться, что электрон истинно точечный, но, во всяком случае, его радиус (если он и есть) согласно известным измерениям на много порядков меньше той величины, которую он должен был бы иметь, если бы вся масса электрона была обусловлена энергией создаваемого им поля.

    Проблема эта решается с помощью математического приема, называемого перенормировкой. Суть приема в том, что мы приписываем электрону бесконечно большую отрицательную «затравочную» массу и постулируем, что бесконечный отрицательный затравочный вклад, будучи сложен с бесконечным положительным вкладом от Кулоновского поля, дает в точности наблюдаемую массу частицы. Красиво это или нет, но таким способом мы устанавливаем правила игры для сокращения бесконечностей и с этих пор можем однозначно проводить вычисления, не наталкиваясь на противоречия. И потом сравнивать результаты вычислений с результатами измерений. И до сих пор согласие во всех случаях было просто изумительным. А то, что «затравочная» масса отрицательна – не беда. Ведь ни «затравочная», ни «полевая» масса по отдельности не измеряются, так как мы в принципе никогда не можем отделить заряженную частицу от создаваемого ею поля. А значит, ни одна из этих «масс» сама по себе физической величиной не является, а физический смысл имеет только их сумма.

    Итак, смысл существования бозона Хиггса для нас в том, что он нам позволил соединить казалось бы несоединимые вещи: область высоких-превысоких энергий, где у W и Z бозонов масс быть не должно (чтобы не возникали неустранимые расходимости) с областью низких энергий, где у W и Z бозонов масса есть как экспериментальный факт. Природа пошла математикам навстречу и там, в «горних высях», бозонам массу не дала. Частицы обзаводятся массой только для жизни на дне; масса возникает как результат взаимодействия с различными вакуумными конденсатами.

Что дальше?

Как бы то ни было, открытие бозона Хиггса положило начало новым исследованиям и иному пониманию реальности. Ученые надеются, что это открытие приведет к разработке симметричной или даже суперсимметричной теории, которая расширит Стандартную модель и закроет присутствующие в ней дыры. Это, в свою очередь, поможет выяснить, что же такое темная материя - поле, которое, похоже, более неуловимо, чем поле Хиггса.

Открытие бозона Хиггса можно смело назвать одним из самых важных открытий в нашей недолгой истории. Когда-то давно любознательность наших предков вывела их из Африки и побудила исследовать мир. Сегодня мы знаем о четырех фундаментальных взаимодействиях природы, которые помогают нам понять, как устроен мир в тончайших деталях. Исследования продолжаются, и ученые, работающие на Большом адронном коллайдере и других ускорителях частиц, достигают все больших энергий — и даже добились создания капель кварк-глюонной плазмы (сегодня она считается первичным веществом, которым было заполнено все пространство сразу после Большого взрыва). К 2030 году в Китае планируют построить самый большой и мощный ускоритель частиц, который поможет проводить новые эксперименты на более высоких энергиях. Будем надеяться, что он поможет заглянуть глубже в саму структуру реальности. А пока нам остается только ждать и следить за результатами экспериментов.