Что такое бозон Хиггса?

Тема: Наука


В школе нам всем рассказывали, что мир состоит из атомов. Атомы — из протонов, нейтронов и электронов. Некоторым повезло еще больше: им рассказали, что протоны и нейтроны в свою очередь состоят из частиц, которые называются кварками. Как и протоны, так и нейтроны содержат всего два типа кварков, которые называются u [up] и d [down]

Выглядит это примерно так:

На этом обычно школьная физика заканчивается, но с тех пор как школьная программа пересматривалась последний раз, прогресс ушел далеко вперед. Выяснилось, что кварков может быть целых 6 штук, но наш земной мир ограничивается лишь двумя (почему так происходит, до сих пор непонятно) — вся наша материя состоит из протонов и нейтронов, т.е. по сути, из u и d кварков.

Однако мы научились получать кварки, которые в обычной жизни не видны. Для этого достаточно разогнать нашу земную материю (протоны или электроны) до высокой скорости и столкнуть хорошенько. Так рождаются новые частицы, а энергия сталкиваемых частиц переходит в их массу. Проблема в том, что 4 типа кварков, которые мы обычно не видим, «тяжелее» хорошо знакомых u и d кварков, поэтому чтобы они появились, разгонять частицы перед столкновением нужно очень сильно. Для этого и нужны ускорители типа LHC, он же Большой Адронный Коллайдер.

Адронами называются частицы, которые содержат 3 кварка. Например, хорошо знакомые нам всем протоны и нейтроны. В LHC сталкивают протонные пучки, и т.к. протоны=адроны он и получил своё гордое имя Адронный.

У кварков много общего с электронами, поэтому их объединили в семейство, которое называется фермионами. Фермионы могут взаимодействовать между собой через другие частицы — переносчики взаимодействия. Для краткости все переносчики взаимодействия называют бозонами.

Упрощенно это обычно изображают на схемах, которые называются диаграммами Фейнмана. Идея здесь довольно проста: фермионы взаимодействуют и излучают бозон. Бозоны обычно долго не живут и рождают какие-нибудь другие фермионы. Как это выглядит, можно увидеть на рисунке рядом.
Здесь в качестве бозона выступает гамма квант, он же фотон. Фермионы (электрон и позитрон) сначала рождают этот фотон, а затем он рождает электрон и позитрон. Еще это можно представлять себе как будто электрон и позитрон не исчезают и появляются, а просто общаются друг с другом посредством этого фотона. Итого, кроме бозона Хиггса, о котором речь пойдет ниже, существуют и другие бозоны.

Хиггс бозон: зачем он и какой он?

В теории про фермионы и бозоны (она называется Стандартная Модель) всё было прекрасно и подтверждается экспериментально, кроме одного момента — у частиц в ней нет массы. А ведь мы прекрасно знаем, что всё в нашем мире имеет вес. Поэтому нужно было придумать некий механизм, который бы эту массу объяснял. Такой механизм придумал Пи́тер В. Хиггс в 60-х годах. По сути, это простое математическое уравнение, которое показывает, что если добавить один бозон, то у частиц тут же появляется масса, и всё становится на свои места. При желании это уравнение можно расширить, добавляя не один бозон, а несколько, хоть пять штук.
Короче говоря, механизм хоть и прекрасен в своей математической простоте, но собственно о самом бозоне, который нужно добавить, почти ничего не говорит: ни сколько он сам весит, ни один ли он или ему обязательно нужны собратья. Бозон этот назвали бозоном Хиггса и с 80х годов его\их ищут как могут.
Хиггсовский бозон, как и любой другой, может появляться при рождении фермионов и распадаться в эти же и\или другие фермионы. Конечно, хочется максимальной простоты, и пока все надеются, что Хиггс бозон всего один. Именно для этого случая теоретики просчитали много диаграмм Фейнмана с разными фермионами и теперь в экспериментах ищут подтверждение или опровержение этим расчетам.

Плохая новость: по сути, эта задача со многими неизвестными и, даже когда удается что-нибудь найти, получится всего лишь измерение одного из неизвестных параметров.
Хорошая новость: хиггсовский бозон может распадаться в любые фермионы, измерить эти каналы распада можно отдельно, а потом посмотреть, как они согласуются друг с другом.

Типичное измерение выглядит так:
Допустим, вы ожидаете, что бозон распадается на два определенных кварка. Эти кварки разлетаются в разные стороны, оставляя следы в детекторе. Но вы-то знаете, что их всего два, поэтому всё что нужно — посмотреть картинки из детектора, где четко видны следы двух частиц и, если они не описываются распадом известных частиц — значит, это был Хиггс бозон!
Проблема в том, что в протоне кварков — три, и когда вы сталкиваете протон с протоном — это как минимум три одновременных взаимодействия кварков. Плюс к этому энергия очень большая, и при таких условиях могут рождаться еще и еще пары кварков. В итоге картинки с детектора выглядят как-то так, все желтые линии на картинке — следы частиц.
Как вы понимаете, разглядеть невооруженным глазом, был ли здесь Хиггс бозон или нет — сложновато. Благо прогресс не стоит на месте, и отсеивать следы неинтересных частиц научились с помощью компьютерного разума. Хотя всё еще требуется много времени, чтобы доказать: алгоритмы отбрасывания всего ненужного работают правильно.

Что же мы узнали 4 июля 2012?

В этот исторический день исследовательские группы двух детекторов, которые трудятся на LHC, обнародовали свои результаты по некоторым каналам распада, где теоретики ожидают увидеть Хиггс бозон раньше всего (в том самом простейшем случае, когда такой бозон всего один). Результаты пока не очень впечатляющие: оба эксперимента показывают, что есть «нечто». Главное достижение, что независимые друг от друга детекторы измерили массу этого «нечто», и она у них совпала. Кроме собственно массы измерить пока ничего не удалось. Пока непонятно, это тот самый один-единственный Хиггс бозон? Или один из семейства Хиггсов в более сложной модели? Или это вообще не Хиггс бозон, а просто частица, которую раньше видеть не доводилось? Ответы на эти вопросы покажет время. Я думаю, не раньше чем через год или два.

Источник: copah.info


Eggheado — позватальная статья к завтраку.