Кратка история на Хигс бозона, Светия Граал на физиката

Сподели

Този месец се навършват 10 години от откриването на бозона на Хигс, истинският „Свещен Граал“ на науката, който се изплъзваше от откриването почти 50 години. Но какво точно представлява тази частица и защо е толкова важна? На какво ни научи през десетилетието след откриването му – и по-важното, на какво може да ни научи през следващото десетилетие?

Стандартният модел на физиката на елементарните частици предвижда, че Вселената се състои от 12 елементарни частици материя, четири носителя на сила и една последна частица, която държи всичко заедно – Хигс бозона. Дълго време Хигс беше последното липсващо парче от пъзела, което беше проблем, защото без него останалата част от картината нямаше смисъл.

Съществуването му е предсказано за първи път през 60-те години на миналия век от неговия съименник Питър Хигс и независимо от екипа на Франсоа Енглерт и Робърт Браут. Физиците са работили, за да отговорят на въпроса как елементарните частици придобиват своята маса и са изчислили, че това се случва, когато взаимодействат с квантово поле, което прониква във Вселената. Този модел прогнозира, че така нареченото поле на Хигс също ще породи своя собствена частица и се ражда концепцията за бозона на Хигс.

Да го предскажеш беше едно, но да го откриеш беше друго. Моделът показва, че бозонът на Хигс ще се разпадне на други частици почти мигновено, давайки на учените много малък прозорец за наблюдение. За да влошат нещата, масата на частицата може да бъде от 10 до 1000 гигаелектронволта (GeV). Като такова търсенето се смяташе за невъзможно в продължение на десетилетия.

Откритието

Генералният директор на CERN Ролф Хойер (вляво) поздравява Франсоа Енглерт и Питър Хигс за обявяването на откриването на Хигс бозона на 4 юли 2012 г.

ЦЕРН

Едва през 80-те години технологията най-накрая навакса. Физиците разбраха, че бозоните на Хигс могат да бъдат създадени чрез разбиване на частици при високи скорости и въпреки че ще изчезнат бързо, техният подпис може да бъде забелязан, като се погледнат получените частици за онези, на които Хигс може да се разпадне.

Дори със серия от ускорители на частици, работещи с нарастваща мощност, бозонът на Хигс все още не беше открит през следващите няколко десетилетия. Това обаче не беше пълно измиване – всеки нулев резултат помогна да се стесни обхватът на възможните маси, така че през първите години на Големия адронен колайдер (LHC) на ЦЕРН тя се сви до между 115 и 130 GeV.

Вниманието беше особено фокусирано около 125 GeV, където екипите на LHC бяха забелязали излишък от събития, съответстващи на бозона на Хигс. ЦЕРН очакваше, че данните ще „определено дай отговор” до края на 2012 г. – потвърждавайки веднъж завинаги съществуването или несъществуването на Хигс бозона.

И със сигурност на 4 юли 2012 г. физиците на елементарните частици обявиха историческото откритие на Хигс бозона. Данните от два независими екипа на CERN, ATLAS и CMS, се сближиха до едно и също заключение – те бяха открили нова частица с маса около 125,3 GeV и няколко други свойства, подобни на Хигс.

Допълнителни експерименти потвърдиха, че това е дълго търсеният бозон на Хигс, спечелвайки на Питър Хигс и Франсоа Енглерт Нобеловата награда за физика за 2013 г. за оригиналното теоретично откритие.

Колкото и вълнуващо да беше съобщението по онова време, често се съобщава, че бозонът на Хигс е станал доста „скучен“ оттогава, тъй като не е разкрил никаква необичайна нова физика. И така, какво е правил през десетилетието след откриването му?

Десетилетието оттогава

Модел на сблъсък в Големия адронен колайдер, произвеждащ Хигс бозон
Модел на сблъсък в Големия адронен колайдер, произвеждащ Хигс бозон

АТЛАС/ЦЕРН

През първите няколко години учените изследваха новата частица, за да проверят дали има всички свойства, предвидени от Стандартния модел. Неговият спин, например, трябваше да бъде нула и начинът, по който се свързва с частиците, трябваше да бъде точното огледало на начина, по който се свързва с античастиците. И двете се оказаха точно както моделът очакваше.

Експериментите на LHC също потвърдиха едно от основните предсказания на бозона на Хигс – че другите частици в Стандартния модел придобиват своята маса чрез взаимодействие с полето на Хигс. Това от своя страна потвърждава ролята на Хигс в някои от фундаменталните сили – например, ако Хигс бозонът не съществуваше, щяхме да се нуждаем от ново обяснение за неща като реакцията на ядрен синтез, която захранва Слънцето.

По време на цикъл 2 на LHC бяха произведени около осем милиона Хигс бозона и АТЛАС и CMS екипи наскоро публикуваха нови проучвания, базирани на тези данни. Това включва колко често се произвежда от различни процеси, на кои други частици се разпада и колко често, и колко силни са взаимодействията му с други частици. В почти всеки експеримент, правен от учените, Хигс отговаряше на прогнозите на Стандартния модел.

Предстоящото десетилетие

3D напречен разрез на Големия адронен колайдер
3D напречен разрез на Големия адронен колайдер

ЦЕРН/Максимилиен Брис

Въпреки доста забележителното съгласие със Стандартния модел досега, по-подробното изучаване на бозона на Хигс може да бъде нашият билет за разгадаването на физиката, която лежи отвъд тази рамка.

Вземете например тъмната материя. Доказателствата сочат, че това мистериозно вещество прониква във Вселената и държи структури като галактики и клъстери заедно със силното си гравитационно влияние. Досега е избягвал директното откриване чрез експерименти, най-вече защото тъмната материя рядко взаимодейства с обикновената материя – но има шанс Хигс бозонът да взаимодейства с тъмната материя по начин, който най-накрая да я изтегли към светлината.

Друга странна загадка, предложена от новите измервания на Хигс, е, че Вселената може да не е толкова стабилна, колкото изглежда. В момента може да съществува в така нареченото състояние на фалшив вакуум, но във всеки един момент вселената – или големи части от нея – може внезапно да колапсира в състояние на истински вакуум. Това може напълно да изтрие цялата материя или ако имаме късмет, може просто да пренапише законите на природата.

Фактът, че Вселената все още съществува, предполага, че тя е по-стабилна, отколкото предполагат нашите модели, благодарение на други неизвестни сили в действие. Хигс бозонът може да ни помогне да разкрием тези сили.

Може също така да предостави нови улики към друга дългогодишна мистерия за това защо космосът не се е самоунищожил отдавна. Нашите настоящи модели предполагат, че материята и антиматерията трябва да са били произведени в равни количества от Големия взрив, но ако това беше така, всичко щеше да се сблъска и да унищожи всичко преди милиарди години. Това очевидно не се е случило, което показва, че по някаква неизвестна причина е създадена частица повече материя от антиматерията. Хигс може да ни помогне да разберем какво е наклонило везните в наша полза.

Отговорите на тези дълбоки въпроси може да са точно зад ъгъла. LHC стартира за третия си цикъл в началото на юли, при по-високи енергии от всякога. И през 2029 г. съоръжението ще започне нов живот като High-Luminosity LHC (HL-LHC), след голямо технологично надграждане, което ще навлезе по-дълбоко във физиката от всякога. Хигс бозонът ще бъде централна фигура в тези експерименти.

Източници: CERN [1],[2], Институт Макс Планк, APS Физика, Разговорът



Публикациите се превеждат автоматично с google translate


Сподели