Гипотетическое открытие гипотетической частицы. Большой Адронный Коллайдер, бозон Хиггса и тайны Вселенной

Загадки и тайны Вселенной. Масса.

Проблема современной физики состоит в том, что чем больше происходит открытий и чем глубже ученые проникают в тайны Вселенной, тем больше вопросов и загадок встает перед ними.

Например, привычное нам понятие массы определяет её как некую константу, характеризующую объекты материального мира. Однако для ученых, пытающихся разгадать тайны возникновения Вселенной, понятие массы не является таким простым. Как элементарные частицы приобретают массу? Почему ее значение у каждой из них строго определено?

По формуле E=mc² масса, по сути, является эквивалентом энергии. Например, масса протона, состоящего из гипотетических кварков и безмассовых глюонов, энергетических частиц, равна массе кварков и энергии их взаимодействия. Но откуда тогда появляется масса у самих кварков? Или неделимых электронов? А ведь не будь у частиц массы, Вселенная не могла бы существовать - не было бы звезд, галактик и даже атомов…

ОТО и СМ.

Базовыми теориями современной науки являются общая теория относительности Энштейна (ОТО) и Стандартная модель физики элементарных частиц. Научная проблема заключается в том, что эти теории — квантовая механика (Стандартная модель) и общая теория относительности— опираются на разные наборы принципов. Квантовая механика формулируется как теория, описывающая эволюцию физических систем (например, атомов или элементарных частиц) во времени и пространстве. В ОТО структура пространства-времени сама является динамической переменной теории.

СМИ, пишущие о том, что коллайдер LHC был создан для того, чтобы найти таинственный бозон Хиггса, правы лишь отчасти. Бозон Хиггса и его существование должно было или подтвердить основную теорию квантовой механики, существующую на сегодняшний день – Стандартную модель, или найти в ней отклонения.

По состоянию на конец XX века все предсказания Стандартной модели подтверждались экспериментально. С другой стороны, очевидно, что Стандартная модель не может являться последним словом в физике элементарных частиц. Поэтому поиск отклонений от Стандартной модели (так называемой «новой физики») — одно из самых активных направлений исследования.

Поле Хиггса — гипотетическое поле, названное в честь английского физика Питера Хиггса, предсказавшего его существование в 1964 году. Бозон Хиггса — теоретически предсказанная элементарная частица, квант поля Хиггса, с необходимостью возникающий в Стандартной модели. Согласно ей, массы фундаментальных (неделимых) частиц являются результатом их взаимодействия с полем Хиггса.

Все частицы, предсказываемые Стандартной моделью, за исключением бозона Хиггса – последнего недостающего элемента Стандартной модели, были экспериментально обнаружены.

4 июля 2012 года представители ЦЕРН заявили, что два детектора Большого Адронного Колайдера ATLAS и CMS наблюдали новую частицу с массой около 125—126 ГэВ. Возможно, эта частица является бозоном Хиггса.

Масса и поле Хиггса. 

Согласно теории, элементарные частицы приобретают массу, взаимодействуя с квантовым полем Хиггса, пронизывающим всю Вселенную. Если оно есть на самом деле, то согласно теории должна существовать связанная с ним частица – бозон Хиггса, который должен был быть обнаружен в экспериментах на ускорителях частиц и самом мощном из существующих в мире коллайдеров LHC. Ожидается, что в интервале масс 110

Почти два десятилетия назад нобелевский лауреат физик Леон Ледерман в своей книге в шутку назвал бозон Хиггса «частицей Бога» и это название намертво приклеилось к бозону в заметках и сюжетах СМИ.

Гордон Кейн, специалист по теории элементарных частиц, профессор физики Мичиганского университета, привел такое интересное сравнение:

А был ли мальчик?

Массы частиц Стандартной модели отличаются на 11 порядков начиная от нейтрино и заканчивая топ-кварком и возникают благодаря взаимодействию с полем Хиггса. По-видимому, существуют по крайней мере пять видов бозонов Хиггса.

В результате столкновения протонов во встречных пучках Большого Адронного Коллайдера рождается множество вторичных частиц. Бозон Хиггса – живет ничтожно короткое время и очень быстро распадается. Детекторы на БАКе не могут зарегистрировать бозон Хиггса напрямую, но продукты его распада, которые живут достаточно долго для того, чтобы быть зарегистрированными, могут. Имея в арсенале массы и энергии частиц – продуктов распада, ученые могут восстановить массы родительских частиц, в результате распада которых они образовались. И хотя масса бозона Хиггса в стандартной модели не была определена, последние исследования установили, что она должна находиться в коридоре 110-130 гигаэлектронвольт.

По сообщению ЦЕРН, оба детектора, ATLAS и CMS, «видят» новую частицу с массой 125-126 гигаэлектронвольт с достоверностью около пяти сигма, что соответствует уровню открытия.

Однако масса открытой частицы (126 гигаэлектронвольт), гипотетически являющаяся бозоном Хиггса, к примеру, не устраивает Нобелевского лауреата по физике 1999 года голландца Мартинуса Велтмана. По его подсчетам, при такой массе частицы, наделяющей массой другие частицы, Вселенная, должна быть размером с футбольный мяч…

Чем бы не являлась открытая частица – искомым бозоном Хиггса или частицей, похожей на бозон Хиггса, отличающейся от него по своим свойствам, или вообще чем-то совершенно иным - все это может привести к «дверям» в новую физику за пределами Стандартной модели. Так что открытия только начинаются.