Что такое бозон Хиггса?

Чтобы понять бозон Хиггса, нам действительно нужно сначала поговорить о поле Хиггса. Это поле придает определенным фундаментальным частицам их массу, а также отделяет друг от друга две из четырех фундаментальных сил природы.

Существование поля было впервые теоретизировано в начале 1960-х годов, когда физики рассмотрели последствия гипотетического поля, которое объяснило бы, как электромагнетизм и слабое взаимодействие разделились, и почему некоторые несущие силу (или калибровочные) частицы имеют массу (например, W и Z бозоны), а другие (например, фотоны) - нет.

Британский физик Питер Хиггс был одним из многих исследователей, работавших над этой моделью. Его имя с тех пор стало синонимом поля, его частицы и механизма действия.

Что же тогда такое бозон Хиггса?

Как и все квантовые поля, поле Хиггса порождает свой собственный вид фундаментальной частицы - бозон Хиггса. Это относительно тяжелый, незаряженный, крайне нестабильный бозон (несущая силу частица с нулевым спином), который существует мгновенно, прежде чем распадется на несколько других частиц.

В 2012 году именно такая частица была обнаружена двумя детекторами Большого адронного коллайдера, что официально привело к включению бозона Хиггса в Стандартную модель и предоставило убедительные доказательства механизма Хиггса.

Что дает частицам их массу?

В повседневной жизни мы воспринимаем массу как сопротивление движению. Вещи с большой массой трудно сдвинуть с места; когда они находятся в движении, их трудно остановить.

Формулировка специальной теории относительности Альберта Эйнштейна дает нам другой способ взглянуть на массу - это выражение энергии объекта.

В неподвижном состоянии объект имеет массу, равную его энергии, деленной на квадрат скорости света - поворот в известной формуле E = mc2. Заставьте объект двигаться, особенно со скоростью, близкой к скорости света, и он получит энергию, которая действует как масса.

Атомы получают большую часть своей массы от энергичного гудения частиц, называемых кварками, летающих внутри их ядер, связанных друг с другом сильной силой.

Но даже сами по себе кварки обладают массой. Как и окружающие электроны. Поскольку внутри них ничего не «гудит», необходима какая-то активность, чтобы учесть энергию, которая равнялась бы их массе в состоянии покоя.

Более того, в середине 20 века физики обнаружили, что предыдущие модели, описывающие калибровочные бозоны, не соответствовали наблюдениям; частицы ближнего действия, такие как бозоны W и Z слабого взаимодействия, были в 80 раз массивнее целого протона, тогда как дальнодействующий фотон электромагнитного поля вообще не имел массы.

Физики отчаянно пытались найти причину этих различий в весе и почему эти два поля были такими разными.

Как поле Хиггса дает фундаментальным частицам их массу?

При безумно высоких температурах в моменты после Большого взрыва поля электромагнетизма и слабого ядерного взаимодействия были бы практически идентичны друг другу.

По мере того, как Вселенная расширяется и охлаждается, эти два поля станут различными: одно работает с тяжелыми бозонами, действующими на коротком расстоянии ядра, другое - с бозонами, достаточно легкими, чтобы преодолевать огромные участки космоса.

Подобные объяснения этого раскола - и разницы в массах - исходили от нескольких групп физиков по всему миру. История признает предложение, сделанное Хиггсом и его коллегами Франсуа Энглером и Робертом Браутом в 1964 году, основанное на новом типе квантового поля, которое было активным повсюду, даже в пустом пространстве.

Наличие поля с ненулевым значением в каждом уголке Вселенной нарушило бы фундаментальный баланс в квантовой механике, который теоретически должен генерировать частицы, уже исключенные экспериментами.

Но Хиггс, Энглерт и Браут показали, что если бы это гипотетическое поле было связано с полем, ответственным за слабое взаимодействие, неприятная частица, которую никто не видел, была бы поглощена, оставив после себя несколько тяжелых W-и Z-бозонов и относительно тяжелые спиновые бозоны. Меньше, незаряженный бозон Хиггса (который быстро рассыпался бы).

Думайте о поле Хиггса как о кондитерской, с бозонами, которые не хотят торопиться, когда они обедают шоколадом, только чтобы оставить на своем пути кучу недолговечных «оберток Хиггса».

Вскоре стало ясно, что этот же процесс будет работать практически для любого квантового поля; Поле Хиггса объясняет массы ряда других элементарных частиц, таких как кварки и электроны, которые все сопротивляются толчкам, когда они уделяют время своему пристрастию к сладкому.

Источник